地鐵淺埋砂層大跨度、小凈距多聯(lián)隧道并行施工順序研究

張文明

(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，030032，太原//工程師)

石家莊地鐵1號(hào)線中山廣場(chǎng)站—解放廣場(chǎng)站區(qū)間(以下簡(jiǎn)為“中—解區(qū)間”)橫通道連接線路為左右線分離式雙洞隧道(交叉渡線處為3洞并列)。該段隧道平面圖見(jiàn)圖1。其中，1號(hào)豎井進(jìn)洞開(kāi)挖斷面為2-2斷面，3孔聯(lián)立的渡線交叉開(kāi)挖斷面為1-1斷面。2-2斷面為并行隧道，最大孔隧道跨度達(dá)到14.30 m，緊鄰側(cè)小斷面斷面跨度6.48～8.50 m，兩隧道凈距最小處只有0.6 m。大洞采用雙側(cè)壁9(6)導(dǎo)洞和CRD法(中隔墻加臺(tái)階工法)施工，小洞采用臺(tái)階法施工。1-1斷面處隧道由2孔開(kāi)挖變?yōu)?孔開(kāi)挖。由于施工情況復(fù)雜，并行隧道的施工順序?qū)κ┕ぐ踩休^大影響。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 群洞隧道施工順序的研究

2002年，文獻(xiàn)[1]以軟弱圍巖隧道為研究對(duì)象，采用模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算方法相結(jié)合的手段，對(duì)淺埋小間距3孔隧道平行施工進(jìn)行了施工力學(xué)研究，提出：采用先邊洞后中洞的工法時(shí)，中洞施工是關(guān)鍵工序；采用先中洞后邊洞施工工法時(shí)，2個(gè)邊洞施工是關(guān)鍵工序；中洞后挖工法受力比邊洞后挖施工更為不利。

1.2 中夾土體巖性穩(wěn)定性與加固措施研究

中間土體的完整性應(yīng)力集中是引起隧道破壞的主要原因。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)招寶山隧道淺埋小凈距隧道中夾土體巖受力特點(diǎn)研究，得出結(jié)論：中夾巖柱必須施加側(cè)向約束，且中夾圍巖土體必須進(jìn)行注漿加固處理，以保證開(kāi)挖初期支護(hù)施加前有足夠時(shí)間支撐其頂部荷載。文獻(xiàn)[3]論證了小凈距隧道施工時(shí)采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法的良好效果。

1.3 洞并列時(shí)開(kāi)挖順序的穩(wěn)定性研究

群洞進(jìn)洞順序的研究是目前的熱點(diǎn)。2010年文獻(xiàn)[4]對(duì)平行三斷面隧道以韓府山隧道為依托進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)際比對(duì)，得出如下結(jié)論：①左右邊導(dǎo)洞的錯(cuò)步先行開(kāi)挖比同時(shí)開(kāi)挖對(duì)中洞影響略有利，對(duì)隧道主應(yīng)力的分布和大小影響不大。②中洞先行對(duì)隧道穩(wěn)定性影響一般在8～12 m范圍內(nèi)，綜合考慮圍巖整體性及支護(hù)受力狀態(tài)得出：先挖邊導(dǎo)洞再施工中洞的方案比較合理。③雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比其他工法更適宜在平行三導(dǎo)洞小凈距施工應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]采用二維數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)采用CD(中隔墻)法進(jìn)行小凈距隧道開(kāi)挖有利于控制圍巖變形，且施工中應(yīng)采用預(yù)注漿及施作中空注漿錨桿等方式加固。

圖1 中—解區(qū)間橫通道隧道平面設(shè)計(jì)

2 施工順序分析

2.1 小凈距雙洞并聯(lián)對(duì)向暗挖施工順序

1-1斷面與2-2斷面應(yīng)力變化非常復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)模型模擬難度大。本文首先采用數(shù)值分析手段對(duì)地層沉降和塑性區(qū)分布進(jìn)行探討，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行拱頂沉降分析。

方案1：橫通道施工區(qū)間正線馬頭門先施作大斷面區(qū)間，待大斷面區(qū)間初期支護(hù)、二襯施工完成后，再施工臨邊小斷面和對(duì)側(cè)小斷面。該方案優(yōu)點(diǎn)是先難后易。但該隧道小斷面全部集中在左線，先大后小的施工順序制約了左線貫通，無(wú)法滿足左線貫通的工期要求。

方案2：小斷面初期支護(hù)先施作30 m，再施工臨側(cè)大斷面和對(duì)側(cè)大斷面。該方案優(yōu)點(diǎn)是既可先施工大斷面又可先施工小斷面，并且小斷面先施工簡(jiǎn)單，可提前左洞貫通。但后續(xù)大洞開(kāi)挖的難度增加，偏壓的風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)增大。故從工期角度考慮，先大后小為最優(yōu)施作方案，但安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2.2 仿真模擬力學(xué)狀態(tài)分析

先用FLAC3D軟件對(duì)2-2斷面施工過(guò)程模擬，再用MIDAS軟件對(duì)1-1斷面3孔并行隧道的施工進(jìn)行二維分析計(jì)算。

2.2.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

仿真計(jì)算工況有2個(gè)：①工況1：先施工大斷面，二次襯砌完成后，再開(kāi)始施工小斷面。工況1的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。施工完成后拱頂沉降為33 mm。②工況2：先施工小斷面，并做初期支護(hù)，不施工二次襯砌；待小斷面施工完畢后，再施工大斷面，最后得出大斷面二次襯砌完成后的結(jié)構(gòu)豎向位移。工況2計(jì)算結(jié)果如圖3所示。施工完成后拱頂沉降37 mm。

圖2 小斷面初期支護(hù)完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移

圖3 大斷面二襯完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移

由通過(guò)數(shù)值模擬分析結(jié)果得到：按工況1施工順序?qū)刂乒绊敵两涤欣绮捎霉r2沉降也可滿足規(guī)范要求。根據(jù)本項(xiàng)目施工進(jìn)度要求，如先開(kāi)挖大斷面，則其開(kāi)挖和襯砌施作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響整體隧道施工工期。因此，采用先開(kāi)挖小斷面后施作大斷面的施工順序，并通過(guò)有限元模擬對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 對(duì)向進(jìn)洞馬頭門的主要施工措施

采用二襯進(jìn)洞方式，前期主要施工措施為：

(1) 為安全進(jìn)正洞，在馬頭門破除前于橫通道設(shè)置2道臨時(shí)中隔板。

(2) 橫通道初次襯砌施工完畢后，沿區(qū)間斷面位置施作區(qū)間的深孔注漿工藝，并沿馬頭門外輪廓位置打設(shè)雙排φ42超前導(dǎo)管。上下排導(dǎo)管錯(cuò)開(kāi)布置，單根導(dǎo)管長(zhǎng)度為4 m。導(dǎo)管完成后注漿加固地層。

(3) 待區(qū)間正線施工完畢后，方可破除橫通道臨時(shí)中隔板。區(qū)間初次襯砌的格柵鋼筋要與橫通道初襯格柵鋼筋有效連接。橫通道在開(kāi)洞范圍內(nèi)應(yīng)做好支撐，施工時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.4 1-1斷面3洞開(kāi)挖順序及施工措施

2.4.1 開(kāi)挖順序及模擬分析

二次襯砌施工順序①：左、右邊洞順次開(kāi)挖，再施作左、右邊洞二次襯砌，待二次襯砌穩(wěn)定后進(jìn)行中洞開(kāi)挖支護(hù)施工。順序②：3孔隧道先后開(kāi)挖，并施工初期支護(hù)；待初期支護(hù)穩(wěn)定后，按隧道開(kāi)挖先后順序施作二次襯砌。

文獻(xiàn)[6]結(jié)合某大斷面小凈距隧道工程實(shí)際進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：后施工洞宜在先施工的邊導(dǎo)洞二次襯砌施作后開(kāi)挖。本文重點(diǎn)研究3洞初期支護(hù)完成后再施作二次襯砌后的沉降情況，按中—解區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工順序(先施工左右邊隧道，后施工中間隧道)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 MIDAS模擬計(jì)算(3洞開(kāi)挖)

開(kāi)挖支護(hù)后，仰拱出現(xiàn)了應(yīng)力松弛區(qū)，其最大主應(yīng)力為172 kPa，仰拱兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，左側(cè)最大主應(yīng)力為593 kPa，右側(cè)最大主應(yīng)力為551 kPa。拆除臨時(shí)支護(hù)后，拱頂和仰拱處最大主應(yīng)力變小，邊墻最大主應(yīng)力變大(見(jiàn)圖5)。可見(jiàn)，兩邊導(dǎo)洞實(shí)際施工難度不大，而中洞拱頂上方圍巖是最主要的監(jiān)控目標(biāo)。

圖5 中間洞開(kāi)挖完成后的應(yīng)力分布

2.4.2 開(kāi)挖施工措施

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，中—解區(qū)間暗挖隧道的主要施工控制措施為：邊導(dǎo)洞先采用臺(tái)階法施工，其初期支護(hù)采用雙排小導(dǎo)管加密布置方式；施工邊導(dǎo)洞過(guò)程中對(duì)中間導(dǎo)洞采用注漿加固的方法(向土體施作φ42小導(dǎo)管徑向注漿，長(zhǎng)度與土體厚度相同”)；中間導(dǎo)洞施工時(shí)采用WSS(無(wú)收縮)超細(xì)水泥-水玻璃雙液深孔注漿。隧道初期支護(hù)外2.0 m、初期支護(hù)內(nèi)1.0 m注漿，形成3.0 m厚注漿帶。3洞中間土體的加固如圖6所示。

實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)左側(cè)導(dǎo)洞和中間導(dǎo)洞的拱頂及側(cè)墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最大沉降值為2.94 cm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖6 中間土體加固斷面

3 結(jié)論

(1) 在淺埋砂層施工中，小凈距2孔隧道并行開(kāi)挖時(shí)，須確定先施工小斷面隧道還是大斷面隧道。當(dāng)兩隧道距離較小(一般為0.5～2.0 m)時(shí)，按以往的研究結(jié)果，先開(kāi)大斷面隧道比較安全。本文通過(guò)對(duì)不同工況的研究發(fā)現(xiàn)，施工順序?qū)ψ罱K沉降基本無(wú)影響，現(xiàn)場(chǎng)大小斷面隧道開(kāi)挖順序的選擇需綜合考慮隧道施工工期和出渣的便利。如先開(kāi)挖小斷面，則小斷面初期支護(hù)應(yīng)采用深孔注漿+工字鋼格柵加固，以確保施工安全可行。

(2) 在砂質(zhì)地層中，當(dāng)馬頭門處開(kāi)挖時(shí)，選擇大斷面隧道和對(duì)向交叉小斷面隧道先行的方案安全性高。小斷面隧道臺(tái)階法初期支護(hù)完成后，即可進(jìn)行大斷面隧道開(kāi)挖施工，不需進(jìn)行小斷面隧道二次襯砌施工。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖工法可同時(shí)開(kāi)挖大斷面隧道、遠(yuǎn)側(cè)小導(dǎo)洞與小斷面隧道，大大節(jié)約了工期。

(3) 小凈距3洞開(kāi)挖時(shí)，邊導(dǎo)洞可先施工。先施工邊洞完成初期支護(hù)后進(jìn)行帷幕注漿，隨后可施作中導(dǎo)洞。中隔壁巖土穩(wěn)定采用超細(xì)水泥-深孔注漿加固工藝，可行性較強(qiáng)，注漿效果好。先邊洞后中洞的開(kāi)挖順序安全性更高。

[1] 王明年，李志業(yè)，關(guān)寶樹.3孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2002，23(6)：821.

[2] 劉艷青.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(5)：590.

[3] 張周平.軟弱圍巖區(qū)小凈距隧道施工技術(shù)探討[J].科技與創(chuàng)新，2016(4)：128.

[4] 馬軍秋.平行三孔大斷面小凈距施工技術(shù)與力學(xué)特性研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

[5] 唐國(guó)軍，陳人豪，周祥.高速公路小凈距隧道施工技術(shù)研究[J].西部交通科技，2016(1)：41.

[6] 龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(1)：236.