大斷面淺埋高速鐵路隧道施工關鍵技術研究

李澤鈿

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

高速鐵路速度快、運載能力強、安全可靠，是基礎交通設施網的關鍵組成，建設規模日益擴大。隧道工程是鐵路沿線關鍵的構造物，必須嚴格控制建設質量。相對于一般鐵路隧道而言，大斷面淺埋隧道變形機理復雜，施工難度大，如果施工措施選擇不當，容易導致隧道坍塌，帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。如何選擇經濟合理的施工措施，是技術人員需要解決的重要問題[1]。因此，進一步探討大斷面淺埋高速鐵路隧道施工要點具有重要的工程意義。

2 大斷面淺埋隧道判定

2.1 淺埋隧道判定

由TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》可知，當地表水平或接近水平，且隧道結構覆蓋層的厚度滿足式（1）時，可認為隧道屬于淺埋隧道[2]。

式中，H為鐵路隧道覆蓋層厚度（從拱頂算起），m；ha為計算高度，m。

淺埋高速鐵路隧道所承受地圍巖壓力具有明顯對稱性（見圖1），其垂直方向壓力q、水平方向壓力e計算公式分別為：

圖1 施工方法對道圍巖變形的影響

式中，γ 為隧道圍巖容重，kN/m3；h為隧頂到地面的垂直高度，m；θ 為摩擦角，（°）；B為隧洞寬度，m；hi為內外側任意點至地面垂直高度，m；λ 為巖土體側壓力系數。

2.2 大斷面隧道

當前，針對大斷面高速鐵路隧道并無統一的定義。日本是利用“開挖斷面面積”將隧道工程劃分成標準斷面、大斷面、超大斷面，對應的隧道開挖斷面面積分別為70～80 m2、100～120 m2、＞140 m2。而國際隧道協會（ITA）是將隧道工程按“凈空斷面面積”進行劃分，劃分成極小斷面、小斷面、中等斷面、大斷面、特大斷面，對應的凈空斷面面積分別為2～3 m2、3～10 m2、10～50 m2、50～100 m2、＞100 m2。本文建立高速鐵路大斷面隧道判定時參考ITA 標準[3]。

3 大斷面淺埋隧道施工要點分析

3.1 工程概況

本文以某丘陵緩坡地帶的鐵路隧道為研究對象，探討大斷面淺埋高速鐵路隧道施工要點。該高速鐵路隧道為單洞雙線隧道，起訖樁號為DK59+042～DK65+090，長6 048 m，屬于長隧道。隧道下穿某高速公路，開挖斷面約150 m2。根據施工圖地質勘察報告，該大斷面淺埋高速鐵路隧道圍巖從上至下均為泥巖，局部夾雜有泥質砂巖，圍巖等級屬于Ⅴ級。同時，隧道所在區域為溫帶大陸性季風氣候，年降雨量較大，年平均降雨量約969～1 022 mm，且大部分雨水集中在6～9 月份，地震峰值加速度為0.10g，在隧道施工過程中不必考慮地震力的影響。

3.2 施工方法比選

高速鐵路隧道主要施工方案有臺階法、 留核心土法、CD法、雙側壁法等。為了確定合理的大斷面淺埋隧道施工方法，使用有限元軟件MIDAS 建立計算模型，分析了不同施工方法下的圍巖最大變形。

建立有限元模型時，將隧道圍巖和各種支護結構視為均質、連續、各向同性的彈塑性材料，且不考慮隧道施工間歇時間。計算模型長寬高取100 m×100 m×25 m，其中，隧道周邊圍巖、噴射混凝土、各種錨桿分別用solid 單元、板單元、cable 單元模擬。隧道計算模型選用正六面體單元進行網格劃分，最終劃分出10 236 個單元、11 388 個節點。

臺階法（兩臺階施工）、留核心土法、CD 法、雙側壁法施工大斷面淺埋隧道后，圍巖變形計算結果如圖1 所示。

圖1計算結果表明： 不同施工方案下大斷面淺埋高速鐵路隧道的圍巖變形大小關系為：CD 法＞臺階法＞環形開挖留核心土法＞雙側壁法。在大斷面淺埋隧道施工時，要慎重選用CD 法。同時，雙側壁法施工隧道后圍巖變形最小，僅1.2 mm，故大斷面淺埋隧道施工用雙側壁法效果更佳。

3.3 進洞技術及超前支護

3.3.1 隧道進洞

大斷面淺埋高速鐵路隧道進洞難度大，出現掌子面坍塌的可能性較大。隧道進洞施工方案建議使用“明洞暗進”，首先，以導向套拱的方式在坡頂施工，以減少施工對周圍地質的影響。隨后，施工人員將鋼管導進洞內，并將漿液沿著鋼管注入隧道洞口周邊的圍巖，提高圍巖的強度和整體穩定性；最后，長明洞和洞門同時施工，提高大斷面淺埋隧道進洞安全性。

3.3.2 超前支護

大斷面淺埋隧道常用的支護方式有超前管棚和超前小導管，其中，管棚主要用于淺埋洞口堆積體、斷層破碎帶地層等，施工時需布置相應的管棚工作間。而超前小導管在施工時要有支撐設備，一般使用風鉆鉆孔，用鉆機將導管頂進，以注漿泵注漿。注漿時，注漿壓力盡量控制在0.5～1.0 MPa，可根據現場施工結果動態調整注漿壓力和漿液配合比[4-5]。

3.4 塌方處治

由上可知，隧道所在區域降雨量大，為了保證隧道在施工期間的安全性，利用MIDAS 軟件計算了隧道在降雨前后的拱頂沉降，并沿著隧道中心線及兩側間距0.5 m 布置沉降監測點，計算結果如圖2 所示。

圖2 隧道降雨前后沉降

圖2計算結果表明： 鐵路隧道拱頂中心線處的沉降變形最大，且距隧道中心線越遠，沉降越小。降雨前、降雨后隧道沉降最大值分別是2.2 cm、4.1 cm，沉降增大了90.5%，此時隧道有塌方可能性。主要原因在于[6]：（1）隧道圍巖裂隙較發育，自穩能力差；（2）在連續降雨條件下，圍巖被軟化，各項強度指標大幅下降。兩個原因相互疊加，最終導致隧道塌方。

技術人員在制訂隧道塌方處治方案時應堅持以下原則：（1）隧道要快速封閉處理，嚴禁人員隨意出入，及時穩固既有坍塌面；（2）塌方處治期間安全可靠，做到萬無一失；（3）避免塌方路段繼續擴展，阻礙后期施工；（4）保證隧道塌方施工質量，不留下安全隱患。

綜合考慮施工難度、工程造價等因素，建議大斷面淺埋隧道塌方采用“地表注漿法”處理，施工步驟為：頂部坍塌空洞處理→坍塌段徑向注漿→坍塌段開挖→坍塌段支護。需注意，注漿時要加強觀察塌方附近掌子面圍巖，確保注漿安全性。

4 大斷面淺埋隧道施工參數確定

4.1 開挖高度確定

由上可知，該大斷面淺埋隧道施工選用雙側壁法。為了便于討論，定義了“開挖高度比m”，即上部開挖高度與下部開挖高度的比值。在其他計算參數不變的條件下，利用MIDAS 軟件計算了m=0.7∶0.3、m=0.6∶0.4、m=0.5∶0.5 時隧道拱頂的沉降，計算結果如圖3 所示。

圖3 不同開挖高度比下隧道沉降

由圖3 可知：大斷面淺埋隧道的上部開挖高度越大，隧道拱頂中心沉降也越大。當開挖高度比從0.7∶0.3 減小至0.5∶0.5時，隧道工程沉降分別降低了1.3 cm、0.8 cm。因此，大斷面淺埋隧道施工時要注意上部開挖高度不宜過大，以免突然開挖造成垮塌。

4.2 開挖面距離確定

在雙側壁法中，隧道各部開挖面的距離也會影響隧道施工安全。開挖距離太近，周邊土體干擾大；開挖距離太遠，對隧道施工組織會產生不良影響。利用MIDAS 軟件模擬各開挖面距離d為0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 時隧道仰拱塑性區的變化規律：d=0.8 m 時，仰拱底部塑性區基本完全貫通；d=1.6 m，隧道仰拱中部的塑性區貫通，左、右兩側塑性區分散；d=2.4 m 和d=3.2 m 時，仰拱底部塑性區分離，隧道施工時各分部之間的擾動越來越小。

5 結論

本文研究了大斷面淺埋隧道的施工特點、 施工技術要點及施工參數的確定方法，主要得到了以下幾個方面的結論：

1）大斷面淺埋隧道在施工期間易塌方，對支護要求更嚴格，底部易出現應力集中現象；

2）大斷面淺埋高速鐵路隧道施工方案包括臺階法、留核心土法、CD 法、雙側壁法等，其中雙側壁法施工式圍巖沉降最小；

3）建議大斷面淺埋隧道進洞采用“明洞暗進”，并及時處理隧道塌方；

4）大斷面淺埋隧道施工時要注意上部開挖高度不宜過大，合理選擇各部開挖面的距離。