營盤路湘江隧道

第９卷第４期

２０１２年８月

鐵道科學與工程學報

ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡｌＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖｏ１．９ ＮＯ．４

Ａｕｇ．２０１２

營盤路江底大跨隧道施工安全性分析

高林 ，施成華 ，彭立敏 一。雷明鋒 ，安永林

（１．中南大學土木工程學院，湖南長沙４１００７５；

２．湖南城建職業技術學院市政與路橋工程系，湖南湘潭４１１１０１；

３．高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙４１００７５；

４．湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭４１１２０１）

摘要：以長沙市營盤路湘江隧道西岸南線Ａ型大跨段為實例，對復雜條件下淺埋大跨江底隧道的施工安全性進行具體分

析。研究結果表明：在未采取任何地表加固措施的條件下，采用雙側壁導坑法進行南線Ａ型大跨Ｒ－ｒ－時，地表沉降達７２

ｍｍ；臨時支撐拆除時，初期支護軸力、彎矩和剪力增大明顯，結構不能滿足安全要求，還需采取加固措施。

關鍵詞：復雜條件；淺埋；大跨；雙側壁導坑法；地表沉降

中圖分類號：Ｕ４５８．１ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１６７２—７０２９（２０１２）０４—００８４—０５

Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｙｉｎｇｐａｎ Ｒｏａｄ ｌａｒｇｅ——ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｒｉｖｅｒ

ＧＡＯ Ｌｉｎ ， ，ＳＨＩ Ｃｈｅｎｇ—ｈｕａ ，ＰＥＮＧ Ｌｉ—ｍｉｎ ’ ，ＬＥＩ Ｍｉｎｇ．ｆｅｎｇ ，ＡＮ Ｙｏｎｇ—ｌｉｎ

（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｈｕｎａｎ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ａｎｄ Ｒｏａｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｔａｎ ４１ １ １０１，Ｃｈｉｎａ；

３．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＨｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ；

４．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｙｐｅ Ａ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｓｔ ｓｈｏｒｅ ｏｆ ｓｏｕｔｈ ｔｕｂｅ ｏｆ Ｘｉａｎｇｊｉａｎｇ ｒｉｖｅｒ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ

Ｙｉｎｇｐａｎ ｒｏａｄ ｉｎ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｃｉｔｙ ｉｓ ａ ｓｈａｌｌｏｗ—ｂｕｒｉｅｄ，ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔａｋｅ—

ｉｎｇ ｉｔ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｗｏｕｌｄ ｒｅａｃｈ ７２ ｍｍ，ｗｈｅｎ ｄｏｅｓｎ’ｔ ｔａｋｅ

ａｎｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｘｃａｖａｔｅ ｔｙｐｅ Ａ ｌａｒｇｅ

—ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅ１．Ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｐｐｏ￣ｏｆ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ，ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃ－

ｔｕｒｅ ｃａｎ’ｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｒｅｍｏｖｅｓ．Ｓｏ ｉｔ ｓｔｉｌｌ ｎｅｅｄ ｔａｋｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｓｈａｌｌｏｗ—ｂｕｒｉｅｄ；ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ；ｂｏｔｈ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅ—

ｍｅｎｔ

進入２１世紀以來，我國國民經濟進入快速發

展的階段，對市政、交通、水利、等基礎設施的建設

需求不斷增加，其中，隧道占很大的比例，這在很大

程度上推動了隧道建造技術的發展，特別是大斷面

隧道的相關建造技術的發展尤為突出¨Ｉ９ ，如文獻

［１］對金沙洲大斷面隧道下穿淤泥質軟弱地層進

行了室內試驗研究，優化出合理的設計和施工技術

方案。文獻［２］以武廣高速鐵路獅子石隧道為例，

探討了高速鐵路雙線大斷面隧道在軟弱圍巖條件

下的施工技術與處理方法。文獻［３］以地鐵停車

區間淺埋暗挖隧道施工為研究對象，采用ＦＬＡＣ有

限差分軟件對九步雙側壁導坑法、六步雙側壁導坑

法和ＣＲＤ法的圍巖及中巖墻位移、應力以及地表

沉降等規律進行了對比分析，得出采用六步雙側壁

導坑法能夠達到施工控制要求。文獻［５］針對宛

坪高速公路六車道大跨度雙連拱隧道具體條件，通

收稿日期：２０１２～０５—１６

作者簡介：高林（１９８５一），男，湖南常德人，碩士，從事隧道及地下工程的研究

第４期 高林，等：營盤路江底大跨隧道施工安全性分析 ８５

過埋設量測元件對隧道結構施工全過程進行監測，

獲得了在施工偏壓條件下各施工階段的圍巖應力、

變形、中墻內力及其變化情況。文獻［６］對北京地

鐵５號線崇文門站采用暗挖法下穿既有地鐵隧道

施工進行了研究，結果表明：施工引起的既有地鐵

隧道結構變形以沉降為主，沉降主要發生在導洞施

工階段。國內對于各種地質條件下大斷面隧道的

施工技術已比較成熟，但對于江底大跨隧道施工的

相關經驗還比較少。本文以長沙市營盤路湘江隧

道西岸南線Ａ型大跨段為實例，對現場所采用的

雙側壁導坑法的施工安全性進行三維數值評估，以

期為類似工程提供借鑒。

１ 工程概況

１．１工程簡介

長沙市營盤路湘江隧道位于銀盆嶺大橋和橘

子洲大橋居中偏南位置，東西走向，分別穿越長沙

“三橫五縱”快速路網中兩縱一瀟湘大道和湘江大

道，距上游橘子洲大橋約１．３ ｋｍ，距下游銀盆嶺大

橋約２．１ ｋｍ。主線西起咸嘉湖路，下穿瀟湘大道、

傅家洲、橘子洲和湘江大道，東接營盤路，該段湘江

江面寬約１．４ ｋｍ。隧道分南北兩線，北主線隧道

全長３．０ ｋｍ，南主線隧道全長２．７ ｋｍ，主線隧道單

洞跨度１０．１ ｍ，屬大跨水下隧道，其最大縱坡

５．９５％。受周邊道路、環境的影響，整個線路設置

Ａ，Ｂ，Ｃ和Ｄ匝道，匝道在暗挖段與主線相交。西

岸設進口匝道Ａ、出口匝道Ｂ，接主線北側的瀟湘

北路；東岸設出口匝道Ｃ、進口匝道Ｄ，進口匝道接

主線南側的湘江中路，出口匝道接主線北側的湘江

中路；４個匝道路線總長為２．７ ｋｍ，最大縱坡為

６．９８％，工程地理位置見圖１。

圖１工程地理位置

Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ

１．２設計概況

營盤路湘江隧道西岸工區大跨主要存在如下

幾種形式：南北線Ｂ型大跨ＤＫＢ型正常段、南線Ｂ

型到Ｃ型ＤＫＢ型漸變段、南線Ａ型大跨ＤＫＡ Ｉ型

正常段、南線ＤＫＡ Ｉ型、北線Ａ型大跨ＤＫＡｍ型正

常段和北線ＤＫＡＩＵ型。南線Ａ型大跨ＤＫＡ Ｉ型正

常段施工參數見圖２。

（單位：ｒａｍ）

圖２ ＤＫＡ Ｉ型襯砌斷面圖

Ｆｉｇ．２ Ｌｉｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ＤＫＡ Ｉ ｔｙｐｅ

西岸湘江隧道大跨處地質條件復雜，南線Ａ

型大跨處上覆土層自上而下為雜填土、粉質黏土，

隧道所處土層主要為強風化板巖，在仰拱底部一定

深度范圍內為中風化板巖。

２隧道施工過程模擬

２．１施工過程模擬

本文以南線Ａ型大跨段為例，對雙側壁導坑

法進行具體施工模擬。具體計算施工工序見圖３

和圖４。

圖３各部名稱示意圖

Ｆｉｇ．３ Ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ

①部

②部

③部

④部

⑤部

⑥部

⑦部

⑧部

⑨部

０ ５ ｌ０ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５

開挖進度／ｍ

圖４雙側壁導坑法施工工序圖

Ｆｉｇ．４ Ｂｏｔｈ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉａ—

ｇｒａｍ

第４期 高林，等：營盤路江底大跨隧道施工安全性分析 ８７

表２拆撐前分析斷面初期支護安全系數計算結果

Ｔａｂｌｅ ２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｈｏｒｉｎｇ ｆｒｏｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ

表３ 拆撐后分析斷面初期支護安全系數計算結果

Ｔａｂｌｅ ３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｈｏｒｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ

（３）對比表２及表３可知：臨時支撐拆除前，７

個典型部位的軸力在一２ ０００ ｋＮ左右；最大軸力出

現在右邊墻位置，為一２ ４１２．４６ ｋＮ；剪力大都在７０

ｋＮ左右；最大剪力出現在拱頂部位，為

一ｌ１４．２５ ｋＮ，彎矩最大值亦出現在拱頂位置，為

１５４．３７ ｋＮ?ｍ，并且安全系數都滿足要求，但在拱

頂和邊墻部位較小；臨時支撐拆除后，７個典型部

位的軸力、剪力和彎矩均有很大幅度增大，軸力最

大達一４ ２４１．０７ ｋＮ，并位于右拱腳部位；剪力最大

達～６４４．４６ ｋＮ，并位于拱頂位置；彎矩最大已達

２４４．０９ ｋＮ?ｍ，并位于左拱腰部位。除隧底安全

系數較大外，其他部位的安全系數均較小，特別是

拱頂及左拱腰部位抗剪安全系數小于１，這說明臨

時支撐拆除后，初期支護拱頂及左拱腰部位可能會

因受剪而破壞，同時表明拆除臨時支撐是不安全

的。

３．２地表沉降分析

圖９所示為分析斷面處地表沉降隨施工步變

化曲線圖。

由圖９可知：沉降曲線均大致以大跨隧道中線

為對稱軸呈對稱分布，且沿隧道軸線基本均勻分

布。隨著隧道開挖的進行，沉降槽的深度逐步增

大，尤其是隧道中線處的沉降增大最明顯，現以隧

道中線地表沉降為分析點，研究分析斷面處隧道各

部開挖引起的地表沉降規律。

…ｏ．－開挖前—一①部開挖—★呷②部開挖一…③部開挖

一一④部開挖—一一⑤部開挖一一⑥部開挖一⑦部開挖

⑧部開挖一⑨部開挖

距離，ｍ

Ｏ ２０ ４Ｏ ６Ｏ ８０ ｌｎＯ

Ｏ

｛墅

羹一ｓｏ

－７５

圖９地表沉降隨施工步變化曲線圖

Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ＳＩｌｌ￣ａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ

ｃｈａｎｇｅ ＣＨＩＶｅ

隧道各部的開挖對地表沉降的影響要大于臨

時支撐的拆除對地表沉降的影響，其中以⑤部的開

挖影響最為明顯，占隧道開挖引起地表總沉降的

１７．３３％。隧道開挖完成后，斷面地表沉降最大達

一７２．５２ ｍｉｌｌ。由于該隧道位于瀟湘大道下面，如

此大的沉降對路面的影響不容忽視，不僅影響到行

車安全，甚至有可能造成路面開裂，施工是不安全

８８ 鐵道科學與工程學報 ２０１２年８月

的。

４結論

（１）采用雙側壁導坑法對營盤路湘江隧道西

岸南線Ａ型大跨進行開挖時，開挖引起的地表沉

降非常明顯，隧道開挖完成后，總沉降最大已達

一７２．５２ ｍｍ，其中導洞⑤部的開挖引起的地表總

沉降占隧道開挖引起地表總沉降的１７．３３％，對地

表沉降的影響最大。

（２）從初期支護臨時支撐拆除前后受力變化

情況及安全系數的變化來看，臨時支撐拆除后，隧

道初期支護所受到的軸力、彎矩和剪力均增大很明

顯，初期支護拱頂和左拱腰部位安全系數出現小于

１的情況，這表明臨時支撐拆除后洞內有可能出現

塌方事故。

（３）通過模擬計算分析，建議營盤路湘江隧道

西岸南線Ａ型大跨施工時，應先對地表圍巖采取

一定的加固措施后再進行隧道開挖；同時，隧道開

挖時應加強支護。

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