大断面浅埋高速铁路隧道施工关键技术研究

李泽钿

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 引言

高速铁路速度快、运载能力强、安全可靠，是基础交通设施网的关键组成，建设规模日益扩大。隧道工程是铁路沿线关键的构造物，必须严格控制建设质量。相对于一般铁路隧道而言，大断面浅埋隧道变形机理复杂，施工难度大，如果施工措施选择不当，容易导致隧道坍塌，带来巨大的经济损失和人员伤亡。如何选择经济合理的施工措施，是技术人员需要解决的重要问题[1]。因此，进一步探讨大断面浅埋高速铁路隧道施工要点具有重要的工程意义。

2 大断面浅埋隧道判定

2.1 浅埋隧道判定

由TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》可知，当地表水平或接近水平，且隧道结构覆盖层的厚度满足式（1）时，可认为隧道属于浅埋隧道[2]。

式中，H为铁路隧道覆盖层厚度（从拱顶算起），m；ha为计算高度，m。

浅埋高速铁路隧道所承受地围岩压力具有明显对称性（见图1），其垂直方向压力q、水平方向压力e计算公式分别为：

图1 施工方法对道围岩变形的影响

式中，γ 为隧道围岩容重，kN/m3；h为隧顶到地面的垂直高度，m；θ 为摩擦角，（°）；B为隧洞宽度，m；hi为内外侧任意点至地面垂直高度，m；λ 为岩土体侧压力系数。

2.2 大断面隧道

当前，针对大断面高速铁路隧道并无统一的定义。日本是利用“开挖断面面积”将隧道工程划分成标准断面、大断面、超大断面，对应的隧道开挖断面面积分别为70～80 m2、100～120 m2、＞140 m2。而国际隧道协会（ITA）是将隧道工程按“净空断面面积”进行划分，划分成极小断面、小断面、中等断面、大断面、特大断面，对应的净空断面面积分别为2～3 m2、3～10 m2、10～50 m2、50～100 m2、＞100 m2。本文建立高速铁路大断面隧道判定时参考ITA 标准[3]。

3 大断面浅埋隧道施工要点分析

3.1 工程概况

本文以某丘陵缓坡地带的铁路隧道为研究对象，探讨大断面浅埋高速铁路隧道施工要点。该高速铁路隧道为单洞双线隧道，起讫桩号为DK59+042～DK65+090，长6 048 m，属于长隧道。隧道下穿某高速公路，开挖断面约150 m2。根据施工图地质勘察报告，该大断面浅埋高速铁路隧道围岩从上至下均为泥岩，局部夹杂有泥质砂岩，围岩等级属于Ⅴ级。同时，隧道所在区域为温带大陆性季风气候，年降雨量较大，年平均降雨量约969～1 022 mm，且大部分雨水集中在6～9 月份，地震峰值加速度为0.10g，在隧道施工过程中不必考虑地震力的影响。

3.2 施工方法比选

高速铁路隧道主要施工方案有台阶法、 留核心土法、CD法、双侧壁法等。为了确定合理的大断面浅埋隧道施工方法，使用有限元软件MIDAS 建立计算模型，分析了不同施工方法下的围岩最大变形。

建立有限元模型时，将隧道围岩和各种支护结构视为均质、连续、各向同性的弹塑性材料，且不考虑隧道施工间歇时间。计算模型长宽高取100 m×100 m×25 m，其中，隧道周边围岩、喷射混凝土、各种锚杆分别用solid 单元、板单元、cable 单元模拟。隧道计算模型选用正六面体单元进行网格划分，最终划分出10 236 个单元、11 388 个节点。

台阶法（两台阶施工）、留核心土法、CD 法、双侧壁法施工大断面浅埋隧道后，围岩变形计算结果如图1 所示。

图1计算结果表明： 不同施工方案下大断面浅埋高速铁路隧道的围岩变形大小关系为：CD 法＞台阶法＞环形开挖留核心土法＞双侧壁法。在大断面浅埋隧道施工时，要慎重选用CD 法。同时，双侧壁法施工隧道后围岩变形最小，仅1.2 mm，故大断面浅埋隧道施工用双侧壁法效果更佳。

3.3 进洞技术及超前支护

3.3.1 隧道进洞

大断面浅埋高速铁路隧道进洞难度大，出现掌子面坍塌的可能性较大。隧道进洞施工方案建议使用“明洞暗进”，首先，以导向套拱的方式在坡顶施工，以减少施工对周围地质的影响。随后，施工人员将钢管导进洞内，并将浆液沿着钢管注入隧道洞口周边的围岩，提高围岩的强度和整体稳定性；最后，长明洞和洞门同时施工，提高大断面浅埋隧道进洞安全性。

3.3.2 超前支护

大断面浅埋隧道常用的支护方式有超前管棚和超前小导管，其中，管棚主要用于浅埋洞口堆积体、断层破碎带地层等，施工时需布置相应的管棚工作间。而超前小导管在施工时要有支撑设备，一般使用风钻钻孔，用钻机将导管顶进，以注浆泵注浆。注浆时，注浆压力尽量控制在0.5～1.0 MPa，可根据现场施工结果动态调整注浆压力和浆液配合比[4-5]。

3.4 塌方处治

由上可知，隧道所在区域降雨量大，为了保证隧道在施工期间的安全性，利用MIDAS 软件计算了隧道在降雨前后的拱顶沉降，并沿着隧道中心线及两侧间距0.5 m 布置沉降监测点，计算结果如图2 所示。

图2 隧道降雨前后沉降

图2计算结果表明： 铁路隧道拱顶中心线处的沉降变形最大，且距隧道中心线越远，沉降越小。降雨前、降雨后隧道沉降最大值分别是2.2 cm、4.1 cm，沉降增大了90.5%，此时隧道有塌方可能性。主要原因在于[6]：（1）隧道围岩裂隙较发育，自稳能力差；（2）在连续降雨条件下，围岩被软化，各项强度指标大幅下降。两个原因相互叠加，最终导致隧道塌方。

技术人员在制订隧道塌方处治方案时应坚持以下原则：（1）隧道要快速封闭处理，严禁人员随意出入，及时稳固既有坍塌面；（2）塌方处治期间安全可靠，做到万无一失；（3）避免塌方路段继续扩展，阻碍后期施工；（4）保证隧道塌方施工质量，不留下安全隐患。

综合考虑施工难度、工程造价等因素，建议大断面浅埋隧道塌方采用“地表注浆法”处理，施工步骤为：顶部坍塌空洞处理→坍塌段径向注浆→坍塌段开挖→坍塌段支护。需注意，注浆时要加强观察塌方附近掌子面围岩，确保注浆安全性。

4 大断面浅埋隧道施工参数确定

4.1 开挖高度确定

由上可知，该大断面浅埋隧道施工选用双侧壁法。为了便于讨论，定义了“开挖高度比m”，即上部开挖高度与下部开挖高度的比值。在其他计算参数不变的条件下，利用MIDAS 软件计算了m=0.7∶0.3、m=0.6∶0.4、m=0.5∶0.5 时隧道拱顶的沉降，计算结果如图3 所示。

图3 不同开挖高度比下隧道沉降

由图3 可知：大断面浅埋隧道的上部开挖高度越大，隧道拱顶中心沉降也越大。当开挖高度比从0.7∶0.3 减小至0.5∶0.5时，隧道工程沉降分别降低了1.3 cm、0.8 cm。因此，大断面浅埋隧道施工时要注意上部开挖高度不宜过大，以免突然开挖造成垮塌。

4.2 开挖面距离确定

在双侧壁法中，隧道各部开挖面的距离也会影响隧道施工安全。开挖距离太近，周边土体干扰大；开挖距离太远，对隧道施工组织会产生不良影响。利用MIDAS 软件模拟各开挖面距离d为0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 时隧道仰拱塑性区的变化规律：d=0.8 m 时，仰拱底部塑性区基本完全贯通；d=1.6 m，隧道仰拱中部的塑性区贯通，左、右两侧塑性区分散；d=2.4 m 和d=3.2 m 时，仰拱底部塑性区分离，隧道施工时各分部之间的扰动越来越小。

5 结论

本文研究了大断面浅埋隧道的施工特点、 施工技术要点及施工参数的确定方法，主要得到了以下几个方面的结论：

1）大断面浅埋隧道在施工期间易塌方，对支护要求更严格，底部易出现应力集中现象；

2）大断面浅埋高速铁路隧道施工方案包括台阶法、留核心土法、CD 法、双侧壁法等，其中双侧壁法施工式围岩沉降最小；

3）建议大断面浅埋隧道进洞采用“明洞暗进”，并及时处理隧道塌方；

4）大断面浅埋隧道施工时要注意上部开挖高度不宜过大，合理选择各部开挖面的距离。