深挖方路塹與隧道及其施工方案比選研究

陳明明

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南714099）

1 概述

“一帶一路”倡議的提出極大促進了西部黃土地區交通建設發展，越來越多的黃土隧道開工建設。黃土隧道施工中通常采取明挖法、暗挖法、盾構法以及深挖方路塹方案進行施工[1]。例如西安地鐵九號線（臨潼線）紡織城東側采用明挖法施工，鄭西高鐵吳溝隧道進行了暗挖法隧道施工，西安地鐵一號線二期森林公園站至灃東路站左線應用盾構機進行開挖。目前黃土地區隧道施工方案的設計多采用經驗法和工程類比法，本文針對西法城際鐵路項目在眉縣閆家堡南側穿越淺層濕陷性黃土地層的工程地質特點，以及臨近太白山國家級自然保護區的特殊條件，以保障安全、經濟環保、靈活施工為原則，對線路的工程建設方案進行比選，推薦采用淺埋暗挖法隧道施工方案，以期為太白隧道的設計與施工提供參考。

2 工程概況

西安至法門寺至機場城際鐵路全長237.173km，設計速度目標值200km/h[2]，線路呈東西走向穿越陜西省眉縣閆家堡南側，詳情如圖1 所示。此段落內地形起伏較大，道路及灌渠分布較多，地表多為耕地，主要地層為第四系上更新統風積黏質黃土（Q3）及第四系中更新統風積黏質黃土（Q2）。黃土臺塬坡面下切作用強烈，DK77+310～DK77+360 段坎邊坡分布有溜坍。隧道洞身處黏質黃土多為軟塑狀，具有濕陷性及古土壤膨脹性，地下水為賦存于黏質黃土層中的孔隙潛水，埋深約17～35m，地下水位受季節及人工抽取地下水的影響而變化。此段落內濕陷性黃土地層與含水率高的工程地質特征，對設計線路穿越方案及保障后期安全運營都造成極為不利的影響。同時，太白隧道臨近太白山國家級自然保護區，線路方案需符合環保要求。

3 設計方案與比選

3.1 深挖方路塹方案

設計采用深挖方路塹方案時，依據《鐵路路基設計規范》[3]，擬設計路基長度950m，最大挖方邊坡高度43m，路塹邊坡高度大于25m 的地段長約550m。邊坡地段設置樁板墻及H 型樁板墻，地基采取挖除換填、水泥土擠密樁、水泥攪拌樁等處理，坡面采用空心磚及拱形骨架護坡防護。

3.2 盾構法方案

若線路選用盾構法隧道方案，設計隧道起迄里程DK76+350～DK77+390，長度1040 m。根據線路埋深、工程地質、水文地質情況等條件，DK76+518.5～DK77+327.5 段（809m）采用盾構施工，其余為洞口淺埋明洞及洞門段。該方案中隧道以淺埋為主，最大埋深約29m。區間隧道坡度1.2%下坡。考慮地層主要為黏質黃土，根據地層的滲透系數、地層的顆粒級配，選取直徑達12.9m 土壓平衡盾構機進行開挖。

圖1 項目工程地貌平面圖

3.3 淺埋暗挖法方案

淺埋暗挖方案擬定為360m 淺埋暗挖與421m 明挖結合的方案，長度共計781m。全隧道位于半徑為2200m 的曲線上，為3%的單面下坡，洞身全淺埋，最大拱頂埋深約31m，開挖跨度為14.86m，隧道內輪廓高度為9.68m。該隧道Ⅴ級圍巖共261m，占隧道全長的33.4%；Ⅵ級圍巖520m，占隧道全長的66.5%。采取預留核心土法開挖并結合現場量測數據適時調整靈活施工方法。

3.4 深挖方路塹與隧道工程方案對比

深挖方路塹方案相比隧道施工方案簡單易行，施工安全可靠，能夠有效規避淺埋黃土隧道施工中出現的大變形甚至塌方的風險，開挖作業面相比隧道內狹小空間大大提高，能夠實現快速，安全的施工。

然而深挖方路塹方案存在三方面問題：（1）挖方深度達43 m，地下水埋深則在17～35 m 處，因而致使路基面處于地下水位線下。所處地層多為具有濕陷性的軟塑狀黃土，開挖暴露在空氣中易風化，遇水強度下降明顯，路塹邊坡容易產生滑塌等危害[4-5]；（2）擋護工程量大、占地多，地基處理和路基排水工程量大，改移道路和灌渠渡槽工程大，線路后期運營時，容易出現邊坡失穩破壞等問題；（3）項目所在地臨近太白山自然保護區，應當重視自然生態環境問題，避免大開大挖。

相比于深挖方路塹方案，采取暗挖法修筑的隧道工程具有以下優勢：（1）可避免深挖方路塹的大開大挖及高邊坡的形成，規避滑塌風險；（2）隧道作為地下工程建筑物，修筑時可減少用地，降低對地表建筑與交通的影響，線路運營期可克服邊坡失穩、滑塌等危害；（3）隧道工程因其占地少，對周邊環境影響較小。

因此，在詳細檢查、核對和分析地質資料的基礎上，考慮施工及運營安全，生態環境保護等問題，研究推薦為隧道方案。

表1 隧道方案盾構法與淺埋暗挖法對比

3.5 隧道方案盾構法與淺埋暗挖法對比

盾構法具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降等特點。淺埋暗挖法是在山嶺隧道施工常用的新奧法原理基礎上發展起來的，通過采集量測數據指導設計和施工，同時采用超前支護，改良地層，注漿加固等技術輔助隧道施工。開挖方法多種多樣，包括全斷面法，臺階法，中隔壁法，雙側壁導坑法等。當地質環境較為復雜，采用淺埋暗挖法施工技術具有施工方式靈活、適應性強等優點。本項目隧道方案中兩種方法的基本情況對比見表1 所列。

盾構法相比淺埋暗挖法施工具有機械化程度高，掘進速度快等優點，然而在太白隧道采用盾構法需考慮以下三方面問題：（1）國內尚無在黃土地區采用12.9m 大直徑土壓平衡盾構機施工案例，且盾構法施工對場地條件，施工用電要求高，因而風險較高。洞身所處地層主要為黏質黃土，且呈軟塑狀，盾構機在掘進過程中，刀盤易發生“糊刀”和“泥餅”現象，影響施工；（2）盾構法施工預計工期18.6 月，但不包括設備購置及拼接安裝時間；（3）采取盾構法施工主體隧道工程投資1.78 億元，施工設備購置費1.3～1.5 億元，共計最高可達3.28 億元。

太白隧道采取淺埋暗挖方案，具備以下特點：（1）由于隧道穿越淺埋濕陷性黃土地層，隧址區地層含水率變化差異大，隧道不同段落圍巖工程性質變化較大，采用淺埋暗挖法施工則具有地質適應能力強的優勢；（2）淺埋暗挖法方案預計工期為22.5月，較盾構法工期長3.9 個月，但考慮盾構機設備購置及拼接安裝時間，二者實際工期接近；（3）較盾構施工投資少1.28 億元，淺埋暗挖法施工投資2 億元。

因此，綜合考慮施工難度、工期及經濟成本，推薦淺埋暗挖法作為本工程隧道的施工方案。

4 結論

4.1 進行黃土地區隧道設計方案時，應結合現場工程地質實際情況，以保障安全，經濟環保，靈活施工為原則進行方案比選。

4.2 深挖方路塹方案相比隧道施工方案簡單易行，施工安全可靠，然而深挖方路塹方案中深挖槽形成的高邊坡失穩是線路運營期嚴重安全隱患，同時此方案施工期大開大挖會破壞大面積地表植被并帶來揚塵等環保問題，然而隧道方案可以規避以上問題。因此，選取隧道方案通過。

4.3 盾構法方案較淺埋暗挖法方案存在對場地條件、施工用電要求高，安全風險較高的問題，且從經濟角度太白隧道盾構法方案投資高出淺埋暗挖法方案投資1.9 億元。因此，太白隧道宜采取淺埋暗挖法修建。