贾润枝
中铁北京工程局集团第一工程有限公司 西安 710100
摘 要：蒙华铁路石岩岭重载铁路隧道出口段的燕尾段隧道洞口处为三线超大断面隧道，其埋深较浅且地形偏压，围岩稳定性较差、存在大变形等施工风险。基于上述特点，本文针对浅埋偏压超大断面三线隧道段提出三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑辅助长大管棚超前支护的综合施工技术，并对施工影响进行了模拟分析。结果显示：浅埋偏压超大断面三线隧道采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法可有效地控制隧道变形、保障施工安全，模拟计算结果与现场测试基本吻合，可为类似大断面隧道施工提供一定参考。
关键词：多线超大断面隧道；浅埋；偏压；三台阶临时仰拱法；数值模拟
中图分类号 U25 文献标识码 A DOI：
Construction and excavation influence analysis of multi-line super-large
cross-section tunnel
JIA Runzhi1
（1. China Railway Beijing Bureau Group First Engineering Co., Ltd.， Xian 710100， China）
Abstract: The exit of the Yanwei section which is at the Shiyanling railway tunnel exit of the Menghua Railway is a three-line super-large cross-section tunnel with shallow buried, poor lithology of the surrounding rock. Based on those characteristics, this paper proposes a comprehensive construction technology of three-step temporary inverted arch (reserved core soil on the upper step) and vertical support to assist the advance support of long and large pipe sheds for the three-line tunnel section，also simulation analysis is carried out. The results show that the three-line tunnel with super-large cross-section adopting a three-step temporary arch (reserving core soil on the upper step) and vertical support method can effectively control the tunnel deformation and ensure construction safety. The simulation calculation results are basically consistent with the field test, which can provide a certain reference for the construction of similar large-section tunnels.
Key words: Multi-line super-large cross-section tunnel; shallow buried; bias pressure; three-step temporary arching method; numerical simulation
1 引言
[]新时期随着铁路建设规模的不断扩大，为满足重大工程项目线路平顺性、设计时速要求，往往需要修建大量的长大隧道。多线超大断面隧道施工不可避免地会对地层产生扰动，引起地面产生不同程度的沉降，加之浅埋偏压等影响，隧道施工存在地表开裂、洞内塌方大变形等施工风险，易引发安全事故和造成较大经济损失。
针对该问题，龚彦峰等[1]总结了国内外超大断面隧道修建技术现状，对隧道施工过程中力学行为进行了分析，制定了支护参数和施工方法。贾枝喜等[2]以石太铁路客运专线李虎坪隧道为例，研究了客运专线双线大断面黄土隧道控制测量、开挖支护、监控量测等施工技术。此外，较多学者[3~8]采用数值分析方法研究了隧道施工技术以供施工方案制定提供参考。
本文基于蒙华铁路石岩岭重载铁路隧道出口燕尾段的环境和地质条件，提出浅埋偏压超大断面三线隧道段采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法施工，辅助采用长大管棚超前支护；并采用弹塑性有限单元法对施工过程进行了模拟分析，以期为施工提供一定方案依据。
2 工程概况
石岩岭隧道位于江西省宜丰县车上乡境内，全长1644.92m，其中DK1701+004 ~ +723.95段（长719.95m）设计为燕尾段隧道。其中DK1701+590 ~ +723.95为偏压浅埋三线大跨隧道，长133.95m。最大开挖断面宽19.54m，高14.24m，断面216.43m2。经现场测量，出口段洞口与原地面等高线斜交，横向陡坡较陡造成隧道左侧偏压，并且洞顶覆土层仅埋设1.0m（如图1所示）。
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图1 DK1825+312~357明洞段平面示意图
Fig. 1 plan of dk1825 + 312 ~ 357 open cut tunnel section
隧道区属于剥蚀低山地貌，地形起伏较大，自然坡度多在10-50°之间，局部陡峻，植被发育，多为高大茂密乔木，杉树和毛竹，谷地多辟为农田，村庄。地表为第四系残坡积层（Qe1d1）粉质粘土，下伏基岩为雪峰期晚期第一次斜长闪长岩。
3 关键施工技术
现场盖挖段施工顺序如下：排截水处理及截水天沟施工→盖挖段护拱开挖防护→基础注浆处理施工→护拱施工→暗洞施工→回填作业。下面对几个关键施工措施作重点介绍。
3.1 进洞方案
石岩岭隧道 DK1701+723.95 ~ 713.95为明洞段，按浅埋偏压明洞施工，采用明挖法施工，DK1701+713.95 ~ 650 段位浅埋偏压暗洞段，施作Φ108mm大管棚超前注浆支护，原设计暗洞采用CRD施工，为加快施工进度经各方论证，将原设计CRD法优化为三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法（如图2所示）。
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图2 三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法横断面
Fig. 2 cross section diagram of three step temporary inverted arch (reserved core soil on upper step) + vertical support method
3.2 洞口长大管棚施工
DK1701+713.95~650 拱部及地表覆盖强风化花岗岩及粉质粘土，自稳能力差，为防止开挖过程中围岩松动，设计采用长大管棚超前预支护。长大管棚施工首先测量放线定位导向墙，导向墙采用C25混凝土（截面1.0 m×1.0m）。导向墙施工前要先施作管棚作业平台上的型钢钢架，安装Φ140mm孔口管，关内外模板及堵头板并对支撑予以加固后灌注混凝土。长大管棚注浆不仅能加固孔壁周围一定范围内的围岩，而且使长管棚支护刚度大大提高，对防止围岩松弛、坍塌和下沉等有显著效果。长大管棚进洞施工及成型示意如图3、图4所示。
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3.3 超前小导管支护施工
DK1701+280 ~ +400、DK1701+570 ~+650 段埋深较浅，有断层、围岩破碎，超前支护采用Φ50mm长5m超前小导管注浆加固。DK1701+650～713.95段埋深较浅，线路左侧埋深较大，存在偏压现象，隧道超前支护采用Φ108mm长管棚和Φ42mm超前小导管进行支护，如图5所示。
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3.4 开挖施工方案优化
石岩岭隧道燕尾段 DK1701+713.95 ~ 650段原设计为V级围岩，衬砌类型为Vkc复合式衬砌，超前支护为Φ108mm超前大管棚预支护，初期支护为 HW200型钢支撑，间距60cm；Φ8mm钢筋网片，网格尺寸20*20cm，Φ50mm锁脚锚5.0m长；C25喷射混凝土30cm厚。
为进一步降低施工、运营风险，施工过程中经多方面调研论证实时对支护措施进行调整，石岩岭隧道燕尾段施工大致分为五个施工周期：
（1）第一周期施工（DK1701+713.95 ~ 711.85，三台阶临时仰拱法）：洞门段开挖方法由CRD变更为三台阶临时仰拱法，HW200型钢钢架调整为H=230mm格栅钢架间距0.6m/榀。
DK1701+713.95~711.85段浅埋偏压，全环设置H=230mm格栅钢架间距0.5m，上、中台阶开挖及时封闭掌子面，施作初支拱架、临时仰拱。
当掌子面开挖至DK1701+711.85时，连续两天监控量测数据显示，拱顶下沉速率较大，围岩下沉严重。工区决定立即封闭掌子面，上报监控测量结果至指挥部；随即参建各方现场踏勘后商议决定，加强掌子面预留核心土，放慢施工速度，严格控制进尺。
（2）第二周期施工（DK1701+711.85~708.75，三台阶临时仰拱（预留核心土）法）：开挖方法由三台阶临时仰拱法调整为三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）法（如图6所示），H=230mm格栅拱架主筋由HRB400Φ22调整为HRB400Φ25，箍筋间距由1.0m调整为0.5m，拱架间距由0.6m调整为0.5m，锁脚锚管由原先6组调整为10组（上、中台阶各增加 2组)，监控量测断面间距由5m调整为3m，拱部沉降观测点由1个调整为3个。
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图6三台阶临时仰拱法（上台阶预留核心土）法施作
Fig. 6 construction of three step temporary inverted arch method (core soil reserved for upper step)
在初支加强后，控制循环进尺，进尺一次一榀，拱顶下沉速率减缓，施工至12月20日，监控量测拱顶累计下沉值接近黄色预警，拱顶下沉速率每日在 3~5mm/天，存在较大安全风险。
（3）第三周期施工（DK1701+708.75 ~ 650，三台阶临时仰拱（预留核心土）+竖向支撑法）（如图7所示）：专家讨论会议决定开挖方法调整为三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法，拱架间距由0.5m调整为0.4m，锁脚锚管由原先10组调整为18组（上、中、下台阶各6组），上、中台阶增加Φ245mm无缝钢管竖向支撑。
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图7三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑施作
Fig. 7 construction of three step temporary inverted arch (core soil reserved for upper step) + vertical support construction
次年1月20日，DK1701+711拱顶第一次累计黄色预警，洞口边仰坡出现小范围的裂缝，现场踏勘后对右侧边仰坡增加土钉墙，导向墙下增加钢管桩，中、上台阶增加玻纤锚杆，及时落底，初支成环，保证初支稳定。2月26日~3月17日隧底初支成环，拱顶下沉速率较大，成环以后拱顶下沉趋于平缓。
（4）第四周期施工（DK1701+650 ~610，三台阶临时仰拱法）：DK1701+650~610已经渡过洞口偏压段，洞身埋深超过20m，围岩为弱风化花岗岩，裂隙发育，原设计围岩等级IV级，衬砌类型 IVkc衬砌，开挖方法为CRD，根据前段施工经验，经研讨论证在保证安全前提下，围岩等级由IV级调整为V级，衬砌类型由IVkc衬砌调整为Vkc衬砌，开挖方法为由CRD调整为三台阶临时仰拱法。
（5）第五周期施工（DK1701+610 ~570，三台阶法）：DK1701+610~570 已经度过洞口偏压段，洞身埋深也超过30m，围岩为弱风化花岗岩，裂隙发育，原设计围岩等级IV级，衬砌类型IVkc衬砌，开挖方法为 CRD，根据前段施工经验，经研讨论证，在保证安全前提下，开挖方法为由CRD调整为三台阶法，其余维持原设计。
4 施工过程模拟与分析
4.1 单元选取与分析模型建立
数值模拟采用MIDAS GTS NX 软件，假定隧道围岩为连续介质，采用各向同性弹塑性实体单元进行模拟。初期支护采用壳体单元进行模拟，二次衬砌采用弹性实体进行模拟，单元锚杆则采用植入式梁单元进行模拟。计算中未单独考虑钢筋网和钢支架的作用。
为减小有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均大于3倍的洞跨。具体计算时，计算域在水平方向宽度取160m，隧道向上洞口地段取至地表，建立浅埋偏压地形，在深度方向上取 DK1701+710~ +650段，隧道纵深共60m。模型左面、右面和底面均为固支约束，顶面为自由面。隧道采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑法开挖。计算模型网格如图8所示。
4.2 计算参数选取与结果分析
计算时围岩物理力学参数取值如表1 所示。
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根据模型数值计算的结果，对三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法施工石岩岭隧道多线超大断面隧道开挖引起的围岩和地表竖向变形与应力进行分析，如图9、图10所示；得到在开挖过程中纵向不同断面位置拱顶下沉量、隧底隆起量，结果如图11所示。
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由图表分析可知：多线超大断面隧道下穿段采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法通过时，拱顶最大沉降量为12.8mm，隧底最大隆起量为12.7mm，该最大变形与V级围岩隧道最大变形阀值较接近。此外，根据计算结果整理得到：采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法，衬砌上最大弯矩 613kN/m，最大弯矩在拱脚处，而衬砌拱脚设计最大弯矩为1200kN/m，支护结构仍有一定安全富余。
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5 结论
针对蒙华铁路石岩岭多线超大断面隧道的环境特点和地质条件，提出了采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法，辅助采用长大管棚+超前小导管支护，主要结论如下：
（1）模拟显示多线超大断面隧道偏压浅埋段用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法施工时，隧道拱顶最大沉降量为12.8mm，隧底最大隆起量为12.7mm，该最大变形值与V 级围岩隧道最大变形阀值比较接近。且衬砌最大弯矩613kN/m 与最大设计弯矩1200kN/m 相比，仍有一定的安全富余。
（2）现场测试显示理论计算值与现场测试值基本吻合。蒙华铁路石岩岭多线超大断面隧道在通过洞口偏压浅埋段时，采用三台阶临时仰拱（上台阶预留核心土）+竖向支撑开挖法，并辅助采用地表注浆、掌子面注浆、土钉墙、钢管桩加固等综合施工工法进行超前支护和加固，同时采取信息化监控量测措施和风险防范措施，可有效地控制隧道受力和变形，确保多线超大断面隧道通过洞口偏压浅埋段施工安全。
参考文献
[1]龚彦峰，张俊儒，徐向东，唐曌.全风化花岗岩富水地层超大断面 隧道设计技术[J].铁道工程学报，2015，32(10):79-85+92.
Gong Yanfeng, Zhang Junru, Xu Xiangdong, Tang Xi. Design technology of super large section tunnel in fully weathered granite water rich stratum [J]. Journal of railway engineering, 2015, 32 (10): 79-85 + 92.
[2]贾枝喜. 石太铁路客运专线李虎坪隧道CRD法施工技术[A]. 铁道部工程管理中心、中国铁道学会铁道工程分会、中国中铁股份有限公司、中国铁道建筑总公司.客运专线工程技术学术研讨会论文集（上）[C]: 2008:5.
Jia Zhixi. CRD construction technology of Lihuping tunnel on Shijiazhuang Taiyuan Passenger Dedicated Line [a]. Engineering management center of Ministry of railways, railway engineering branch of China Railway Association, China Railway Construction Corporation. Proceedings of Symposium on Passenger Dedicated Line Engineering Technology (Part I) [C]: 2008:5.
[3]丁春林，王春河. 双线隧道暗挖施工技术及其数值模拟分析[J]. 地下空间，2002，04:285-289，305-370.
Ding Chunlin,Wang Chunhe.Construction technology and numerical simulation analysis of double track tunnel excavation [J]. Underground space, 2002, 04:285-289305-370.
[4]刘长祥，吕常新.三车道大断面高速公路隧道稳定性数值模拟[J]. 地下空间与工程学报， 2007， 04: 688-693.
Liu Changxiang, LV Changxin. Numerical simulation of stability of three lane large section expressway tunnel [J]. Journal of underground space and engineering, 2007, 04: 688-693.
[5]唐伟才.小净距大跨隧道浅埋偏压段施工力学行为及施工技术研究[D].广东工业大学，2012.
Tang Weicai. Study on construction mechanical behavior and construction technology of shallow buried unsymmetrical pressure section of small clear distance and large span tunnel [D]. Guangdong University of technology, 2012.
[6]钱文斐.浅埋、偏压条件下某超大跨隧道受力分析研究[J].城市道桥与防洪，2015，(10):175-178+23.
Qian Wenfei. Stress analysis of a super large span tunnel under shallow buried and unsymmetrical pressure [J]. Urban road and bridge and flood control, 2015, (10): 175-178 + 23.
[7]江磊，侯哲生，吴海卫.大跨浅埋偏压隧道围压实测及结构受力分析[J].水利与建筑工程学报，2015，13(02):62-67.
Jiang Lei, Hou Zhesheng, Wu Haiwei. Confining pressure measurement and structural stress analysis of large span shallow buried unsymmetrical pressure tunnel [J]. Journal of water conservancy and construction engineering, 2015, 13 (02): 62-67.
[8]周少波，王伟进，舒志乐，王磊，姚磊.浅埋偏压隧道施工过程数值模拟研究[J].四川建材，2016，42(05):122-123+127.
Zhou Shaobo, Wang Weijin, Shu Zhile, Wang Lei, Yao Lei. Numerical simulation study on construction process of shallow buried bias tunnel [J]. Sichuan building materials, 2016, 42 (05): 122-123 + 127.
作者简介：贾润枝（1983—），男，内蒙古乌兰察布市人，工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理与技术研究工作.