支卫清

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

随着“交通强国，铁路先行”号召的提出，我国铁路隧道的建设迎来了高峰期[1]，截止2019年底，我国运营铁路隧道16 084座，总长达18 014 km。我国幅员辽阔，地质条件复杂[2]，同时受到线路线型的限制，使得部分铁路隧道不得不穿越水库[3]。在隧道穿越水库的施工中，既要考虑水库对隧道施工安全的影响，也要关注新建隧道施工对既有水库的影响，给隧道的设计及施工带来了极大的困扰[4-5]。目前针对铁路隧道穿越既有水库工程，部分学者采用理论分析、数值模拟、模型试验的方法针对其施工技术进行了重点研究。

周冠南等[6]以大力寺隧道为依托，采用数值模拟的方法，对隧道下穿大力寺水库时渗透系数与隧道稳定性之间的关系进行了研究，并对不同参数下隧道围岩的变形、应力及塑性区的变化规律进行了探究；徐早文[7]以中寨隧道下穿既有水库断层破碎带为工程背景，采用了理论分析和数值模拟的方法，对该条件下的隧道掌子面稳定性进行了研究，并建立了掌子面稳定分析模型，同时基于有限差分软件FLAC3D对该段隧道的围岩变形及支护结构内力特征进行了研究；王肖文[8]和王北京[9]以燕居岭隧道为依托，对铁路隧道下穿既有水库的超前地质预报、帷幕注浆加固技术进行了详细阐述；周祥[10]以秀宁隧道穿越龙潭水库为工程背景，采用理论分析、室内试验及数值模拟的方法，对洞内水平真空抽水加固方案进行了评价，选定了合理的注浆加固参数，并提出了全断面超前注浆三台阶开挖方法；徐前卫等[11]在南华隧道中采用高压旋喷桩加固及深层搅拌桩施作止水帷幕技术，同时采用三台阶临时仰拱开挖的方法，使隧道安全穿越上方既有水库。

基于铁路隧道穿越既有水库的研究现状，可以发现当前已经建成的工程案例均距离既有水库较远，或隧道埋深较大，但对于超浅埋铁路隧道下穿既有水库，目前还没有类似工程实例，可供借鉴的施工技术及设计经验较少。本文依托金台铁路牛和岭隧道超近距离下穿既有水库段为工程背景，提出“明拱暗墙-短台阶法”，并采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对其施工力学进行研究，其研究成果已在牛和岭隧道的施工中得到验证，具有一定的工程价值和学术意义，可为其他类似工程提供经验及依据。

2 工程概况

金(华)台(州)铁路牛和岭隧道位于浙江省丽水市缙云县壶镇镇境内，隧道起讫里程为DK25＋163～DK31＋435，全长6 272 m，为单线电气化铁路隧道，预留二线条件。隧道所处地区多低山，地形起伏较大，“V”型冲沟发育。海拔高程235～522.4 m，相对高差10～287.4 m，自然坡度 25°～60°。 冲沟内常年有水，水量较大，在部分地区汇集成水库，水库水位和水量受季节影响较大。

本文所研究的区域为牛和岭隧道超近距离下穿既有水库段，由于该段DK25＋163～DK25＋390段正线与预留二线间距为15.14～34.52 m，间距较小，为保证施工安全以及后期二线施工过程中正线的运营安全，本工程在此段同时修建二线，为单线隧道。牛和岭隧道正线DK25＋305～DK25＋360段埋深1.88～5.83 m，二线DyK25＋285～DyK25＋332段埋深0.47～2.59 m，左右线隧道净距小，埋深浅，且超近距离下穿水库库尾，地下水丰富，施工安全风险极高，隧道与水库平面位置关系如图1所示。

图1 隧道与水库平面位置

依据工程地质调绘及地质钻探，隧道超近距离穿越水库区段地层岩性主要为白垩系上统塘上组粉砂岩、凝灰岩。该区域围岩主要为侏罗系上统西山头组凝灰岩，岩体破碎，岩质较软，围岩级别为Ⅴ级。本文针对该段隧道的施工提出“明拱暗墙-短台阶法”，并采用数值模拟和现场监测相结合的方法，以DyK25＋320为研究断面，对其施工力学进行研究。

3 “明拱暗墙-短台阶法”工法特点

超浅埋铁路隧道下穿既有水库“明拱暗墙-短台阶法”在施工前先进行地表水的抽排，以便后续施工的正常进行，主要包括以下6个步骤:拱部明挖→施作护拱及其防水层→回填碎石土→隧道上台阶开挖→下台阶开挖→施作二次衬砌，其施工工序如图2所示。该工法其特点在于充分利用护拱对上覆岩土体的承载能力，有效控制了围岩变形，保证施工安全。同时，隧道的开挖采用上下短台阶法，工序简单，施工机械设备操作空间充足，提高了施工进度，便于隧道快速通过下穿既有水库段，具有明显的技术经济性。

图2 “明拱暗墙-短台阶法”施工工序

支护结构采用Ⅴ级围岩加强复合式衬砌，其衬砌断面如图3所示，其中护拱和二次衬砌厚度分别为60 cm和45 cm，材料为C35钢筋混凝土，初期支护参数如表1所示。

图3 衬砌断面图(单位：cm)

表1 初期支护参数

4 超浅埋铁路隧道下穿既有水库数值计算分析

4.1 三维数值计算模型的建立

进行三维数值计算时，设定水平方向为X轴，纵深方向为Y轴，竖直方向为Z轴。选取模型边界与隧道的距离为3～5倍洞径，根据牛和岭隧道超近距离下穿既有水库段的地质情况，确定模型的尺寸为宽×高＝110 m×60 m，纵深Z＝60 m，隧道埋深3.0 m，左右线隧道净距20 m。对模型X及Y方向的两个边界和Z方向的下边界施加位移约束，上边界为自由边界，模型如图4所示。开挖方法为“明拱暗墙-短台阶法”，结合实际施工，确定开挖进尺1 m，台阶长度6 m，正线与二线同步施工，以断面Y＝30 m(DyK25＋320)为研究断面。

图4 数值计算模型(单位：m)

4.2 物理力学参数

模型中围岩采用实体单元模拟，本构模型为mohr-coulomb弹塑性模型，护拱及隧道衬砌同样采用实体单元模拟，选择弹性模型。在进行初期支护物理力学参数选取时，不考虑钢筋网的作用，同时将钢架按等效刚度原则折算到喷射混凝土中，得到围岩及支护结构物理力学参数如表2所示。

表2 围岩及支护结构物理力学参数

本文在进行数值计算时，考虑到实际施工情况及分析软件的特点，对模型进行如下简化:(1)模型中所有材料均为连续、均一的理想体；(2)考虑到在施工前已将地表水抽排掉，且为超浅埋隧道，因此在施工阶段不考虑水的渗流作用；(3)计算时初始应力场仅考虑自重应力，不考虑构造应力场的影响。

4.3 计算结果及分析

4.3.1 围岩变形分析

为探究“明拱暗墙-短台阶法”在施工过程中的围岩变形演变规律及最终变形量，本文对断面DyK25＋320(Y＝30 m)设置8个监测点:拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右边墙及仰拱，监测点布置如图5所示，由于对称性，本文仅对二线隧道进行监测，围岩竖向位移及水平收敛时程曲线如图6所示。

图5 围岩变形监测点布置

图6 围岩变形时程曲线

从宏观角度来看，围岩变形主要发生在二次衬砌施作之前，在施作二次衬砌后围岩变形基本稳定，不再发生大幅波动。最大竖向位移值26.44 mm，为仰拱隆起，最大水平收敛12.23 mm，发生在拱脚位置处。在动态演变方面，1＃开挖后，拱顶、拱腰及仰拱的竖向位移急剧上升，变形速率较大，在该阶段发生的位移占到其总位移的30% ～45%，在2＃开挖后，其变形速率减小，并逐渐收敛，说明1＃的开挖是引起上述三个测点产生竖向位移的主要原因；对于水平收敛，可以发现1＃开挖后拱脚处的水平收敛急剧上升，2＃开挖后边墙处的水平收敛进入陡增阶段，说明拱脚处的水平收敛主要是由1＃开挖导致，边墙处的水平收敛主要是由2＃开挖所引起的。这里值得注意的是，拱腰处的水平收敛在整个施工过程中均没有发生较大波动，且最终收敛值仅为0.06 mm，这是因为护拱作为一个矢跨比为0.32拱形结构，在受到上覆岩土体的荷载后，会在其脚部产生朝洞外方向的水平推力，极大地抑制了拱腰处的水平收敛。

为了探究护拱的支护效果，本文采用相同的模型进行数值计算，在施工中不进行护拱的施作，得到无护拱工况下的围岩变形云图如图7所示。

图7 无护拱工况下围岩变形云图(单位：m)

由图7可知，在有护拱的工况下其围岩变形均小于无护拱工况，说明护拱对上覆岩土体起到了良好的承载作用，有效地控制了围岩变形。其中，最为明显的是拱顶下沉和拱腰水平收敛，其减幅分别达到42.77%和98.93%。

4.3.2 地表沉降规律分析

对于超浅埋隧道，地表沉降是一个判定隧道施工安全性的重要指标。研究断面横向地表沉降如图8所示。

图8 横向地表沉降曲线

地表沉降曲线呈现出明显的对称性，表现出“双峰”特征，基本符合Peck沉降曲线分布规律，其峰值位置出现在隧道中线处。文中双线铁路隧道D/L＝0.28(D为隧道中心到地表距离，L为两隧道中线距离)，其外观形态为较陡峭的“W型”，这与文献[12]针对双线浅埋隧道的地表沉降规律研究成果较为吻合。从演变规律来看，当1＃到达研究断面时，峰值为2.68 mm；当2＃到达研究断面时，峰值为7.62 mm；分别占到最终峰值的21.27%、60.48%，说明1＃的开挖所引起的地表沉降占较大的比重，施工中要尤为注意。从最终峰值来看，有护拱工况为12.60 mm，无护拱工况为19.27 mm，减幅为34.61%，说明护拱对地表沉降也有明显的控制效果。

5 现场实测数据分析

在牛和岭隧道超近距离下穿既有水库段的施工中，采用“明拱暗墙-短台阶法”，对其围岩变形及护拱内力特性进行了监测，本文针对断面DyK25＋320二线隧道的实测数据进行分析研究。

5.1 围岩变形监测

围岩变形现场监测项目包括:拱顶下沉、拱脚水平收敛及边墙水平收敛。其测点布置如图9所示，变形时程曲线如图10所示。

图9 围岩变形现场监测点布置

图10 围岩变形时程曲线

根据围岩变形时程曲线分布规律，可将其变形过程分为3个阶段:陡增阶段、缓增阶段及稳定阶段。对于拱顶下沉及拱脚水平收敛，当1＃开挖后即进入陡增阶段，其变形急剧增长，最大变形速率分别为1.7 mm/d、1.6 mm/d，该阶段所产生的变形量分别占到其总变形量的76.72%、82.08%；当2＃开挖后，初期支护封闭成环，变形速率减小，进入缓增阶段并逐渐收敛。对于边墙水平收敛，当2＃开挖后进入陡增阶段，最大变形速率为1.0 mm/d。在2＃开挖后的15 d左右，围岩变形基本稳定，进入变形稳定阶段。从最终变形量来看，拱顶下沉为11.6 mm，拱脚水平收敛为10.6 mm，边墙水平收敛为6.3 mm，均在变形允许范围内。无论是围岩变形的演变规律，还是各监测项目的最终变形量，数值计算与现场实测结果均高度吻合，说明前文的数值计算具有一定的可靠性。

5.2 护拱内力特性监测

在“明拱暗墙-短台阶法”的施工中，护拱的施作要早于暗洞开挖，其承载能力也是保证施工安全的关键。护拱内力特性监测项目包括钢筋轴力和混凝土应力，测试元件分别为钢筋应力计、混凝土应变仪，监测点布置如图11所示。

护拱钢筋轴力及混凝土应力时程曲线如图12所示。

图11 护拱内力监测点布置

图12 护拱内力时程曲线

在力学演变规律上，当1＃开挖后，护拱内力急剧上升，且该阶段其内力占到最终值的70%左右，是施工过程中的一个关键步骤，要加强在该阶段的监测力度；当2＃开挖后，护拱内力也会产生一定的波动，且内力增长速度逐渐减小直至收敛，在2＃开挖后15 d左右，护拱内力基本稳定，这与上文围岩变形规律是吻合的。护拱内力特征表现为:整体受压，拱顶内力大于拱肩，左右拱肩内力相差不大，表现出一定的受力对称性。从最终内力值来看，钢筋轴力为-46.95 kN，混凝土应力为-8.49 MPa，分别为其材料设计强度的37.38%和32.65%，说明护拱还有继续承载的能力，结构安全性满足要求。

6 结束语

(1)针对超浅埋铁路隧道下穿既有水库施工经验缺乏的现状，提出“明拱暗墙-短台阶法”，有效地保证了施工安全，实现快速通过下穿段。

(2)护拱对上覆岩土体起到了良好的承载作用，明显减小了地表沉降及围岩变形，其中最为显著的是拱顶下沉和拱腰水平收敛，减幅分别达到42.77%、98.93%。

(3)采用数值模拟和现场监测相结合的方法对其施工力学进行了研究，结果表明，上台阶的开挖是整个施工的关键，地表沉降、围岩变形和护拱、内力急剧增长，且在该阶段所产生的量值占比较大；下台阶开挖后12～15 d，各量值基本收敛，进入稳定阶段。

(4)基于现场力学特性测试数据，护拱内力特征表现为:整体受压，拱顶内力大于拱肩，左右拱肩内力呈现出一定的对称性；钢筋轴力和混凝土应力分别占到其材料设计强度的37.38%和32.65%，护拱具备继续承载的能力，满足安全要求。