超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫“明拱暗墻-短臺階法”施工力學研究

支衛清

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著“交通強國，鐵路先行”號召的提出，我國鐵路隧道的建設迎來了高峰期[1]，截止2019年底，我國運營鐵路隧道16 084座，總長達18 014 km。我國幅員遼闊，地質條件復雜[2]，同時受到線路線型的限制，使得部分鐵路隧道不得不穿越水庫[3]。在隧道穿越水庫的施工中，既要考慮水庫對隧道施工安全的影響，也要關注新建隧道施工對既有水庫的影響，給隧道的設計及施工帶來了極大的困擾[4-5]。目前針對鐵路隧道穿越既有水庫工程，部分學者采用理論分析、數值模擬、模型試驗的方法針對其施工技術進行了重點研究。

周冠南等[6]以大力寺隧道為依托，采用數值模擬的方法，對隧道下穿大力寺水庫時滲透系數與隧道穩定性之間的關系進行了研究，并對不同參數下隧道圍巖的變形、應力及塑性區的變化規律進行了探究；徐早文[7]以中寨隧道下穿既有水庫斷層破碎帶為工程背景，采用了理論分析和數值模擬的方法，對該條件下的隧道掌子面穩定性進行了研究，并建立了掌子面穩定分析模型，同時基于有限差分軟件FLAC3D對該段隧道的圍巖變形及支護結構內力特征進行了研究；王肖文[8]和王北京[9]以燕居嶺隧道為依托，對鐵路隧道下穿既有水庫的超前地質預報、帷幕注漿加固技術進行了詳細闡述；周祥[10]以秀寧隧道穿越龍潭水庫為工程背景，采用理論分析、室內試驗及數值模擬的方法，對洞內水平真空抽水加固方案進行了評價，選定了合理的注漿加固參數，并提出了全斷面超前注漿三臺階開挖方法；徐前衛等[11]在南華隧道中采用高壓旋噴樁加固及深層攪拌樁施作止水帷幕技術，同時采用三臺階臨時仰拱開挖的方法，使隧道安全穿越上方既有水庫。

基于鐵路隧道穿越既有水庫的研究現狀，可以發現當前已經建成的工程案例均距離既有水庫較遠，或隧道埋深較大，但對于超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫，目前還沒有類似工程實例，可供借鑒的施工技術及設計經驗較少。本文依托金臺鐵路牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段為工程背景，提出“明拱暗墻-短臺階法”，并采用數值模擬和現場監測相結合的方法，對其施工力學進行研究，其研究成果已在牛和嶺隧道的施工中得到驗證，具有一定的工程價值和學術意義，可為其他類似工程提供經驗及依據。

2 工程概況

金(華)臺(州)鐵路牛和嶺隧道位于浙江省麗水市縉云縣壺鎮鎮境內，隧道起訖里程為DK25＋163～DK31＋435，全長6 272 m，為單線電氣化鐵路隧道，預留二線條件。隧道所處地區多低山，地形起伏較大，“V”型沖溝發育。海拔高程235～522.4 m，相對高差10～287.4 m，自然坡度 25°～60°。 沖溝內常年有水，水量較大，在部分地區匯集成水庫，水庫水位和水量受季節影響較大。

本文所研究的區域為牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段，由于該段DK25＋163～DK25＋390段正線與預留二線間距為15.14～34.52 m，間距較小，為保證施工安全以及后期二線施工過程中正線的運營安全，本工程在此段同時修建二線，為單線隧道。牛和嶺隧道正線DK25＋305～DK25＋360段埋深1.88～5.83 m，二線DyK25＋285～DyK25＋332段埋深0.47～2.59 m，左右線隧道凈距小，埋深淺，且超近距離下穿水庫庫尾，地下水豐富，施工安全風險極高，隧道與水庫平面位置關系如圖1所示。

圖1 隧道與水庫平面位置

依據工程地質調繪及地質鉆探，隧道超近距離穿越水庫區段地層巖性主要為白堊系上統塘上組粉砂巖、凝灰巖。該區域圍巖主要為侏羅系上統西山頭組凝灰巖，巖體破碎，巖質較軟，圍巖級別為Ⅴ級。本文針對該段隧道的施工提出“明拱暗墻-短臺階法”，并采用數值模擬和現場監測相結合的方法，以DyK25＋320為研究斷面，對其施工力學進行研究。

3 “明拱暗墻-短臺階法”工法特點

超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫“明拱暗墻-短臺階法”在施工前先進行地表水的抽排，以便后續施工的正常進行，主要包括以下6個步驟:拱部明挖→施作護拱及其防水層→回填碎石土→隧道上臺階開挖→下臺階開挖→施作二次襯砌，其施工工序如圖2所示。該工法其特點在于充分利用護拱對上覆巖土體的承載能力，有效控制了圍巖變形，保證施工安全。同時，隧道的開挖采用上下短臺階法，工序簡單，施工機械設備操作空間充足，提高了施工進度，便于隧道快速通過下穿既有水庫段，具有明顯的技術經濟性。

圖2 “明拱暗墻-短臺階法”施工工序

支護結構采用Ⅴ級圍巖加強復合式襯砌，其襯砌斷面如圖3所示，其中護拱和二次襯砌厚度分別為60 cm和45 cm，材料為C35鋼筋混凝土，初期支護參數如表1所示。

圖3 襯砌斷面圖(單位：cm)

表1 初期支護參數

4 超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫數值計算分析

4.1 三維數值計算模型的建立

進行三維數值計算時，設定水平方向為X軸，縱深方向為Y軸，豎直方向為Z軸。選取模型邊界與隧道的距離為3～5倍洞徑，根據牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段的地質情況，確定模型的尺寸為寬×高＝110 m×60 m，縱深Z＝60 m，隧道埋深3.0 m，左右線隧道凈距20 m。對模型X及Y方向的兩個邊界和Z方向的下邊界施加位移約束，上邊界為自由邊界，模型如圖4所示。開挖方法為“明拱暗墻-短臺階法”，結合實際施工，確定開挖進尺1 m，臺階長度6 m，正線與二線同步施工，以斷面Y＝30 m(DyK25＋320)為研究斷面。

圖4 數值計算模型(單位：m)

4.2 物理力學參數

模型中圍巖采用實體單元模擬，本構模型為mohr-coulomb彈塑性模型，護拱及隧道襯砌同樣采用實體單元模擬，選擇彈性模型。在進行初期支護物理力學參數選取時，不考慮鋼筋網的作用，同時將鋼架按等效剛度原則折算到噴射混凝土中，得到圍巖及支護結構物理力學參數如表2所示。

表2 圍巖及支護結構物理力學參數

本文在進行數值計算時，考慮到實際施工情況及分析軟件的特點，對模型進行如下簡化:(1)模型中所有材料均為連續、均一的理想體；(2)考慮到在施工前已將地表水抽排掉，且為超淺埋隧道，因此在施工階段不考慮水的滲流作用；(3)計算時初始應力場僅考慮自重應力，不考慮構造應力場的影響。

4.3 計算結果及分析

4.3.1 圍巖變形分析

為探究“明拱暗墻-短臺階法”在施工過程中的圍巖變形演變規律及最終變形量，本文對斷面DyK25＋320(Y＝30 m)設置8個監測點:拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻及仰拱，監測點布置如圖5所示，由于對稱性，本文僅對二線隧道進行監測，圍巖豎向位移及水平收斂時程曲線如圖6所示。

圖5 圍巖變形監測點布置

圖6 圍巖變形時程曲線

從宏觀角度來看，圍巖變形主要發生在二次襯砌施作之前，在施作二次襯砌后圍巖變形基本穩定，不再發生大幅波動。最大豎向位移值26.44 mm，為仰拱隆起，最大水平收斂12.23 mm，發生在拱腳位置處。在動態演變方面，1＃開挖后，拱頂、拱腰及仰拱的豎向位移急劇上升，變形速率較大，在該階段發生的位移占到其總位移的30% ～45%，在2＃開挖后，其變形速率減小，并逐漸收斂，說明1＃的開挖是引起上述三個測點產生豎向位移的主要原因；對于水平收斂，可以發現1＃開挖后拱腳處的水平收斂急劇上升，2＃開挖后邊墻處的水平收斂進入陡增階段，說明拱腳處的水平收斂主要是由1＃開挖導致，邊墻處的水平收斂主要是由2＃開挖所引起的。這里值得注意的是，拱腰處的水平收斂在整個施工過程中均沒有發生較大波動，且最終收斂值僅為0.06 mm，這是因為護拱作為一個矢跨比為0.32拱形結構，在受到上覆巖土體的荷載后，會在其腳部產生朝洞外方向的水平推力，極大地抑制了拱腰處的水平收斂。

為了探究護拱的支護效果，本文采用相同的模型進行數值計算，在施工中不進行護拱的施作，得到無護拱工況下的圍巖變形云圖如圖7所示。

圖7 無護拱工況下圍巖變形云圖(單位：m)

由圖7可知，在有護拱的工況下其圍巖變形均小于無護拱工況，說明護拱對上覆巖土體起到了良好的承載作用，有效地控制了圍巖變形。其中，最為明顯的是拱頂下沉和拱腰水平收斂，其減幅分別達到42.77%和98.93%。

4.3.2 地表沉降規律分析

對于超淺埋隧道，地表沉降是一個判定隧道施工安全性的重要指標。研究斷面橫向地表沉降如圖8所示。

圖8 橫向地表沉降曲線

地表沉降曲線呈現出明顯的對稱性，表現出“雙峰”特征，基本符合Peck沉降曲線分布規律，其峰值位置出現在隧道中線處。文中雙線鐵路隧道D/L＝0.28(D為隧道中心到地表距離，L為兩隧道中線距離)，其外觀形態為較陡峭的“W型”，這與文獻[12]針對雙線淺埋隧道的地表沉降規律研究成果較為吻合。從演變規律來看，當1＃到達研究斷面時，峰值為2.68 mm；當2＃到達研究斷面時，峰值為7.62 mm；分別占到最終峰值的21.27%、60.48%，說明1＃的開挖所引起的地表沉降占較大的比重，施工中要尤為注意。從最終峰值來看，有護拱工況為12.60 mm，無護拱工況為19.27 mm，減幅為34.61%，說明護拱對地表沉降也有明顯的控制效果。

5 現場實測數據分析

在牛和嶺隧道超近距離下穿既有水庫段的施工中，采用“明拱暗墻-短臺階法”，對其圍巖變形及護拱內力特性進行了監測，本文針對斷面DyK25＋320二線隧道的實測數據進行分析研究。

5.1 圍巖變形監測

圍巖變形現場監測項目包括:拱頂下沉、拱腳水平收斂及邊墻水平收斂。其測點布置如圖9所示，變形時程曲線如圖10所示。

圖9 圍巖變形現場監測點布置

圖10 圍巖變形時程曲線

根據圍巖變形時程曲線分布規律，可將其變形過程分為3個階段:陡增階段、緩增階段及穩定階段。對于拱頂下沉及拱腳水平收斂，當1＃開挖后即進入陡增階段，其變形急劇增長，最大變形速率分別為1.7 mm/d、1.6 mm/d，該階段所產生的變形量分別占到其總變形量的76.72%、82.08%；當2＃開挖后，初期支護封閉成環，變形速率減小，進入緩增階段并逐漸收斂。對于邊墻水平收斂，當2＃開挖后進入陡增階段，最大變形速率為1.0 mm/d。在2＃開挖后的15 d左右，圍巖變形基本穩定，進入變形穩定階段。從最終變形量來看，拱頂下沉為11.6 mm，拱腳水平收斂為10.6 mm，邊墻水平收斂為6.3 mm，均在變形允許范圍內。無論是圍巖變形的演變規律，還是各監測項目的最終變形量，數值計算與現場實測結果均高度吻合，說明前文的數值計算具有一定的可靠性。

5.2 護拱內力特性監測

在“明拱暗墻-短臺階法”的施工中，護拱的施作要早于暗洞開挖，其承載能力也是保證施工安全的關鍵。護拱內力特性監測項目包括鋼筋軸力和混凝土應力，測試元件分別為鋼筋應力計、混凝土應變儀，監測點布置如圖11所示。

護拱鋼筋軸力及混凝土應力時程曲線如圖12所示。

圖11 護拱內力監測點布置

圖12 護拱內力時程曲線

在力學演變規律上，當1＃開挖后，護拱內力急劇上升，且該階段其內力占到最終值的70%左右，是施工過程中的一個關鍵步驟，要加強在該階段的監測力度；當2＃開挖后，護拱內力也會產生一定的波動，且內力增長速度逐漸減小直至收斂，在2＃開挖后15 d左右，護拱內力基本穩定，這與上文圍巖變形規律是吻合的。護拱內力特征表現為:整體受壓，拱頂內力大于拱肩，左右拱肩內力相差不大，表現出一定的受力對稱性。從最終內力值來看，鋼筋軸力為-46.95 kN，混凝土應力為-8.49 MPa，分別為其材料設計強度的37.38%和32.65%，說明護拱還有繼續承載的能力，結構安全性滿足要求。

6 結束語

(1)針對超淺埋鐵路隧道下穿既有水庫施工經驗缺乏的現狀，提出“明拱暗墻-短臺階法”，有效地保證了施工安全，實現快速通過下穿段。

(2)護拱對上覆巖土體起到了良好的承載作用，明顯減小了地表沉降及圍巖變形，其中最為顯著的是拱頂下沉和拱腰水平收斂，減幅分別達到42.77%、98.93%。

(3)采用數值模擬和現場監測相結合的方法對其施工力學進行了研究，結果表明，上臺階的開挖是整個施工的關鍵，地表沉降、圍巖變形和護拱、內力急劇增長，且在該階段所產生的量值占比較大；下臺階開挖后12～15 d，各量值基本收斂，進入穩定階段。

(4)基于現場力學特性測試數據，護拱內力特征表現為:整體受壓，拱頂內力大于拱肩，左右拱肩內力呈現出一定的對稱性；鋼筋軸力和混凝土應力分別占到其材料設計強度的37.38%和32.65%，護拱具備繼續承載的能力，滿足安全要求。