下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究

李 健，谭忠盛，喻 渝，倪鲁肃

（1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 铁道第二勘测设计院，成都 610031）

1 引 言

大跨隧道施工方法，国内外从20世纪80年代后主要采用台阶分部、中壁法以及双侧壁法及环形开挖留核心土法开挖，而对于大跨黄土隧道施工，国内成功采用预留核心土短台阶法解决开挖面积近140 m2大跨老黄土隧道施工（黄延高速公路道南隧道紧急停车带），并在浅埋新黄土双线铁路隧道中采用 CRD法成功下穿既有铁路（宝兰铁路新曲儿岔隧道）[1－2]。阌乡隧道集大跨（跨度15.6 m）、浅埋（埋深10 m）、软岩（Q3砂质黄土地层）、下穿建构筑物（连霍高速公路）等各种情况于一身，在国内外尚无先例，因而，工程施工难度极大，工程施工安全的控制极其重要。按照工程要求实现安全和快速施工，需要对目前修建大跨隧道的主要施工方法进行对比分析和综合评价，在此基础上提出合理的施工方法。

目前，国内外学者虽然对隧道施工引起的地层变形和支护内力的计算及其安全性评价进行了大量的研究[3－9]，但针对黄土隧道施工不同施工工序及间距对地层变形影响，以及采用现场监测数据结合数值模拟的相关研究，还未见相关文献报道。本文将结合现场试验和数值分析两种手段，对试验段地表沉降、拱顶下沉及初支内力等试验数据进行分析，得出各个施工步开挖沉降所占比重。通过 FLAC3D软件在已有监测数据的基础上进行验证计算，推导出符合理论计算的土体参数，并应用于优化施工方案中，验证其控制地层变形效果。

2 工程概况

郑西客运专线阌乡隧道位于郑西客运专线西段的灵宝市，隧道全长为770 m，为双线大跨浅埋黄土隧道。隧道在以15°的小角度下穿连霍高速公路，下穿段长达270 m，并分为两部分：正式下穿段为160 m，从公路正下方穿过，此段的埋深仅有10 m左右；两侧公路路堑边坡下穿段，共计110 m，埋深为10～24 m。试验段在公路边坡一侧，长40 m，隧道与高速公路具体位置关系见图 1。隧道所处的地层为Q3砂质黄土地层，土质松散，土体稳定性极差，而隧道开挖断面特大（阌乡隧道的最大开挖跨度为15.6 m、高为13.6 m，最大开挖面积达175 m2），施工难度极大。

图1 隧道与高速公路位置关系Fig.1 Position relationship between tunnel and highway

与岩体相比，黄土土体强度低、变形大、自承能力小、工程性质差，受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡达到饱和状态，其强度会明显降低，工程性质发生很大变化。在黄土隧道中，因其土质比较松散，开挖后易形成分层坍塌，层厚一般为 20～60 cm之间，故需合适的施工工法。在试验段将隧道的施工工法进行转换，改 CRD法为双侧壁导坑法，具体施工流程简化如下：

（1）先开挖右导坑上台阶，开挖高度为7 m，每次进尺 0.8 m，开挖后立即进行支护。仰拱开挖后立即支护闭合，并及时回填。

（2）开挖左导坑，开挖方法与右侧相同，开挖面与右侧维持相差10 m左右的间距。

（3）开挖中间部分土体，采用台阶法开挖，每次进尺0.8 m，台阶长度为4 m左右，开挖约2 m后，下台阶与仰拱一次开挖，并及时闭合仰拱及回填。图2为试验段双侧壁导坑法施工工序图。

试验段具体的支护参数如下：

（1）超前支护：采用壁厚为8 mm的ϕ159 mm单层大管棚，管棚的间距为40 cm，在拱顶110°范围施作，长度为70 m。掌子面采用ϕ25 mm纤维锚杆，长为12 m，间距为1.2 m，梅花形布置。

（2）初期支护：采用I25a型钢钢架、挂网喷混凝土，钢架间距为0.8 m。在边墙采用ϕ22 mm药包锚杆加强支护，药包锚杆长为4 m，间距为1.0 m，梅花形布置。

图2 隧道施工步序图（单位：mm）Fig.2 The excavation procedures of tunnel(unit :mm)

3 测点布置

3.1 地表与拱顶测点布置

地表与拱顶沉降布置，在试验段共设置了8个地表沉降观测断面，每个断面间隔为5 m，采用精密水准仪测量，测量频率1次/d，具体布置图见图3、4。

图3 地表沉降监测点布置图Fig.3 Layout of monitoring points for ground surface settlements

图4 地表横断面测点布置图Fig.4 Layout of lateral ground surface monitoring points

3.2 初支内力测点布置

在 DK289+785断面的钢架共布设了 12处测点，每个测点的钢架内外侧各布设1个应变计测试钢架应力，共24个应变计。在断面内侧布设4个混凝土表面应变计，测试喷混凝土的应力，具体布置如图5所示。

图5 钢拱架应力测点布置图Fig.5 Layout of stress measuring points on steel framework

4 试验结果及分析

4.1 拱顶及地表沉降分析

经半年多时间的监测，得到试验段典型断面拱顶下沉及地表沉降曲线如图6所示。

由图可以看出：

（1）隧道拱顶总沉降比地表总沉降小，拱顶沉降在310～460 mm之间，地表沉降在480～540 mm之间，拱顶总沉降为地表总沉降的65%～94%。

（2）左导洞超前右导洞5 m左右、超前中间土体 12 m左右。左导洞拱顶超前沉降占总沉降11%，左导洞地表超前沉降占总沉降18%；右导洞拱顶超前沉降占总沉降15%，右导洞地表超前沉降占总沉降22%；中间部分拱顶超前沉降占总沉降的72%，中间部分地表超前沉降占总沉降的58%，主要受两侧导洞开挖的影响。

图6 隧道施工过程拱顶及地表沉降全位移历时曲线Fig.6 Vault and ground settlements time history curves during tunnel construction progress

（3）左、右导洞上下台阶法开挖，拱顶沉降的超前影响距离均为4 m左右，地表沉降的超前影响距离均为8 m左右；中间土体3台阶法开挖，拱顶沉降的超前影响距离为8 m左右，地表沉降的超前影响距离为12 m左右。

（4）地表沉降与拱顶沉降曲线规律一致，在侧导洞开挖到 DK298+780断面之后到中间土体也开挖到该断面时，这段时间内发生较大沉降，占总沉降的65%～80%，中间部分土体开挖引起的沉降占15%～20%，全断面封闭后的沉降仅占3%。

4.2 初支内力分析

钢架应力的时间历时曲线如图7所示，应力分布如图8所示，混凝土应力如图9所示。

由图7～9可以看出：

（1）初支钢架的拱顶内外侧均受拉，其他部分钢架内外侧均为受压。拱顶应力大小在20 MPa左右；右导坑拱顶压应力最大，达-182.1 MPa；边墙应力大小达-81 MPa；仰拱中间受力较小、两侧受力较大达98 MPa。

（2）先开挖左右导洞的钢架受中间部开挖影响明显，中间拱部土体的开挖能使两侧导洞钢架的应力改变10～40 MPa。

（3）全断面封闭能使钢架应力稳定，在拆除临时支撑的双侧壁时，断面钢架应力会有明显变大，直到二衬施工完成后才最终稳定（9月底施作二衬）。

图9 DK298+785断面混凝土应力时态曲线Fig.9 Time history curves of stress in concrete at section DK298+785

（4）拱顶混凝土受拉，拉应力大小在1.8 MPa左右；拱腰处（接近侧导洞拱顶）混凝土受压，压应力为-7 MPa左右；仰拱处的喷混凝土受压，应力在4 MPa左右。

（5）由钢架应力和喷混凝土应力的测试结果可知，钢架与喷混凝土的应力分布规律一致，但钢架应力远远大于喷混凝土应力，钢架应力大约是喷混凝土应力的10倍。

4.3 试验段施工分析

为了得到隧道施工过程拱顶的沉降规律以及拱顶沉降与地表沉降的关系，根据图6中数据计算出各开挖步产生的沉降及比例，见表1。

表1 各开挖步产生的沉降及比例（单位：mm）Table 1 Amount and proportion of settlement in every excavation step (unit: mm)

由表1可知，试验段地表沉降并没有得到很好的控制，按照试验段施工方案很难达到下穿段要求的50 mm的控制标准[10]，从而通过分析数据提出以下优化措施：

（1）由于侧导洞开挖产生的沉降所占的比例最大，因此，为了控制沉降，两侧导洞开挖时分为 4步（即3个台阶和仰拱），减小了每步的开挖面积，并预留核心土，减小上中台阶长度，上台阶长度为2.4～3 m，中台阶长度为2.4～3 m，下台阶长度为5 m左右，这样能有效地控制掌子面的稳定，减小施工对地表的影响。

（2）中间土体开挖基本上与试验段一样，也是分上中下3台阶开挖，改进的是在开挖上台阶时预留核心土，以及中下台阶同时开挖。这样能有效地控制掌子面的稳定，并快速地封闭仰供，减小地表的沉降。

（3）为了能快速封闭开挖面，减少开挖面暴露的时间，减少地应力的释放，从而减小地表沉降，开挖进尺由原来的0.8 m减小为0.6 m。

（4）侧导洞下台阶及仰供、中间土体上中下台阶都采用机械开挖，这样有利于快速施工，快速封闭仰供，能更有效地控制地表沉降。

（5）在阌乡隧道施工中，初期支护的刚度对地层变形有较大影响，一方面由于采用双侧壁导坑法施工，当施作两侧弧形导坑内的钢架时，很难将其控制在同一平面内，使得顶部弧形导坑开挖后，钢架无法连成整体，支护承载能力大大降低；另一方面由于隧道上方的高速公路经常有重载车辆通行，而埋深只有10 m。故采用加密钢架、双层初支的措施加强初期支护，其中第2层初支采用格栅喷混凝土有利于使两层支护紧密黏结，能比模筑混凝土更快地提供刚度；同时，由于试验段没有进行初支背后填充注浆而使地表沉降很大，因此，在下穿段必须增加初支背后的填充注浆。

5 数值分析

为了论证优化施工方案对地层变形的控制效果，进一步深入研究优化施工工序下各施工步的开挖对土体变形计结构内力的影响，利用三维有限差分软件FLAC3D，根据实际开挖步骤，对隧道施工全过程采用Mohr-Coulomb准则进行动态模拟[11－12]。

5.1 模型的建立

在有限元计算中，边界约束条件对计算结果影响较大，根据潘昌实等[13－14]的研究，本次计算范围选取为：试验段上部取至地表24 m，下穿段取至地表10 m；左右部及下部边界取至离隧道外缘周边2倍洞径，约30 m，模型长为30 m；左右为水平约束边界，下部为垂直约束边界，地表为自由边界；试验段模型每施工步台阶长度为4 m，每次进尺为0.8 m，下穿段模型每施工步台阶长度为2.4 m，每次进尺0.6 m，研究断面取在距前边界10 m处。计算中用8节点六面体实体单元模拟围岩、初期支护及临时支护，管棚的作用采用等效方法予以考虑，将管棚的弹性模量折算给地层[15]。下穿段计算模型总单元数为68 160个，总节点数为71 126个。

5.2 围岩与支护参数

计算模型中，对锚杆加固的土体围岩，按经验采取提高其c，ϕ值来加以仿真模拟[16－17]，围岩及支护材料的物理力学参数取值如表2所示。在试验段模型计算时，根据现场监测数据对围岩物性指标弹性模量E进行调整，当模型计算结果中地层变形及初支应力与监测数据相同时，将该物性指标用于下穿段优化施工的模型计算中，以保证数值计算的准确性。

表2 围岩物性指标及支护结构参数Table 2 Mechanical parameters of ground and support

5.3 结果分析

（1）拱顶沉降分析

分析计算结果，得到每步开挖造成的沉降量及占总沉降量的比例，如图10和表3所示。

由图9及表3可以发现：

①随着开挖推进，在20 m距离以前，沉降逐渐增长；之后拱顶沉降趋于收敛；

②初期支护拱顶沉降不大，最终拱顶沉降值约为47 mm；由于开挖跨度大，开挖跨度D =16 m，故收敛距离约在1.5D左右；

图10 初期支护拱顶沉降变化曲线图Fig.10 Vault settlement curve of primary support

表3 各工序开挖阶段造成的沉降及其比例 (单位：mm)Table 3 Amount and proportion of settlement caused by every excavation procedure (unit: mm)

③前4步工序造成的拱顶沉降为17 mm左右，占总沉降的并不大，说明减小开挖面积、小步距开挖、早封闭的优化施工方式取得了预期的效果。在后4步工序中要注意控制整体沉降，可以采用对钢架拱脚进行加固的方式，加固方法为增设锁脚锚管（4根）、大拱脚、牛腿和槽钢垫板。

（2）初支内力分析

分析计算结果，得到最终初期支护应力及初期支护结构安全性，如表4所示。

表4 初期支护最终应力（单位：MPa）Table 4 Final stresses of primary support (unit: MPa)

由表可以发现：

①初期支护在施工过程中出现了应力集中，拉压应力集中均发生在供脚、墙脚。

②施工过程中，最大主应力为11.9 MPa，最小主应力为-13.4 MPa，小于钢筋的屈服强度，远远小于试验段钢架实测内力，符合安全性要求。

6 工程应用

采用施工优化方案后，下穿段隧道成功穿越连霍高速公路，并且地表沉降得到了有效控制。

由图11、12可以得到：截止阌乡隧道顺利贯通，测点的地表沉降最大值在为56 mm（因为下穿段施工施做双层管棚，所以停工 1个月，处于正上方DK298+885处地表沉降累积值较大），沉降最大的测点距隧道全断面封闭距离为 20 m，并且收敛较快，在开挖后2D范围距离处收敛稳定，不会再发生较大的变化，满足行车要求。

图11 高速公路路面测点沉降历时曲线Fig.11 Settlement time history curves of spots on expressway

图12 高速公路隔离带测点沉降历时曲线Fig.12 Settlement time history curves of spots on sides of expressway

7 结 论

（1）为了稳定浅埋大跨黄土隧道掌子面，防止塌方，必须减小每步的开挖面积，将侧导洞分上、中、下台阶及仰拱开挖，中间土体分上、中、下台阶开挖，且上台阶预留核心土；同时，采用双层初期支护，提高初期支护刚度以控制地层变形；采用人工和机械相结合的开挖方法，实现快速施工、快速封闭仰供，能更有效地控制地表沉降。阌乡隧道下穿段采用优化设计方案后，地表沉降基本被控制在50 mm以内。

（2）加快开挖面封闭、导洞断面封闭、隧道全断面封闭，能非常有效地控制地表沉降。从大量黄土隧道的施工监测数据可以看出，断面封闭后的沉降占总沉降10%以下，阌乡隧道试验段仰供封闭后的地表沉降占总沉降不到 5%，而且断面封闭后很快稳定。因此，断面的及时封闭对控制地表沉降十分重要。

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