上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路施工方法研究＊

刘松涛，张国安，杨秀竹，石钰锋，雷金山

(1.中交第四公路工程有限公司，北京 100025;2.南宁铁路局湘桂铁路指挥部，广西 柳州 500016;3.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路施工方法研究＊

刘松涛1，张国安2，杨秀竹3，石钰锋3，雷金山3

(1.中交第四公路工程有限公司，北京 100025;2.南宁铁路局湘桂铁路指挥部，广西 柳州 500016;3.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

石头岗隧道下穿衡昆高速公路，洞身上部为膨胀土，下部为灰岩，呈上软下硬特点，不仅施工风险大，且施工困难。为此采用数值分析手段对上软下硬地层隧道下穿高速公路施工方法进行研究。研究结果表明:上软下硬地层隧道采用上部中隔墙法施工，在降低施工风险、保证施工安全的同时，能加快施工进度，可供类似工程借鉴。

上软下硬;下穿高速公路;数值分析;施工方法

隧道下穿高速公路是隧道建设中的技术难点之一，因施工不当引起的高速公路大变形甚至坍塌，将会导致巨大的经济损失和不良社会影响。鉴于上覆高速公路运营及安全需要，对下穿高速公路隧道的预支护措施及开挖方法多有研究。阳军生等［1，2］等对某下穿公路隧道采用双层管棚预加固效果及机理进行了深入研究;赵纪平等对下穿高速常采用的双侧壁法、CRD法、CD法、中导洞法等施工方法进行了比选论证及相关技术总结［3－6］。也有上软下硬等复合地层隧道施工方法和技术的研究［7］，但针对上软下硬地层隧道下穿高速公路施工方法的研究则未见报道。

本文以湘桂铁路石头岗隧道为依托，采用数值模拟手段对可能选用的几种开挖方法进行对比研究，并结合实际施工结果，可知上部中隔墙法是上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路的最优施工方案，类似工程中可推广应用。

1 工程概况

石头岗隧道起讫里程为DK214+920～DK215+200，全长 280 m。该隧道于 DK214+975～DK215+060段下穿衡昆高速公路，穿越段共85 m。下穿段拱顶埋深约6～8 m，隧道中线与高速公路中心线夹角为41°，隧道与公路位置关系见图1所示。隧道地层上层为膨胀土，下层为灰岩，呈上软下硬特点，如图2所示。线路等级为Ⅰ级、双线，全隧均为Ⅴ级围岩［8］。

图1 隧道与高速公路空间位置图Fig.1 Space location of tunnel and expressway

图2 下穿高速段地质纵断面图Fig.2 Geological profile of the section where tunnel crosses under expressway

路隧相交处公路里程K198+200，该段采用四车道高速公路标准，设计行车速度100 km/h，路基宽度26 m，路面宽度11.25 m×2，采用混凝土路面，抗裂性较沥青路面差。要保证高速公路的正常运营使用，势必对路面沉降控制提出较高要求，为此该段设计从以下几个方面加以考虑。首先考虑超前预加固，采用跟管钻进Φ159大管棚及内插Φ60中管棚超前支护，采用完整的85 m的长管棚穿过整个高速公路，管棚示意图如图3所示;其次上部软岩区初支采用Ⅴ级B型加强复合式衬砌，双层型钢钢架加强支护(外层拱部Ⅰ25钢架，内层全环Ⅰ20钢架)及系统锚杆支护，如图4所示;最后开挖方法上采用弧形导坑预留核心土法进行开挖，根据工程类比法可知，该方法基本能保证隧道稳定及公路变形要求，但实际施工中，因工作面较多，作业面狭小，无法进行大型机械作业，严重影响施工进度。为此需在保证隧道施工安全及公路正常运营的前提下，寻找一个能加快施工速度，节约成本的开挖方法。

2 施工方法比选

针对上述问题，拟采用数值分析手段对该隧道施工方法进行研究。

2.1 计算工况

根据面临的问题，制定如下的计算工况:在下穿衡昆高速段选取DK215+030为计算断面，考虑交通荷载，对弧形导坑预留核心土法、上部中隔墙法、三台阶法进行模拟对比分析，3种方法开挖示意图见表1所示。

2.2 模型建立

根据所选取的断面，采用FLAC2D［9］数值软件进行平面分析，为消除边界影响，从隧道中心线向两侧各取55 m，模型沿X方向共取110 m，Y方向由路面向下取60 m。土体采用实体单元模拟，平面模拟中管棚加固效果折算成围岩参数提高，其中提高参数根据刚度折算及经验综合选取，初支及二衬都采用衬砌单元模拟，计算网格及约束边界如图5所示。

图3 大管棚导管构造示意图及现场施作Fig.3 Pipe constructional detail of pipeshed and construction at the site

图4 隧道断面衬砌及开挖流程设计图Fig.4 Tunnel lining profile and excavation process design

图5 计算网格及边界约束图Fig.5 Calculation mesh and boundary constraint

计算中开挖模拟步骤如表1中所列开挖步骤进行。

表1 计算工况表Table 1 Calculation conditions

2.3 材料参数及车辆荷载确定

模拟中岩土体物理力学材料参数以地质钻孔勘察报告［8］为依据，管棚加固区按照类比取值，参数具体选取见表2。

模拟中，型钢拱架通过等效法考虑，根据抗压刚度相等的原则，将钢架的弹性模量折算给混凝土。

静力模拟情况下，将车辆荷载简化为静力均布荷载作用在路面上，高速公路汽车活载按公路Ⅰ级考虑［10］，车道荷载的均布荷载标准值qk=10.5 kN/m。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 各工况隧道变形与受力分析

图6为上述3种工况下隧道开挖引起的围岩最终位移等值线图，图中可知台阶法引起的围岩的变形较大，最大沉降达5.1 cm，难以满足公路变形要求，故不能采用三台阶法开挖。在大管棚预加固基础上，原设计的弧形导坑法施工引起最大沉降22.5 mm，而上部中隔墙法引起的最大沉降值较之稍大，最大值达23.7 mm，增大约1%，可认为2种开挖方法对围岩影响扰动相当。

图7为3种工况下隧道初支的弯矩图，3种工况隧道初支弯矩规律不相同，弯矩最大值分别为55.69，66.24 和 41.46 kN·m。台阶法施工隧道衬砌弯矩最小，工况二引起的弯矩较工况一大，但3种开挖方法引起的初支内力均远小于初期支护极限抗弯强度 1 560 kN·m［11］。

表2 各地层及支护主要物理参数Table 2 Main physical parameters of different layers and support

图6 围岩沉降等值线图Fig.6 Settlement isoline of surrounding rock

图7 各工况弯矩图Fig.7 Bending moment of different excavation method

综上分析可知，围岩变形控制是浅埋下穿高速公路的关键，为此对3种工况下各开挖步引起围岩变形进行详细分析，见图8所示。由图可知，3种工况下第一步开挖引起的沉降占总沉降的51%～79%，因此施工期间应特别注意第一开挖，开挖完成后及时架立拱架喷射混凝土，保证锁脚锚管的施工质量。另外不难发现上软下硬地层隧道变形受力规律，围岩变形及初支受力主要集中在上部软岩区域，下部硬岩围岩变形及初支受力都很小。因此施工中下部软岩区域开挖进尺可较上部软岩区适当增大，但是仍应控制下部围岩爆破对隧道的影响，控制爆破是上软下硬隧道的又一关键。

对上述3种工况计算，得围岩变形扰动情况与衬砌受力对比见表3。

从图表中不难看出，上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路时，采用双层大管棚预支护后，开挖方法一对围岩扰动最小，开挖方法二次之，台阶法施工难以满足高速公路沉降要求，而开挖方法一、二对地层影响相当。

2.4.2 施工方法评价与选择

通过对3种开挖方法的数值模拟及分析可知，理论上讲，采用双层大管棚预支护后，三台阶法引起地层沉降较大，施工存在较大风险，该隧道不能采用该方法施工。弧形导坑预留核心土法、上部中隔墙法均能保证隧道稳定及安全，保证高速公路沉降在可控范围内。

表3 各工况计算结果对比表Table 3 Results comparison of different calculation conditions

图8 各工况拱顶沉降随开挖步变化曲线Fig.8 Vault settlement changing curves along with the excavation step of different excavation method

但是弧形导坑预留核心土法工作面太多，作业面狭小，施工相互干扰大，存在指挥协调上的困难，且无法进行机械作业，严重影响施工进度。采用上部中隔墙法能有效的克服该问题，大大简化了开挖步骤及施工组织管理难度，增大了作业面，上部软岩开挖可采用小型机械，加快施工进度。针对该下穿既有高速公路隧道上软下硬的特点，选用上部中隔墙法可有效控制地层沉降和隧道稳定的同时，可加快隧道施工速度，为该隧道的最优施工方法。

该隧道实际施工采用上台阶中隔墙法，既保证了隧道的施工安全及稳定性，较好地控制了高速公路路面沉降(最大沉降基本控制在3～8 cm以内)，又降低了施工难度，加快了施工速度(正常开挖期间达0.5 m/d)，充分说明上部中隔墙法在上软下硬地层隧道中的有效性及优越性。

3 结语

(1)上软下硬地层铁路隧道下穿既有高速公路时，采用双层大管棚预支护后，弧形导坑预留核心土法对围岩扰动最小，上部中隔墙法次之，台阶法施工不能满足高速公路沉降要求，而开挖方法一、二对地层影响相当。

(2)上部中隔墙法可采用小型机械开挖，加快施工速度，实际施工采用该方法顺利下穿高速公路。

(3)理论及实践证明，类似上软下硬地层隧道，采用上部台阶法可实现安全、快速、经济的目标，是最合理的施工方法，具有推广价值。

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The Ministry of Railways of The people＇s Republic of China.TB10003—2005，Code for design on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.

Study on the construction method of railway tunnel crossing under expressway and built in upper soft and lower hard stratum

LIU Song-tao1，ZHANG Guo-an2，YANG Xiu-zhu3，SHI Yu-feng3，LEI Jin-shan3

(1.The fifth Highway Engineering Bureau of China Communications Construction Company Limited，Beijing 100025，China;2.Headquarters of Hunan and Guangxi Railway of Nanning Railway Administration，Liuzhou 500016，China;3.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

The Shitougang Tunnel crosses under the highway from Hengyang to Kunming.The tunnel was excavated mainly in upper expansive soil and lower limestone.The construction was very hard and adventurous because of the upper soft and lower hard stratum and the highway lyingabove.In this paper，Construction method for railway tunnel crossing under expressway in upper soft and lower hard stratum was studied by numerical analysis method.It is indicated that partition method in the upper soil can not only reduce construction risk，but also accelerate the construction progress.

upper soft and lower hard stratum;cross under expressway;numerical analysis;construction method

U455.4

A

1672－7029(2011)05－0035－05

2011－03－08

国家自然科学基金资助项目(51108462);湖南省工业支撑科技计划项目(2011GK3217);南宁铁路局湘桂铁路科技创新计划项目

刘松涛(1972－)，男，湖南益阳人，工程师，从事土木工程技术、管理与研究工作

杨秀竹(1972－)，女，山东莱州人，副教授，从事隧道与地下工程教学与科研工作