营盘路湘江隧道

第９卷第４期

２０１２年８月

铁道科学与工程学报

ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡｌＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖｏ１．９ ＮＯ．４

Ａｕｇ．２０１２

营盘路江底大跨隧道施工安全性分析

高林 ，施成华 ，彭立敏 一。雷明锋 ，安永林

（１．中南大学土木工程学院，湖南长沙４１００７５；

２．湖南城建职业技术学院市政与路桥工程系，湖南湘潭４１１１０１；

３．高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南长沙４１００７５；

４．湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭４１１２０１）

摘要：以长沙市营盘路湘江隧道西岸南线Ａ型大跨段为实例，对复杂条件下浅埋大跨江底隧道的施工安全性进行具体分

析。研究结果表明：在未采取任何地表加固措施的条件下，采用双侧壁导坑法进行南线Ａ型大跨Ｒ－ｒ－时，地表沉降达７２

ｍｍ；临时支撑拆除时，初期支护轴力、弯矩和剪力增大明显，结构不能满足安全要求，还需采取加固措施。

关键词：复杂条件；浅埋；大跨；双侧壁导坑法；地表沉降

中图分类号：Ｕ４５８．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：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

进入２１世纪以来，我国国民经济进入快速发

展的阶段，对市政、交通、水利、等基础设施的建设

需求不断增加，其中，隧道占很大的比例，这在很大

程度上推动了隧道建造技术的发展，特别是大断面

隧道的相关建造技术的发展尤为突出¨Ｉ９ ，如文献

［１］对金沙洲大断面隧道下穿淤泥质软弱地层进

行了室内试验研究，优化出合理的设计和施工技术

方案。文献［２］以武广高速铁路狮子石隧道为例，

探讨了高速铁路双线大断面隧道在软弱围岩条件

下的施工技术与处理方法。文献［３］以地铁停车

区间浅埋暗挖隧道施工为研究对象，采用ＦＬＡＣ有

限差分软件对九步双侧壁导坑法、六步双侧壁导坑

法和ＣＲＤ法的围岩及中岩墙位移、应力以及地表

沉降等规律进行了对比分析，得出采用六步双侧壁

导坑法能够达到施工控制要求。文献［５］针对宛

坪高速公路六车道大跨度双连拱隧道具体条件，通

收稿日期：２０１２～０５—１６

作者简介：高林（１９８５一），男，湖南常德人，硕士，从事隧道及地下工程的研究

第４期 高林，等：营盘路江底大跨隧道施工安全性分析 ８５

过埋设量测元件对隧道结构施工全过程进行监测，

获得了在施工偏压条件下各施工阶段的围岩应力、

变形、中墙内力及其变化情况。文献［６］对北京地

铁５号线崇文门站采用暗挖法下穿既有地铁隧道

施工进行了研究，结果表明：施工引起的既有地铁

隧道结构变形以沉降为主，沉降主要发生在导洞施

工阶段。国内对于各种地质条件下大断面隧道的

施工技术已比较成熟，但对于江底大跨隧道施工的

相关经验还比较少。本文以长沙市营盘路湘江隧

道西岸南线Ａ型大跨段为实例，对现场所采用的

双侧壁导坑法的施工安全性进行三维数值评估，以

期为类似工程提供借鉴。

１ 工程概况

１．１工程简介

长沙市营盘路湘江隧道位于银盆岭大桥和橘

子洲大桥居中偏南位置，东西走向，分别穿越长沙

“三横五纵”快速路网中两纵一潇湘大道和湘江大

道，距上游橘子洲大桥约１．３ ｋｍ，距下游银盆岭大

桥约２．１ ｋｍ。主线西起咸嘉湖路，下穿潇湘大道、

傅家洲、橘子洲和湘江大道，东接营盘路，该段湘江

江面宽约１．４ ｋｍ。隧道分南北两线，北主线隧道

全长３．０ ｋｍ，南主线隧道全长２．７ ｋｍ，主线隧道单

洞跨度１０．１ ｍ，属大跨水下隧道，其最大纵坡

５．９５％。受周边道路、环境的影响，整个线路设置

Ａ，Ｂ，Ｃ和Ｄ匝道，匝道在暗挖段与主线相交。西

岸设进口匝道Ａ、出口匝道Ｂ，接主线北侧的潇湘

北路；东岸设出口匝道Ｃ、进口匝道Ｄ，进口匝道接

主线南侧的湘江中路，出口匝道接主线北侧的湘江

中路；４个匝道路线总长为２．７ ｋｍ，最大纵坡为

６．９８％，工程地理位置见图１。

图１工程地理位置

Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ

１．２设计概况

营盘路湘江隧道西岸工区大跨主要存在如下

几种形式：南北线Ｂ型大跨ＤＫＢ型正常段、南线Ｂ

型到Ｃ型ＤＫＢ型渐变段、南线Ａ型大跨ＤＫＡ Ｉ型

正常段、南线ＤＫＡ Ｉ型、北线Ａ型大跨ＤＫＡｍ型正

常段和北线ＤＫＡＩＵ型。南线Ａ型大跨ＤＫＡ Ｉ型正

常段施工参数见图２。

（单位：ｒａｍ）

图２ ＤＫＡ Ｉ型衬砌断面图

Ｆｉｇ．２ Ｌｉｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ＤＫＡ Ｉ ｔｙｐｅ

西岸湘江隧道大跨处地质条件复杂，南线Ａ

型大跨处上覆土层自上而下为杂填土、粉质黏土，

隧道所处土层主要为强风化板岩，在仰拱底部一定

深度范围内为中风化板岩。

２隧道施工过程模拟

２．１施工过程模拟

本文以南线Ａ型大跨段为例，对双侧壁导坑

法进行具体施工模拟。具体计算施工工序见图３

和图４。

图３各部名称示意图

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

开挖进度／ｍ

图４双侧壁导坑法施工工序图

Ｆｉｇ．４ Ｂｏｔｈ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｉａ—

ｇｒａｍ

第４期 高林，等：营盘路江底大跨隧道施工安全性分析 ８７

表２拆撑前分析断面初期支护安全系数计算结果

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

表３ 拆撑后分析断面初期支护安全系数计算结果

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

（３）对比表２及表３可知：临时支撑拆除前，７

个典型部位的轴力在一２ ０００ ｋＮ左右；最大轴力出

现在右边墙位置，为一２ ４１２．４６ ｋＮ；剪力大都在７０

ｋＮ左右；最大剪力出现在拱顶部位，为

一ｌ１４．２５ ｋＮ，弯矩最大值亦出现在拱顶位置，为

１５４．３７ ｋＮ・ｍ，并且安全系数都满足要求，但在拱

顶和边墙部位较小；临时支撑拆除后，７个典型部

位的轴力、剪力和弯矩均有很大幅度增大，轴力最

大达一４ ２４１．０７ ｋＮ，并位于右拱脚部位；剪力最大

达～６４４．４６ ｋＮ，并位于拱顶位置；弯矩最大已达

２４４．０９ ｋＮ・ｍ，并位于左拱腰部位。除隧底安全

系数较大外，其他部位的安全系数均较小，特别是

拱顶及左拱腰部位抗剪安全系数小于１，这说明临

时支撑拆除后，初期支护拱顶及左拱腰部位可能会

因受剪而破坏，同时表明拆除临时支撑是不安全

的。

３．２地表沉降分析

图９所示为分析断面处地表沉降随施工步变

化曲线图。

由图９可知：沉降曲线均大致以大跨隧道中线

为对称轴呈对称分布，且沿隧道轴线基本均匀分

布。随着隧道开挖的进行，沉降槽的深度逐步增

大，尤其是隧道中线处的沉降增大最明显，现以隧

道中线地表沉降为分析点，研究分析断面处隧道各

部开挖引起的地表沉降规律。

…ｏ．－开挖前—一①部开挖—★呷②部开挖一…③部开挖

一一④部开挖—一一⑤部开挖一一⑥部开挖一⑦部开挖

⑧部开挖一⑨部开挖

距离，ｍ

Ｏ ２０ ４Ｏ ６Ｏ ８０ ｌｎＯ

Ｏ

｛墅

羹一ｓｏ

－７５

图９地表沉降随施工步变化曲线图

Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ＳＩｌｌ￣ａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ

ｃｈａｎｇｅ ＣＨＩＶｅ

隧道各部的开挖对地表沉降的影响要大于临

时支撑的拆除对地表沉降的影响，其中以⑤部的开

挖影响最为明显，占隧道开挖引起地表总沉降的

１７．３３％。隧道开挖完成后，断面地表沉降最大达

一７２．５２ ｍｉｌｌ。由于该隧道位于潇湘大道下面，如

此大的沉降对路面的影响不容忽视，不仅影响到行

车安全，甚至有可能造成路面开裂，施工是不安全

８８ 铁道科学与工程学报 ２０１２年８月

的。

４结论

（１）采用双侧壁导坑法对营盘路湘江隧道西

岸南线Ａ型大跨进行开挖时，开挖引起的地表沉

降非常明显，隧道开挖完成后，总沉降最大已达

一７２．５２ ｍｍ，其中导洞⑤部的开挖引起的地表总

沉降占隧道开挖引起地表总沉降的１７．３３％，对地

表沉降的影响最大。

（２）从初期支护临时支撑拆除前后受力变化

情况及安全系数的变化来看，临时支撑拆除后，隧

道初期支护所受到的轴力、弯矩和剪力均增大很明

显，初期支护拱顶和左拱腰部位安全系数出现小于

１的情况，这表明临时支撑拆除后洞内有可能出现

塌方事故。

（３）通过模拟计算分析，建议营盘路湘江隧道

西岸南线Ａ型大跨施工时，应先对地表围岩采取

一定的加固措施后再进行隧道开挖；同时，隧道开

挖时应加强支护。

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