鐵路隧道淺埋下穿河道暗挖施工拱部加固措施研究

劉 甫，王英學，章偉華，張子為，趙萬強

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

隨著城市化建設的發展，越來越多的隧道在淺表地層修建，且在隧道施工過程中，常不可避免地跨越或下穿不同工程地層地質及地表建筑物。當淺埋隧道下穿河道時，施工過程中極易發生河水下滲，導致工作面水泥噴涌等工程災害，且淺埋隧道開挖施工，極易使得上方河道地層產生較大變形，從而誘發隧道塌方等嚴重事故，對隧道施工人員的生命安全和社會的公共財產造成不可估量的損失。

針對該類工況，國內外學者開展了如下研究：王利民[1]對武家嶺隧道淺埋段下穿季節性河道采用半明挖暗穿河道的施工方法進行分析，提出采取半明挖暗下穿施工方案，宋朋超[2]對淺埋巖溶隧道下穿河流段施工進行分析，通過多方案比較，在銑挖法等施工方法中選取了較優的施工方案。李會[3]對北京廣渠路東延道路下穿北運河隧道工程進行分析，對采用明挖法施工河道行洪與項目安全間的相互影響進行分析，提出補救防范措施。熊怡思[4]對大斷面公路隧道下穿水塘超前預支護技術進行研究，驗證了大跨淺埋隧道下穿水塘時采用上半斷面帷幕注漿進行加固止水的可行性。閆自海[5]對城市隧道下穿河道淺埋暗挖施工進行研究，結合依托工程，提出了河道導流和周邊注漿加固兩種措施。彭思甜[6]以鵝嶺隧道為依托，對鐵路隧道下穿河道過程進行了數值模擬分析，確定隧道下穿拿山河床的注漿參數。陳鐵軍[7]以北京地鐵九號線淺埋暗挖區間隧道下穿馬草河為例，研究區間隧道在砂卵石地層中穿越河道的施工技術。付賀[8]結合徐州市城市軌道交通1號線一號路站—振興路站區間下穿三八河的工程實例，探討及總結了淺埋暗挖礦山法隧道下穿河道初支施工技術。肖偉良[9]依托貴廣鐵路巖山隧道下穿寨蒿河段，通過河道地表一定范圍內水泥回填，保證了施工的順利進行。鐘國[10]以大連地鐵學海區間過凌水河段隧道為依托，分析了該段隧道施工中存在的主要風險因素，給出了相應的支護加強和施工處理措施。陳建偉、薛子斌、周鑫、顏治國等重點針對盾構法下穿河道的施工影響及對策進行了分析，得出了一些重要結論。

通過上述調研分析可以看出，對于隧道下穿河道施工的方法、對策已經有許多學者進行研究，并取得了許多成果。但是由于施工狀況的復雜性，具體施工加固及支護措施應如何選取尚待完善。本文依托戴云山一號隧道工程，通過Flac3D建立4種隧道淺埋下穿河道的不同拱部加固及超前支護措施模型，研究在淺埋隧道下穿河道施工過程中，采用不同的拱部加固及超前支護措施對隧道洞周圍巖及地表變形的影響，為該類工程的施工加固與超前支護措施提供參考。

1 工程概況

戴云山一號隧道是興泉鐵路(江西省興國縣至福建省泉州市)的一項重要工程，隧道進口位于泉州市德化縣美湖鄉巖頭村，隧道出口位于泉州市德化縣蓋德鄉。進口里程DK356+280，出口里程DK370+000，隧道全長13 720 m。其中單線隧道長13 000 m，車站隧道長720 m；隧道最大埋深527 m。洋田車站伸入隧道進口端，出口緊鄰德化車站。隧道進、出口附近有簡易公路相通，交通較方便。

戴云山一號隧道出口DK369+685～DK369+700洞身淺埋段，圍巖巖層為V級圍巖偏壓式明洞斷面，洞頂中心填土高度為4 m，初步擬定采用明挖施工，實際工程采用拱部加強的暗挖法施工。隧道與河道的平面位置如圖1所示，隧道與河道縱剖面如圖2所示。隧址區地表水發育，以地表河流、溝槽水、水庫水為主，水量變化較大。且受季節影響顯著。隧道穿越區地下水分布受構造、巖性控制，水文地質邊界條件較為復雜，隧道在斷層破碎帶多為地下水富集區，易發生突水、突泥。

圖1 淺埋段平面布置

圖2 淺埋段縱剖面布置(單位:cm)

2 三維數值模擬

2.1 計算工況及模型

為了對比設置不同拱部加固措施與否對施工沉降及應力場的影響，本文選取無拱部結構、拱蓋+側梁加固、拱蓋加固三類工況進行施工開挖仿真分析。其中，為了對比設置不同超前支護措施對施工沉降及應力場的影響，選取長、短管棚兩類工況進行施工開挖仿真分析。本文工況選取如表1所示。

表1 計算工況

計算模型示意圖如圖3所示。

拱部加固措施如圖4所示，支護措施如圖5所示。

2.2 模型參數

參考隧道施工區域地質剖面圖，在河道區段地層為<68-1>中粗?；◢弾r(J3GZ)：灰白色、肉紅色，中粗粒結構，塊狀構造，主要成分為石英、長石、黑云母。巖體差異風化嚴重，局部全風化層較厚，弱風化花崗巖巖質堅硬，錘擊不易碎。

全風化層(W4)呈土狀，厚2～40 m，屬Ⅲ級硬土，C組填料；強風化層(W3)呈角礫狀，厚2～30 m，屬Ⅳ級軟石，B組填料。據此建立模型，分配材料參數(表2)。

圖3 計算模型示意(單位：m)

圖4 拱部加固措施示意

圖5 超前支護、鎖腳錨桿示意

2.3 模擬方法及測點

在隧道開挖模擬分析中，結合施工的具體工況，采用上下臺階法施工，上下臺階的縱向間距10 m。僅設置超前管棚和鎖腳錨桿。在開挖0～10 m區段，設置外徑108 mm管棚，在開挖15～35 m河道區段，設置外徑159 mm管棚25 m。在設計中，二襯落后初支40 m，且開挖模擬過程也僅為48 m，因此，僅設置初支，不考慮二襯設置。開挖初始位置在y=0 m處，首先，設置管棚10 m，然后每步開挖進尺為1.0 m，再設置初支；開挖設置下一步初支時，設置上一步的鎖腳錨桿；上臺階開挖10 m時，開始下臺階開挖，同樣按1 m開挖步進；開挖至河道區段(15～35 m)時，設置25 m長管棚，開挖進尺與前期一致。隧道斷面測點布置如圖6所示。

表2 材料參數

圖6 隧道斷面測點布置

2.4 計算結果與分析

2.4.1 施工沉降云圖

當上臺階開挖至48 m時，不同工況下模型施工沉降云圖如圖7所示?？傮w而言，由于河道兩側的隧道埋深較大，河道區段的埋深較淺，因此，河道區域的沉降量相對較小。

圖7 不同工況施工沉降云圖

2.4.2 管棚及鎖腳錨桿軸力云圖

當上臺階開挖至48 m時，不同工況下管棚及鎖腳錨桿軸力云圖如圖8所示。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計算結果對比顯示，設置拱部加固措施對充分發揮超前支護作用、保障施工安全更為有效。

對有無蓋加固措施情況下的管棚受力、變形情況顯示：在長管棚與短管棚的搭接點區段(距開挖起始點10～15 m)內，無拱部加固措施時，短管棚呈現較大的變形扭曲。這主要由于無拱部加固措施時，短管棚超前支護處于較為軟弱的河道地層中，與圍巖并無較強的固結著力點，于是在施工中的上覆地層壓力作用下易出現較大變形，發生扭曲，危及施工安全。

設置拱部加固措施后，短管棚并未出現變形扭曲現象。此時短管棚末端處于拱部加固措施內，與圍巖有較強的固結著力點，因此在施工中抵抗外力作用的能力明顯提高，因此管棚并未出現較大變形及扭曲。

圖8 不同工況管棚及鎖腳錨桿軸力云圖

2.4.3 隧道洞周變形

2.4.3.1 拱頂沉降

上臺階開挖至48 m時，在不同工況下，拱頂監測點最終變形量如圖9所示。在長管棚與短管棚的搭接區段(距開挖起始點10～15 m)，拱頂沉降總是會產生波動。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計算結果對比顯示，設置拱部加固措施對于隧道拱頂沉降影響較小。僅可以使隧道施工的拱頂沉降減小3～5 mm。采取拱蓋+側梁的拱部加固措施隧道拱頂沉降無明顯影響。

圖9 不同工況下拱頂監測點最終沉降量

拱頂沉降在距開挖起始點10～15 m產生波動的原因：

(1)在無拱部加固措施時，該區段處于短管棚與長管棚的搭接區段。短管棚與河道地層的固結力較弱，而長管棚在初始安裝時，臨近安裝點的支撐力也較弱，該處隧道拱頂沉降增大，產生波動。

(2)采用拱蓋加固措施時，如河道區段為短管棚超前支護，則拱頂沉降曲線較為平緩；如河道區段為長管棚超前支護，由于存在長、短管棚搭接段，隧道拱頂沉降存在波動。且設置拱部加固措施后，在該區段一方面短管棚末端處于拱部加固措施內，具有較強的固結著力點，同時相較于跨河道其他區段，該區域具有長管棚與短管棚兩種超前支護措施，支護措施相對較強，因此在該區段隧道拱頂沉降總小于其他區段。

2.4.3.2 拱腰水平收斂

上臺階開挖至48 m時，在不同工況下，拱腰監測點最終水平收斂變形量如圖10所示。在計算分析中，拱腰測點的水平收斂變形主要是向隧道內方向，且隨著開挖工作面的推進，變形量逐漸減小。出現該變形趨勢主要與施工模擬過程為從隧道埋深較大處向隧道埋深較小處(河道區段)施工有關。

不同加固措施的拱腰測點水平收斂顯示，拱部加固地越強則向隧道內方向的水平收斂變形量越大，這主要由于設置拱部加固且初期支護施作過后，施工開挖所釋放的原巖應力大部分向隧道兩側圍巖擠壓，所以出現向隧道內方向的水平收斂變形。

圖10 不同工況下拱腰監測點水平收斂

2.4.4 地表最終沉降

上臺階開挖至48 m時，地表監測點在不同工況下的最終沉降量如圖11所示。無拱部加固措施與采用拱部加固措施的計算結果對比顯示，河道區段在隧道設置拱部加固措施，對于地表沉降影響明顯，可以使隧道施工引起的河道區段地表沉降降低5～8 mm。

圖11 不同工況下地表測點最終沉降量

河道區段在隧道設置拱部加固措施時，地表沉降在加固范圍內呈現為彎月形，即在加固措施中部，地表沉降量最小；地表測點越靠近加固措施邊界，其沉降量越大。拱部加固增加側梁可以使地表沉降減小1～2mm。

3 結論

本文基于Flac3D軟件，依托戴云山一號隧道工程，對隧道在不同拱部加固及超前支護措施下淺埋下穿河道的施工過程進行研究與分析，主要結論如下：

(1)河道區段采用拱部加固措施非常必要，如不采用拱部加固措施，因短管棚末端未達到河道軟弱圍巖區段，圍巖不能提供有效的固結力，管棚將會扭曲，危及施工安全。在河道區段設置拱部加固措施對充分發揮超前支護作用、保障施工安全十分重要。

(2)河道區段采用拱部加固措施，對于地表沉降影響明顯，對于隧道拱頂沉降影響較小。且地表沉降在加固范圍內呈現為彎月形，即在加固措施中部，沉降量最小；越靠近加固措施邊界，地表沉降量越大。比較兩種拱部加固措施顯示，拱部加固增加側梁可以使地表沉降減小1～2 mm，對隧道拱頂沉降無明顯影響。

(3)采用拱蓋加固措施時，如河道區段為短管棚超前支護，則拱頂沉降曲線較為平緩；如河道區段為長管棚超前支護，由于存在長、短管棚搭接段，在距開挖起始點10～15 m處，會產生施工沉降的波動，應加強施工觀察，采取必要的預防措施。

(4)隧道洞周水平收斂變形主要向隧道內方向，且隨著開挖工作面的推進，變形量逐漸減小。拱部加固越強則隧道洞周水平收斂變形量越大，這主要由于采取拱部加固措施，在設置初支后，隧道施工開挖所釋放的原巖應力大部分向隧道兩側圍巖擠壓，所以出現向隧道內方向的水平收斂變形。施工過程中應重點關注。