摘 要：在国内，建设穿越火车站的超浅埋大跨度城市公路隧道，云集隧道尚属首例，本文从如何控制地表沉降以保证地表构筑物的安全的角度详述了云集隧道火车站段的设计与施工，提出了安全有效的设计方案和施工工法，总结了成功的经验与体会。对类似工程的建设具有一定的参考价值。
关键词：穿越火车站 超浅埋隧道 加强减震 控制爆破
1. 工程概况
云集隧道位于宜昌市东北方，是连接宜昌市开发区和老城区的重要通道，道路等级为城市主干道II级。隧道为单向两车道，隧道全长1458m。隧道内轮廓为曲墙三心圆式，净跨10.5m，净高6.35m。如图1所示：
图1 隧道建筑限界内轮廓图
隧道沿宜昌市火车站站前台阶中间绿化带中心线穿越台阶、站前广场、候车大厅、铁路站台、股道、体育馆路、运河至隧道出口。隧道工程地处长江I~IV级阶地，标高60~150m，相对高差60~80m，自然坡度平缓，地表风化严重，植被较茂密。隧道进口地处长江II级阶地上，高程70~85m；洞身及出口段位于长江III、IV级阶地上，高程125~150m。
2. 隧道穿越火车站段工程地质及周边环境简述
云集隧道进口DK0+177~DK0+330段，长153m，为隧道穿越火车站段，该段工程地质复杂，表层为第四系上更新统（A1Q3），粉质粘土、粉土，黄褐色，硬塑；下部为卵石土，厚1~2m，总厚度10~16m。粘性土层呈可塑~硬塑状，含少量上层滞水。下伏基岩为白垩系下统五龙组（K1W）粉砂岩、细砂岩，夹泥岩，砖红色、青灰色，薄至中厚层状。水文地质条件为贫水区。其工程地质纵断面图如图2所示：
根据该段围岩的岩层情况及岩体的物理力学特性，围岩类别划分为：DK0+177~+250,II类，DK+250~+330，III类。该段隧道覆盖层厚仅4~16m，上覆岩体破碎、较弱，自稳及成拱能力差，属典型超浅埋大跨度隧道。隧道上部地表有火车站广场、候车大厅、站台、股道及其它人工构筑物，其中候车大厅建成于1972年，其结构尺寸为40m（宽）×18m（深）×17m（高），基础持力层为压实砂质填积土层，基础为浆砌片石条形基础，基础埋深较浅，基底至室内地坪的平均深度为0.78n，基础未设地圈梁。候车大厅结构为独立砖柱承重，18m梯形屋架上铺钢筋混凝土槽形板，屋盖系统中屋架下弦设有水平支撑，端部设有简易砖砌垂直支撑，候车大厅现状评价为基本完好房。该候车大厅为火车站唯一的旅客候车设施。因此，施工期间保证站厅安全运营至关重要。鉴于候车大厅整体刚度较差，基础对不均匀沉降特别敏感，隧道施工中如何确保火车站站房等地表建筑物的安全，是该段隧道设计的重点、难点。
图2 云集隧道进口段工程地质纵断面图
3. 超浅埋隧道段结构设计
鉴于本段围岩软弱，埋深浅（4~16m），隧道跨度较大（开挖跨度12.5m），且地表为宜昌火车站广场、站房和股道，因此，结构设计时，应从工程地质条件、隧道施工方法、支护手段、支护结构的强度和刚度等方面综合考虑，以确保地表构筑物及洞内施工安全。本隧道按新奥法组织设计与施工，采用复合式衬砌结构。为使隧道顺利通过该浅埋段，结构设计时初期支护采用喷锚网加型钢支撑，施工时要求喷射混凝土作业紧跟开挖面，尽早封闭暴露围岩，型钢支撑作为初期支护的加强措施，施工时要求与围岩应尽量密贴。复合式衬砌主要支护参数见表1。
复合式衬砌主要支护参数表 表1
复合式衬砌各项支护参数系根据隧道埋置深度、围岩类别、地层参数、隧道跨度及受力特征，并类比国内外类似工程经验及结合弹塑性有限元计算结果综合分析拟定的。本设计采用弹塑性有限元程序对初期支护结构进行了验算。计算采用连续介质平面应变问题分析隧道各类围岩及喷锚初期支护的应力场及位移场，计算范围取2~2.5倍隧道洞径。数值分析时将围岩离散为8节点等参单元，喷层和锚杆离散成杆单元，采用Mohr-Coulomb准则计算围岩介质非线性性质。计算结果表明：隧道所选支护参数是合适的。
为保证复合式衬砌在使用过程中的安全，考虑到在某些特殊情况下（如一些锚杆经长期地下水作用而锈蚀、软弱围岩的残余变形及蠕变等），二次模筑层有可能承受较大的围岩压力作用，因此对二次模筑单独受力时的强度进行了验算。计算荷载按《公路隧道设计规范》取用，内力计算采用直接刚度法电算程序进行，强度校核按《公路隧道设计规范》中有关规定办理。计算结果表明：II类加强段衬砌拱墙须配筋，III类加强段二次衬砌拱部须配筋。
为使隧道安全顺利地通过该浅埋段，考虑到目前国内施工机具情况及施工技术水平，结合该段的工程地质及水文地质条件，设计时分段采取了相应的辅助施工措施。
（1）里程在DK0+177~+217段，长40m，采用长管棚注浆超前预支护，并辅以型钢钢架支撑。长管棚由外径Φ108，壁厚6mm钢管组成，环向间距0.4m，每孔钢管长度为40m，拱墙共设51根。型钢钢架支撑采用I16工字钢架，每榀间距为0.5m，钢架之间采用Φ22纵向连接筋连接，连接钢筋环向间距1.2m。二次衬砌采用II加类衬砌。
（2）里程在DK0+213~243段，长30m，采用吉迈自进式锚杆超前支护，锚杆R32，杆长5m，环向间距0.4m，外插角5~10º，水平搭接长度1m。型钢钢架支撑，每榀间距0.5m。二次衬砌采用II加类衬砌。
（3）里程在DK+240~+280段，长40m，采用周边预注浆加固地层，注浆管采用Φ108，长12.5m的无缝钢管，均匀地布置在隧道的周边，每环共11根，共四环。钢架支撑采用I16工字钢架，每榀间距0.5m.。二次衬砌DK0+240~+248段采用II加类衬砌，DK0+248~280段采用III加类衬砌。
（4）里程在DK+280~+330段，长50m，采用短管棚超前支护，短管棚钢管为Φ42无缝钢管，管长5.1m，环向间距0.4m。格栅钢架支撑，每榀间距0.5m，二次衬砌采用III类衬砌。
采取适当的施工方法是本段控制地表沉降的关键因素，我们进行了台阶法、CD法、双侧壁导坑法这几种施工方案的计算、分析、比较，计算结果表明，采用台阶法施工地表沉降量大，法次之，双侧壁导坑法较小，据此并结合国内外类似工程经验，设计中推荐采用双侧壁导坑法。
4. 隧道穿越火车站段施工
为确保车站站房的安全，有效控制地表沉陷，结合浅埋隧道施工经验，本段施工严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行施工，施工时，结合现场实际情况将本段划分为以下几个区段，分别采取不同的施工措施进行施工。
4.1 里程在DK0+177~+217段，40m长管棚注浆超前预护。该段覆盖层厚度4~14m。长管棚施工时，首先进行洞口工程的施工，隧道洞口施工时，在临时边、仰坡面（临时边仰坡坡率为1:0.3~1:0.5），采取打设小导管注浆、坡面挂网喷混凝土的边仰坡加固处理措施，由于洞口段卵石土层及回填块石土层较厚，坡面小导管注浆效果明显，浆液填充饱满，为进行洞门端墙及洞口端墙施工提供了安全保证，并为洞口部分长管棚钻孔减孔提供了有利条件，洞门端墙（厚3m）及导拱同时施工完成，它既是长管棚施工的导向墙，又是长管棚注浆时的止浆墙，但施工时未埋设长管棚孔口管，加之施作长管棚段拱部围岩为第四系上更新统冲积层（A1Q3）砂粘土、粘土和卵石土层，施工钻孔时成孔困难，时有卡钻、断钻现象的发生，钻孔方向未得到有效的控制，拱部部分管棚在进至25m左右有侵限现象发生。本段施工方法，设计中推荐采用双侧壁导坑先墙后拱法，在实际施工过程中，由于双侧壁导坑法施工存在工序多、工序之间干扰大、施工进度慢等弱点，结合现场实际情况，本段施工方法采用了上弧导环形开挖留核心土人工开挖。在开挖施工过程中，虽采用无爆破开挖，且每循环进尺仅0.5m，并及时施作初期支护，但由于注浆加固带已偏离设计位置，开挖时破坏部分已加固地层，故监控测量中显示此段地表沉降量较大，最大沉降量达55mm。
4.2 里程在DK0+217~+230段，覆盖层厚度14m，开挖揭示，洞周围岩为砂粘土和风化泥岩，施工时按设计施作了吉迈全螺自进式锚杆超前支护，人工开挖，每循环进尺0.5m后即施作初期支护，施工过程中，监控量测数据显示地表最大沉降量为32mm。
当隧道施工至里程DK0+230时，工作面已进至火车站站前广场下方，从地表中心桩沉降观测结果分析，结合地表人工构筑物的抗变形、抗破坏能力考虑，若按原方案继续施工，难以保证火车站候车大厅的安全，势必影响工程的进展，鉴于此，结合隧道工程地质的变化、监控量测结果分析及现场实际情况，对DK0+230~+280段的增强支护措施进行了相应的变更设计，变更设计内容如下。
（1）取消原设计DK0+230~243段的洞内周边预注浆加固。
（2）洞内全断面采用短管棚超前预支护，设计参数为：钢管为Φ89热轧无缝钢管，壁厚δ=5mm，环向间距中至中为40cm，长度L=10m，外插角20º，水平搭接长度3.5m，注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆。
（3）为提高钢架的整体刚度，控制沉陷，钢架纵向连接筋的环向间距调整为80cm。
（4）考虑到径向锚杆和钢架的配合，洞内径向锚杆间距调整为纵×环50×100cm。
（5）开挖进尺每循环0.5m。
（6）二次衬砌紧跟，及时闭合。
本变更设计采用2D-σ有限元分析软件对该段进行了二维有限元结构计算和分布开挖模拟分析，计算分析结果显示，地表下沉最大值发生在线路中线位置，其值为9.7mm。
4.3 里程在DK0+230~+248段，覆盖层厚度)-#，地表主要建筑物为宜昌火车站站前广场，围岩地质为砂粘土与风化泥岩的交互层，存在顺层滑动面，为防止工作面岩层滑动坍塌，开挖仍采用无爆破环向切槽导坑法开挖，每循环进尺"$1#，为防止开挖后初期支护喷混凝土强度成长慢、拱顶悬空加大，在拱部施设!)$. 钢管扇形支撑，同时二次衬砌紧跟，稳扎稳打，谨慎施工。监控量测结果显示，采用此方案施工，洞内外沉降量均很小（见施工监控量测结果表）。
4.4 里程在DK0+248~+261段，覆盖层厚度14m，此段为车站广场向候车大厅过渡段（候车大厅前墙对应里程为DK0+260），由于砂岩层上升，拱顶以下1.8m为软弱风化砂粘土泥岩，拱腰以下为III类砂岩，人工采用岩石破碎机开挖已无法实施。鉴于此时接近车站春运，火车站及宜昌市方面均要求施工不准爆破，结合专家组意见，本段施工开挖采用无声静态爆破方法，机械打眼、人工装膨胀剂、爆破后人工用破碎机械破碎开挖。静态爆破开挖采用JC-1系列静态爆破剂。静态爆破钻孔参数如下：孔径D=40mm；孔深：由于需破碎基岩范围大，故将其分层、分段破碎，每层厚0.8m，每段长1m，孔深为L=0.84m；孔距：a=30cm；抵抗线：w=40cm，由于基岩自由面少，整体性强，所以布孔采用锅底形。本段施工开挖及支护顺序如图3。
（1）施作短管棚超前支护（此段短管棚搭接长度调整为5m）。
（2）开挖左、右拱腰部分I。
（3）开挖拱顶部分I’。
（4）安设工字钢架A、B单元，打设系统锚杆，挂网喷混凝土；
（5）在核心土架设拱部Φ108钢管临时扇形支撑，以上四步每循环进尺0.5m；
（6）拱部进尺4.5m后开挖II部，接上工字钢架C、D单元，挂网喷混凝土；
（7）每4.5m循环初期支护施工完毕后，封闭掌子面及核心土正侧面，施作下一循环短管棚。
图3 上弧导环形开挖留核心土开挖支护方案图
本段按此方法施工，监控量测结果显示，施工该地段时地表最大沉降量为8mm。
4.5 里程在DK0+261~+330段，覆盖层厚度为15m。其中DK0+261~+280段为隧道穿越候车大厅段，DK0+28030段为隧道穿越站台、股道段，此时前部洞口段的结构已全部按设计要求施工完成，洞室已经形成稳定的结构，而此段隧道洞身已基本完全处于基岩中，且围岩坚硬完整，而前期采用的岩石破碎机开挖和静态爆破等开挖方法，对于较坚硬完整没有临空面的基岩的开挖工效是非常有限的，必将严重影响施工进度，已不适应此段施工开挖，加之近年来控制爆破技术已非常成熟，可以把包括爆破振动在内的各种爆破危害加以有效的控制。因此本段隧道采取控制爆破施工有其必要性和可行性。为此，进行了控制爆破试验，试验取得了圆满的成功，不仅候车大厅安然无恙，并且达到了爆破试验的预期目的：①总结出了合理的爆破参数；②推导出了火车站段的场地系数K、а值。这些参数为爆破施工方案的设计提供了理论依据。云集隧道控制爆破试验的成功，充分说明了在隧道穿越火车站段进行控制爆破施工时可行的，也是安全的。因此，本段隧道施工采用加强减震控制爆破技术进行施工开挖。
爆破安全规程中对各类建筑物和构筑物所允许的安全振动速度作了详细的规定。通过对候车大厅的结构特征分析，候车大厅属于一般砖房、非振动的大型砌块类建筑，查得其安全振动速度应为2~3cm/s。考虑到候车大厅的特殊功能，应对爆破振动速度进行加强控制。根据以往的成功经验，施工时采取的安全振动速度v=0.8cm/s。为确保候车大厅的绝对安全，在爆破施工中采用了如下加强减振控制爆破措施：
（1）短进尺，易于控制地表沉降。DK0+261~+290段爆破循环进尺为DK0+290~330段爆破循环进尺为1.0m；
（2）炮眼采用减震的楔形掏槽形式；
（3）炮孔采用线性布置；
（4）采取微差爆破；
（5）加强炮孔堵塞；
（6）采用先拱后墙中间留核心土区的开挖方法，此方法可以及时地在拱部形成初期支护，有效地控制地表沉降。爆破分区开挖如图4。
其施工顺序为：
① 施作短管棚超前支护；
②先开挖左右侧的拱腰部分I、I’区，然后开挖左右两侧拱腰上部的II、II’区；
③再开挖拱顶中部的III区；
图4 爆破开挖分区图
④安设钢架A、B单元，打设径向锚杆，挂网喷混凝土；
⑤开挖IV、IV’区，接上钢架C、D单元，挂网喷混凝土。
⑥开挖核心土，施作二次衬砌，施作下一循环短管棚。
本段监控量测结果表明，隧道爆破施工对地表建筑物基本没有影响，地表沉降控制效果非常好。施工监控量测数据见表2、表3。
地表中心桩最大沉降数据表 表2
拱顶下沉及周边收敛数据表 表3
云集隧道施工顺利通过火车站段证明，该段设计中采取的超前支护措施是成功的，结构参数选取是正确的，采用的施工方案是适当的。
5. 结论
（1）对于城市道路超浅埋大跨度隧道设计，由于地表建筑物多且建筑物结构及安全情况复杂，地面道路纵段交错，表面荷载较大，围岩成拱能力有限，为稳定围岩，防止开挖塌方，开挖前可采用长、短管棚注浆超前支护或其它超前支护措施对围岩进行预加固，开挖后可通过加强初期支护以及快速封闭初期支护以控制围岩早期变形，从而有效地控制地表沉降，保证地表建筑物的安全及使用功能不受影响。
（2）由于地面建筑物不容许地面出现较大沉降，因此，隧道开挖时，必须采取短进尺、分部开挖的办法，开挖方法根据要求可采用人工开挖、微振控制爆破及无声静态爆破等方法，尽量减少对围岩的扰动。
（3）城市道路隧道施工时由于周边环境及地质条件复杂，施工时应加强施工监控量测，并及时反馈以便采取相应的处理措施，确保施工及地面建筑物和居民的安全。
（4）城市隧道超浅埋大跨度隧道的施工应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行施工，以保证施工安全。
参考文献
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田四明
