高铁隧道穿越浅埋段围岩变形规律分析

赵红飞，黄海涛，刘继文，翟朝娇，程桦，曹广勇

(1.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

0 引言

2018年底我国高铁运营里程超过2.9万 km，占全球高铁运营里程三分之二以上，超过其他国家总和。随着我国高铁建设持续发展，相应的隧道数量随之增加，复杂条件下围岩稳定性控制对高铁隧道的安全施工与后期运营影响重大，一直是需要重点关注的问题。特别是浅埋条件下，围岩多为表土或岩性较差的岩体，强度低，开挖后难以形成稳定的自承结构，容易引发初期支护中的拱架扭曲、混凝土开裂以及围岩大变形等，支护强度难以满足要求[1，2]。

针对浅埋段等软弱围岩条件下隧道围岩控制，国内外学者开展了大量的研究[3-15]。Dalgic[3]依托Beykoc隧道分析了软弱围岩对隧道开挖和支护的影响规律，提出了高强联合支护控制方法。Choi[4]利用FLAC3D软件分析了软弱围岩条件下隧道稳定性变化，提出了支护优化设计方法。孙钧等[5]采用非线性流变理论研究了软弱围岩隧道挤压大变形问题，对大变形控制进行了有益的探索。黄正涛[6]研究了超前支护对隧道浅埋段施工的影响，同时提出了采用常规预报法和物探法相结合可以有效地预警不良地质状况。戚翼[7]分析了隧道浅埋段开挖进尺与围岩变形稳定的空间关系，定量评价了隧道开挖影响范围。石熊[8]、罗彦斌[9]分别研究了软弱围岩采用CRD施工时不同开挖顺序对围岩位移、应力的影响规律。

前人的研究促进了隧道围岩控制理论与技术的发展，但是主要针对公路隧道和普通铁路隧道，关于高铁隧道穿越浅埋地段围岩稳定性的研究相对较少。本文在前人研究的基础上，以太(原)焦(作)高铁皇后岭隧道为工程背景，选取隧道过浅埋段典型断面，开展现场监测，对比分析围岩变形规律，评价开挖及支护方案是否合理。

1 工程背景

皇后岭隧道为太焦高铁的重要组成部分，位于山西省长治市境内，隧道进口位于长治县辛呈村西南角，出口位于长治县西八村东南，往南距685县道约110 m，往东距207国道约360 m。隧道设计为双线隧道，轨道间距4.6 m，设计时速250 km/h。隧道起始里程为DK241+765，终点里程为DK246+305，全长4540 m，属于长隧道。上覆地层以石灰岩、砂岩、泥岩和新黄土为主，最大埋深142.56 m。

本文研究区域为隧道出口浅埋段，洞身穿越地层为新黄土、石灰岩。新黄土呈浅黄色、具有陷湿性，石灰岩呈深灰色、弱风化、溶蚀现象严重。隧道埋深范围约6.5-9.8 m，围岩等级为V级。隧道地质剖面及断面尺寸如图1所示，出口现场如图2所示。

图1 隧道地质剖面及断面尺寸

图2 隧道出口现场

选取的三个典型断面分别位于DK246+125、DK246+150和DK246+210，间隔25m和60m。其中DK246+125断面邻近上部采空区，DK246+150断面为常规浅埋段，DK246+210位于出口明、暗洞分界线。

2 开挖和支护方案设计

根据皇后岭隧道出口浅埋段的工程地质条件、工期要求，设计浅埋段采用三台阶临时仰拱法施工，预留变形量为10～15 cm，依次开挖上台阶、中台阶和下台阶。上台阶高3.11 m，每天进尺1.2 m；中台阶高4.22 m，下台阶高3.05 m，中、下台阶左右错开跟进开挖，间距3 m。每层台阶开挖后，随即初喷混凝土和安设拱架，开挖示意图和流程如图3、图4所示，图中I—III为相应台阶开挖顺序，①—③为相应支护顺序。

图3 三台阶临时仰拱开挖示意图

图4 开挖流程图

主要开挖及支护过程如下：

(1)开挖上台阶I，初喷4 cm厚混凝土，铺设钢筋网片，架立I22型钢拱架，复喷26 cm厚混凝土至设计厚度。施作上台阶临时仰拱，在平台底部喷射4 cm混凝土，架设I18轻型临时钢架，复喷混凝土至设计厚度25 cm，施作砂浆锚杆。

(2)开挖中台阶Ⅱ，滞后上台阶一段距离后，拆除I部2～3榀I18临时钢架，再开挖Ⅱ。对两边侧墙初喷4 cm厚混凝土，挂设钢筋网片，架立I22型钢架，复喷26 cm厚混凝土。施作中台阶临时仰拱，与上台阶相同。当现场条件恶劣时可封闭掌子面。

(3)开挖下台阶Ⅲ，与中台阶相同。需要特别注意的是：中、下台阶开挖时至少错开2榀拱架施工，严禁两边拱架同时悬空。

二次衬砌为C35现浇混凝土，厚度为0.55 m，采用边顶拱式砼衬砌钢模台车施工。衬砌主筋为Φ22、间距20 cm，纵向副筋Φ18、间距25 cm，钩筋为Φ8、间距25 cm，钢筋采用挤压套筒连接。

主要支护参数见表1。

表1 主要支护构件及参数

3 围岩控制效果分析

3.1 监测方案设计

本文围岩变形监测主要包括拱顶下沉和水平收敛，拱顶下沉测点设置在拱顶轴线附近，水平收敛测点对称布置，每个断面设7个测点。测量频率为1次/天，监测周期为60 d。测点具体布置如图5所示。

图5 测点布置示意图

3.2 监测结果分析

图6 为三个典型断面围岩累计变形量和变形速率变化趋势。

对比分析可知：

(1)三个断面的拱顶下沉和水平收敛变化趋势基本一致，均在30 d后趋于稳定，各断面拱顶的累计下沉量均大于水平收敛量，说明隧道浅埋段拱顶属于重点监控部位。

(2)三个断面各部位围岩的变形速率在上、中台阶开挖时变化明显，波动范围较大。以变化范围在±0.2 mm/d以内为稳定标准，则下台阶支护完成5d后围岩变形基本趋于稳定。

(3)DK246+125断面的拱顶沉降量最大，达到18.7 mm；DK246+210断面最小，为8.8 mm。水平收敛最大值位于DK246+125断面上台阶B-C处，达到9.3 mm，最小值位于DK246+210断面中台阶D-E处，为4 mm。表明距离采空区越近，围岩受开挖和采空区扰动影响越大，导致围岩变形相对较大。

(4)本文研究范围内，浅埋段施工时，拱顶下沉受上台阶开挖扰动明显。以DK246+150断面为例，上台阶开挖完成后拱顶下沉量为7.4 mm，约占最终监测值的50%；中台阶开挖引起的变形量为4.5 mm，占30%；下台阶开挖引起的变形量占20%。

(5)根据每天开挖进尺和监测时间，可知当监测断面距掌子面40 m范围内，围岩变形较大；距离掌子面40 m以外时，变形基本稳定。

(6)各监测断面的累计变形量均远小于预留变形量，处于允许范围内，说明设计采用的开挖方案合理，支护强度满足要求。

图6 围岩收敛变形及速率变化图

4 结论

太焦高铁皇后岭隧道出口浅埋段埋深6.52-9.83 m，围岩等级为V级。设计采用三台阶临时仰拱法施工，主要支护构件为I22型钢架。

(1)隧道拱顶下沉和水平收敛均在30 d后趋于稳定，接近采空区的监测断面位移最大，拱顶最大下沉量为18.7 mm，水平收敛最大值为9.5 mm，均远小于预留变形量；拱顶变形受上台阶开挖扰动最大，其变形值约占最终收敛值的50%，受中、下台阶开挖影响较小，变形值分别约占最终变形值的30%和20%。

(2)三台阶临时仰拱法在高铁隧道穿越浅埋段施工时方法可行，以I22型钢架为核心的支护方案满足围岩控制需求，为类似条件工程施工提供了参考。