復雜地質條件下單洞雙層隧道修建技術研究

李 強

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 國內外研究現狀

國外采用暗挖法修建單洞雙層隧道并不多見，日本僅有一例一座單洞雙層隧道，另外俄羅斯采用盾構法修建了雙洞雙層8車道隧道，日本在經歷了大量地鐵修建成功與失敗的經驗和教訓后，通過總結形成了“近接施工的設計、施工指南”；國內整座隧道采用重疊結構還沒有，但局部出現重疊的情況也有一些，如重慶輕軌區間隧道、福（州）廈（門）高速公路與泉（州）廈（門）高速公路的交叉點大坪山隧道為四隧道相交。但受地形、地質、周邊構筑物等條件的影響，單洞雙層隧道結構的選擇是必然的，因此，開展單洞雙層隧道修建技術的研究顯得尤為重要。

2 研究工點概況

研究工點位于深圳地鐵一期工程羅湖站至大劇院站，經金利華商業廣場、地王大廈，區間隧道范圍內上覆第四系全新統人工堆積層、海沖積層及第四系中更新統殘積層，下覆基巖為燕山期花崗巖，基巖裂隙水較豐富，地下水主要來自布吉河河水補給，基底穩定，為V級圍巖。地質情況見圖1。

圖1 地質縱斷面圖

3 數值模擬

3.1 支護參數

初期支護為30 cm厚C20網噴混凝土，全環格柵鋼架、0.5 m／榀，φ22砂漿錨桿長 3 m、間距0.8 m×1.0 m，拱部長4 m的φ42超前小導管預支護、環向0.35m、縱向2.4 m一環，二次襯砌為50 cm厚C30鋼筋混凝土［1-3］。具體見圖2。

3.2 開挖工法

采用預留核心土五臺階分部開挖法，具體見圖3。

圖2 支護結構（單位：cm）

圖3 開挖支護工法（單位：cm）

3.3 計算模型

采用有限元計算軟件ANSYS9.0進行數值模擬分析，計算范圍選取上部至地表、下部至隧道仰拱以下40 m、橫向總寬70 m，左右有水平約束、下部有垂直約束、地表為自由邊界，計算中，用平面四邊形實體單元模擬圍巖、初期支護和二次襯砌，用桿單元模擬錨桿，計算模型總單元數為6 347個，總節點數為6 350個［4-7］。材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

3.4 計算結果

（1）初期支護內力及安全性評價

初期支護內力及安全系數見表2。

表2 初期支護內力及安全系數

分析結果如下：

①初期支護最大軸力為5 071 kN，出現在拱頂；最大彎矩為332.6 kN·m，出現在隧底。

②初期支護未封閉成環之前，內力變化幅度不大，一旦封閉成環后，內力有較大幅度的增長，為有效控制圍巖變形，應及時封閉初期支護。

③由于邊墻上設置了臨時支撐，初期支護的內力有較大改善，除個別點外，安全系數均大于1，應及時施作二次襯砌，確保施工安全。

（2）二次襯砌內力及安全性評價

二次襯砌最大軸力為4 918 kN（對應彎矩為302.1 kN·m），出現在隧底；最大彎矩為340.1 kN·m（對應軸力為434 kN），出現在上洞起拱線處；每延米配置8根φ22的受力鋼筋，最小安全系數為2.03，二次襯砌是安全的。

（3）鋼支撐內力（見表3）

表3 鋼支撐軸力 kN

施工中鋼支撐采用外徑159 mm（壁厚10 mm）的鋼管，縱向間距0.5 m，根據壓桿穩定理論，單根橫撐臨界承載力為660 kN，完全采用鋼管作橫撐，將導致橫撐失穩，為增加鋼管穩定性，應在鋼管中灌注高強度混凝土，并加強縱向、豎向及與初期支護的連接。

（4）錨桿軸力

從圖4可以得出：從拱部向邊墻方向，錨桿軸力依次呈遞增趨勢，且錨桿中部為軸力最大的部位，最大軸力為62 kN。根據現場試驗及測試，錨桿的抗拉拔力不小于50 kN，僅個別錨桿軸力超過50 kN，錨桿能夠起到控制圍巖變形的作用，另一方面也證明取消拱部系統錨桿的合理性。

（5）洞周位移及地表沉降

從圖5、圖6可以得出：

①拱頂下沉隨開挖施工的推進，呈遞增趨勢，但變化幅度較平緩，最大拱頂下沉為26.4 mm。

圖4 錨桿軸力分布

圖5 洞周位移、地表沉降變化曲線

圖6 最終地表沉降曲線

②水平收斂隨施工推進的變化幅度不大，基本在10 mm以內，說明：鋼支撐和臨時仰拱起到了控制變形的作用。

③地表沉降隨開挖施工的推進，呈遞增趨勢，但變化幅度較平緩，最大地表沉降為12.7 mm；地表沉降槽沿隧道中心對稱，兩側影響寬度不超過20 m。

4 試驗研究

在研究范圍內布置了3個洞周收斂斷面、3個拱頂下沉斷面、1個圍巖接觸壓力斷面；收斂測點布置在邊墻中部，拱頂下沉測點布置在拱部中央，圍巖接觸壓力布置在拱頂及拱頂兩側各2 m處［8］。測試結果及分析如下。

4.1 拱頂下沉

根據圖7，分析結果如下：

圖7 典型斷面拱頂下沉曲線

（1）拱頂下沉曲線符合y＝aLnx+b，為一對數曲線，x為時間，y為拱頂下沉值。

（2）研究范圍內拱頂最大下沉為20 mm，與數值計算的拱頂最大下沉26.4 mm相比，基本上吻合。

（3）拱頂下沉速度均在2 mm／d以內，隨時間的推移，拱頂下沉逐漸趨于穩定。

（4）拱頂下沉量在開挖后30～40 d后趨于穩定。

4.2 水平收斂

根據圖8，分析結果如下：

圖8 典型斷面水平收斂曲線

（1）水平收斂曲線符合y＝aLnx+b，為一對數曲線，x為時間，y為拱頂下沉值。

（2）研究范圍內水平收斂最大值為5.5 mm，與數值模擬計算的8.1 mm基本吻合，采用圖3的施工方法，可以有效地控制洞周圍巖變形。

（3）收斂速度均在1 mm／d以內，隨時間的推移，水平收斂逐漸趨于穩定，說明：施工方案和措施是合理的，施工過程也是安全的。

（4）水平收斂在開挖后20～30 d趨于穩定。

4.3 圍巖接觸壓力

根據圖9，分析結果如下：

圖9 典型斷面圍巖接觸壓力曲線

（1）接觸壓力基本上呈上升趨勢，符合對數曲線y＝aLnx+b，x為時間，y為接觸壓力值。

（2）最大接觸壓力為0.14 MPa，相當于8 m的土柱高度，圍巖與初期支護的接觸壓力得到了有效的控制，可以保證開挖支護安全。

（3）洞室支護后20～30 d后，圍巖與噴層間的接觸應力基本趨于穩定。

5 施工過程控制

5.1 施工方法

遵循“先上后下、邊挖邊襯”的原則，施工前，首先對拱部進行超前小導管注漿預支護，然后采用多臺階五步開挖法，由上至下分部開挖、支護，臺階長度控制在3～5 m范圍內，循環進尺控制在0.5～0.75 m，特殊地段開挖進尺為0.25 m，拱部采用弧形導坑預留核心土法開挖。對土層及軟巖采用人工開挖，對中等風化、微風化基巖采用微差微振動控制爆破技術進行光面爆破或預裂爆破［9-12］。

5.2 技術措施

（1）錨桿

按圖紙將錨桿孔準確定位后，采用YT-28鑿巖機鉆孔、清孔，并將安裝好錨頭的WTD25中空注漿錨桿插入錨孔，然后在錨桿尾端安裝止漿塞、墊板和螺母，通過快速注漿接頭將錨桿尾端和高壓力注漿泵聯接進行注漿，錨桿安裝后端部應與鋼拱架焊接在一起。

（2）鋼拱架

鋼拱架緊貼初噴混凝土面安裝，在拱腳設置10 mm×400 mm的鋼板作為鋼架基礎，并與錨桿焊成整體，當鋼架和圍巖之間間隙過大時，設置混凝土墊塊。

（3）噴混凝土

噴射混凝土應分段、分片由下而上順序進行，每段長度不超過6 m，一次噴射混凝土厚度控制在6～8 cm，后一層噴射在前層混凝土終凝后進行。

（4）二次襯砌

二次襯砌分4次澆筑，分別為下洞仰拱、下洞邊墻及頂板、中隔板、上洞邊墻及拱部，并緊跟掌子面。為防止二次襯砌與防水層之間形成空隙，沿拱頂預留壓漿孔，3 m一個，壓漿孔底部緊貼防水層，并在接觸部位加設一層防水板，確保壓漿孔不堵塞及不穿破防水層，二次襯砌澆筑28 d后，逐孔壓注1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在0.8～0.9 MPa。

6 結論

通過以上分析，可以得出：

（1）通過數值模擬計算得出：30 cm厚網噴混凝土（內嵌全環鋼架、0.5 m／榀）初期支護是安全的，但應及時封閉成環，并設置必要的臨時支護；50 cm厚C30鋼筋混凝土（每延米配置8根φ22的受力鋼筋）二次襯砌最小安全系數為2.03，能夠保證隧道施工及運營安全；拱部向邊墻方向，錨桿軸力依次呈遞增趨勢，且錨桿中部為軸力最大的部位；拱頂下沉、水平收斂、地表沉降未超過控制標準，能夠保證施工及地表構筑物的安全。

（2）通過現場試驗研究得出：拱頂下沉、水平收斂、圍巖接觸壓力曲線符合y＝aLnx+b，在洞室支護20～30 d后趨于穩定，其數值與數值模擬計算結果基本吻合。

（3）暗挖單洞雙層隧道遵循“先上后下、邊挖邊襯”的原則，采用多臺階五步開挖法，由上至下分部開挖、支護，二次襯砌緊跟掌子面的工法是合理有效的，但應嚴格施工過程控制。