高速铁路大断面浅埋黄土隧道设计与施工有关问题的探讨

摘要 结合已经建成运营通车的郑西客运专线典型大断面黄土隧道的设计和施工情况，着重从合理支护参数选择、地表沉降控制、快速施工方法选择等方面阐述了隧道典型地段的设计方法和施工技术，总结了诸如了地表裂缝发生规律、合理快速的施工方法以及下穿地表建筑物时的有效支护措施等技术经验，并就黄土隧道深浅埋分界、施工方案等提出了可供进一步探讨的意见，对类似的工程建设具有一定的借鉴意义。

关键词：高速铁路；黄土隧道；浅埋；大断面

中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：

1 概述

1.1 郑西客运专线黄土隧道情况

郑西客专大断面黄土隧道设计开挖断面最大达165m2，针对如此大断面黄土隧道群的修建，国内外尚无先例。其中，浅埋黄土隧道由于所处地层多为新黄土，工程力学性能复杂、土体稳定性差，由于开挖断面的大幅提高，隧道的施工难度将急剧增大，对支护结构的要求更为复杂，成为郑西线修建中的重、难点问题，直接影响着郑西线的顺利建设。随着工程的推进，大断面浅埋黄土隧道的工程力学特征逐渐显现，工程技术人员结合现场施工情况，加大科研攻关，合理确定了支护设计参数，优化了施工方法，有效解决了下穿铁路等建筑物段的地面沉降控制、快速安全施工、隧道软弱基底处理等问题，顺利完成了有关重点工程建设，也积累了有效的工程经验。

1.2 典型大断面浅埋黄土隧道

巩义隧道全长3368m，全隧道位于黄土地层（具有部分湿陷性），隧道大部分地段埋深为30~38m，为典型的大断面浅埋黄土隧道，也是郑西客用专线上最长的浅埋黄土隧道。该隧道位于河南省巩义市市区，先后下穿310国道、铁路专用线及重型厂房和民用建筑等设施，施工条件极其复杂。本文以该隧道为工程背景，探讨有关大断面浅埋黄土隧道的修建技术问题，以期为今后类似情况的隧道工程建设提供参考。

2 大断面浅埋黄土隧道支护设计

2.1 支护设计的几点考虑

2. 1.1 变形控制及支护原则

大断面浅埋黄土隧道，土体易沿节理方向张开剪断，较难形成承载拱，开挖应力释放后易崩解剥落，处理不当会造成溜坍乃至塌方；拱顶地层易受施工扰动开裂。施工观测表明，洞内变形向地表传递较快，隧道结构荷载主要为松弛压力而非形变压力。新奥法基本原理仍适用于大断面浅埋黄土隧道，同时应采取针对性措施：对于大断面浅埋黄土隧道，充分保护围岩具体要求则为控制围岩变形而不是释放变形，主要措施为采用加强支护抑制开挖松弛变形；支护施作时机不能照搬深埋隧道做法，应及早施作，同时对支护结构进行适当加强。

2.1.2深、浅埋界定及土体荷载确定

根据黄土特性和大断面隧道特点，《铁路隧道设计规范》规定的深浅埋分界值和围岩压力都明显偏小。根据郑西线黄土隧道研究成果，大断面黄土隧道按埋深薄厚依次可分为极浅埋、浅埋和深埋三种类型，其中：以新黄土厚度为极浅埋分界；深、浅埋分界值可以根据黄土性状和天然含水量在50~60m或（3.5~4.5）B（B—开挖跨度）范围内选取。极浅埋时仍采用全土柱理论公式，浅埋时仍采用规范建议的谢家烋公式，深埋时适当提高地层压力，按埋深50~60m谢家烋理论公式计算荷载值。

2.1.3天然含水量影响

黄土天然含水量对黄土力学性能和隧道变形影响较大，施工方法和支护参数要充分考虑含水量的影响。

2.1.4黄土隧道锚杆设置

黄土隧道中的系统锚杆锚固效果是一个有争议的问题。郑西线开展的测试表明：锚杆受力均呈拱部小而边墙较大的分布特征；深埋隧道锚杆轴力较浅埋大，老黄土较新黄土大；拱部锚杆受力很小难以发挥作用，边墙锚杆能提供一定拉应力。因此浅埋黄土隧道减少拱部锚杆是可行的。

2.2 大断面浅埋黄土隧道支护参数

2.2.1选用的支护参数

基于以上几个要点的考虑，选定了大断面黄土隧道支护参数设计原则：初期支护承担施工阶段全部荷载，二次衬砌承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备。经过工程类比、专家研讨，最终确定郑西客运专线大断面黄土隧道衬砌支护有关衬砌断面设计如图2-1所示。

图2-1大断面浅埋黄土隧道Ⅳb型复合式衬砌断面

2.2.2 支护结构的设计特点

（1）突出“加强基底”和注重“刚度变化”：针对以往隧道底部易发病害和高速列车运行要求，加强了基底设计，隧道均采用有仰拱结构，且仰拱厚度较拱墙衬砌大。

（2）初期支护均采用型钢钢架，钢架分部接头处采用锁脚锚管，钢架间距适当加密；喷混凝土均采用大拱脚结构，以上支护措施能有效控制浅埋黄土地层的变形。

（3）二次衬砌均采用钢筋混凝土结构，主要考虑三个方面：a.高速列车运行产生的空气压力波动对衬砌的耐久性要求；b.大跨黄土隧道二次衬砌需及早施作，从而需要承担较大的围岩压力；c.减少大跨混凝土结构的收缩裂缝。

2.3 衬砌支护结构的计算分析

为保证隧道初期支护和二次衬砌结构的安全可靠性，对隧道的初期支护以及二次衬砌分别进行了理论计算。

（1）初期支护理论计算：根据共同变形理论，按地层-结构模式进行计算，计算采用ANSYS有限元软件模拟了CRD法、双侧壁导坑法、CD法、弧形导坑法的开挖、施做初期支护的全过程。计算工况按埋深分别为50m的弧形导坑法，埋深30m的CD法，埋深30m CRD法，埋深15m的双侧壁导坑法。从理论计算结果可知：初期支护安全系数最小值均不小于1.0，初期支护变形值也均小于《铁路隧道设计规范》中关于双线隧道初期支护的极限位移的要求，从而可以判定设计所采用的初期支护和临时支护参数能够满足施工过程的围岩稳定性和安全性要求。

（2）二次衬砌结构计算：隧道衬砌结构计算采用以破损阶段设计法，对衬砌截面安全度、裂缝宽度进行计算和验算。隧道衬砌结构按平面受力进行分析计算，采用荷载—结构模型平面杆系有限单元法。计算程序采用ANSYS软件。作用在衬砌结构上的主要荷载有结构自重、黄土垂直压力、地层侧向水平压力和弹性抗力等，二次衬砌按承受围岩压力的60％进行计算。经理论计算，结构的承载性能及裂缝控制均能够满足规范要求。

3 大断面浅埋黄土隧道地表问题处理方案

从郑西客运专线全线黄土隧道施工现场来看，浅埋黄土隧道施工造成的地表裂缝，危及施工和隧道运营安全，一直是隧道建设的突出问题。

3.1 地表开裂的规律

（1）地表裂缝出现时间：在黄土隧道洞口浅埋段，进洞开挖在洞口仰坡喷混凝土面就常出现纵向裂缝；洞顶地表平坦没有偏压的，15～30天在隧道中线两侧地表各出现平行隧道中线的纵向裂缝，随着开挖的推进，裂缝也向前发展；同时掌子面前方，地表处会出现垂直隧道中线的横向裂缝，并与纵向裂缝联通，形成怀抱式横向裂缝。

（2）地表裂缝的发展过程：在地表裂缝随楔形滑动体变形而张开，在地层内部主要表现为错动。其中横向裂缝在开挖面前先张开，在开挖面到达和通过后随地层变形裂缝又闭合。地表测试可见裂缝深度为3~15m左右，除极浅埋黄土隧道外，可见地表裂缝深度一般不会到达隧道顶部。

（3）地表裂缝与隧道变形之间的关系：地表出现可见或宽大裂缝对应的隧道施工最大地表沉降变形，现场调查多在80mm以上；数值理论分析在95mm~128mm，浅埋隧道（30m覆土埋深以内）模型试验值50.0～104.0mm。