小間距高速鐵路隧道群設計技術

王旭

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300308）

1 引言

隨著鐵路網的完善，隧道大規模建設，小間距隧道群也越來越多，但目前還沒有較明確的規范和控制標準，仍處于邊施工邊探討的總結階段，設計技術滯后于工程建設需求的發展[1～3]。近年來，國內學者對此做了大量的研究工作，如文獻[4]以京-福高速公路三明-福州段的小間距隧道為工程背景，對Ⅱ類圍巖隧道的不同施工過程進行了彈塑性數值仿真研究，給出了不同施工方法及支護措施對圍巖變形規律的影響；文獻[5]數值模擬研究了3 車道小間距隧道采用雙側導坑法的開挖施工過程，為小間距隧道的發展和設計施工提供了較確切的參考數據和理論依據。盡管如此，對小間距問題目前仍然處于探索研究階段。本文針對機械開挖與控制爆破相結合的開挖方式，探討了不同線間距段落的開挖方法及控制標準，為今后類似隧道的勘測設計及施工提供借鑒。

2 隧道概況

赤喀客專北京聯絡線分為上、下行2 條單線，其中上行線孫家溝1 號隧道、下行線孫家溝2 號隧道分別位于京沈客專正線孫家溝隧道右側及左側，三隧道洞口等高，兩單線隧道小間距并行后分別跨越及遠離孫家溝隧道，鑒于京沈客專已經開工，赤喀鐵路建設相對滯后，為減少對京沈客專在建隧道的影響，需確定出聯絡線隧道與京沈客專同期施工段落，即聯絡線隧道需在京沈客專聯調聯試之前建成，避免出現鄰近既有線施工等問題。

2.1 隧道群相對位置關系

在京沈客專孫家溝隧道進口里程DK341+587 處，北京方向上行聯絡線距離京沈客專正線右線線間距為13.22m，在孫家溝1 號隧道出口處，距離京沈客專正線左線線間距為18.87m；北京方向下行聯絡線距離京沈客專正線左線線間距為13.29m，并采用半徑為1400m 的左偏曲線大角度偏離京沈客專正線。聯絡線與京沈客專正線平面關系見圖1。洞口從左向右分別為孫家溝2 號隧道（下行）、孫家溝隧道（正線）、孫家溝1 號隧道（下行），橫斷面相對位置關系見圖2。

圖1 聯絡線與京沈客專平面關系圖

圖2 孫家溝2 號、孫家溝、孫家溝1 號橫斷面關系圖

2.2 聯絡線隧道

孫家溝1 號隧道全長803m，最大埋深約58.95m；隧道整體位于半徑R=1400m 的左偏曲線上，隧道縱坡為21.5‰的上坡。

孫家溝2 號隧道全長1303m，最大埋深約78.65m。隧道進口25m 長直線，其余地段位于R=1400m 的左偏曲線上，隧道內縱坡為4.5‰的上坡。

2.3 隧道建筑限界及設計原則

聯絡線的隧道設計時速160km，單線隧道，隧道建筑限界按高速鐵路建筑限界輪廓及基本尺寸設計，隧道內輪廓在考慮電氣化接觸網懸掛設備布置要求、養護維修及其他使用要求，以及考慮結構受力條件及施工運營等因素的前提下，盡量降低結構高度，軌面以上凈空設計面積為45.79m2。

京沈客專正線隧道設計為時速350km 的雙線隧道，隧道建筑限界按高速鐵路建筑限界輪廓及基本尺寸設計，軌面以上凈空橫斷面面積為100m2。

2.4 工程地質及水文地質

隧址區最冷月平均氣溫-9.1℃，土壤最大凍結深度1.05m，隧道區地震動峰值加速度0.05g（地震基本烈度Ⅵ度）。隧道范圍揭示地層，第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）新黃土，侏羅系上統金剛山組凝灰質砂巖、凝灰巖，侏羅系吐呼嚕組凝灰質砂巖、凝灰巖。全風化的凝灰質砂巖、凝灰巖，強風化的凝灰質砂巖、凝灰巖具強膨脹性。圍巖存在微量基巖裂隙水。

2.5 地形地貌

地形起伏比較大，溝谷較多，存在多處長段落的淺埋偏壓地段，為工程實施帶來很大的工程風險。

3 技術措施及控制標準

本項目技術措施主要需解決的問題分2 個方面：一方面是控制后行隧道施工爆破振動對先行隧道結構安全的影響；另一方面控制圍巖變形，防止后行隧道施工引起的圍巖變形過大，影響先行隧道的結構安全以及相互影響后自身受力體系的改變。為保證孫家溝隧道的安全，孫家溝隧道與孫家溝1 號、2 號隧道距離較近地段二次襯砌采用鋼筋混凝土襯砌結構，其中Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段拱墻進行徑向注漿加固圍巖。

3.1 圍巖松動相互影響區域分析

為了探究3 座相鄰隧道開挖對彼此之間的相互影響，分別對3 種工況進行建模數值模擬分析：一是僅開挖中間的雙線隧道，模擬分析地層的位移變化情況，如圖3 所示；二是開挖完雙線隧道后再開挖右側的單線隧道，模擬分析地層及2 座隧道的位移變化，如圖4 所示；三是開挖完雙線隧道后同時開挖兩側的單線隧道，模擬分析地層及3 座隧道間的位移變化情況，如圖5 所示。

工況一：僅開挖孫家溝隧道。

圖3 工況一豎向位移云圖

工況二：開挖孫家溝隧道后，再開挖孫家溝1 號隧道。

圖4 工況二豎向位移云圖

工況三：開挖孫家溝隧道后，同時開挖兩側孫家溝1 號、2 號隧道。

圖5 工況三豎向位移云圖

表1 孫家溝隧道變形統計表mm

從表1 計算可以看出，后期施工對于先期隧道開挖影響比較大，必須采取控制性措施減少對既有隧道的影響。

3.2 同期施工段落的確定

根據工程的進展，要求京沈客專正線隧道在聯調聯試之前，聯絡線隧道需要施工完成或初期支護能夠完成，避免在聯調聯試期間爆破開挖對其造成影響。根據隧道開挖松動圈影響范圍，同期施工段落劃分原則為聯絡線隧道與京沈客專在建隧道同側線間距小于45m 的段落。根據開挖影響程度，小于25m 的范圍為重點控制變形范圍，其主要考慮原則為兩洞之間的凈土柱大于正線毛洞的跨度。

3.3 聯絡線主要工程措施

根據隧道間線間距不同設計分別采用非爆破法開挖、非爆與控制爆破組合法開挖。根據以往國內外對減振技術的研究成果，非爆開挖和數碼電子雷管爆破技術是減振的有效措施。針對孫家溝1 號、2 號隧道淺埋、偏壓、鄰近既有隧道采用“非爆破”切削法進行施工，其中，單臂掘進機是一種比較好的施工機械。在中低硬度及以下的巖層中，單臂掘進機可以直接用于隧道的快速掘進施工。本隧道單臂掘進機開挖是將掌子面分為6 個部分依次切削。

鑒于京沈客專正線隧道施工在先，相應同期施工段落采用以下主要工程措施。

赤喀客專北京聯絡線隧道與京沈客專同期施工需采用單臂掘進機開挖，上行線孫家溝1 號隧道與正線同側線間距（d）全部位于0＜d≤25m 范圍，總長763m，全斷面采用掘進機法開挖。下行線孫家溝2 號隧道與正線同側線間距位于0＜d≤25m范圍，全斷面采用掘進機法開挖；位于25＜d≤45m 范圍，上半斷面采用掘進機法開挖，下半斷面采取適當控制措施。其爆破震動安全允許標準根據GB 6722—2014《爆破安全規程》相關要求，同期施工段爆破控制標準確定為10cm/s。

聯絡線隧道超前支護措施進行細化設計，隧道洞口拱部采用φ108mm 大管棚+小導管超前支護，其余Ⅴ級圍巖地段采用φ89mm 中管棚+小導管超前支護，Ⅳ級圍巖地段采用φ42mm 密排小導管超前支護。

相互干擾段采用全環徑向注漿措施加固地層，兼顧寒區隧道防寒堵水作用。

4 施工監控量測

隧道群施工相互影響較大，在施做二次襯砌之前，應全過程對襯砌進行監控量測，積累量測數據，為信息化設計與施工提供依據。實時驗證支護結構效果，確認或調整支護參數和施工方法，以及確定二次襯砌施作時間；確保施工安全及結構的長期穩定性。兩側單線隧道的外側壁、拱頂點、小間距巖柱側壁及與底板的連接處，還有施工過程中的臨時巖柱，這些部位在施工過程中必須重點監控，以指導信息化施工。

5 結論與體會

從京沈客專與赤喀客專北京聯絡線小間距隧道的設計與施工過程中所表現出的特殊情況以及采取的應對措施，進一步認識小間距隧道施工的技術要點與難點，同時也積累了一些實踐經驗，為同類工程建設，特別是對小間距隧道的開挖方式、支護具有實際的指導作用，對降低工程安全風險也有重大借鑒意義。

1）先行開挖的隧道需要加強支護措施，通過徑向注漿加固洞頂圍巖及中間巖柱，使隧道的支護結構與圍巖形成穩定的支護體系。

2）后行開挖的隧道加強超前支護措施，使兩側單線隧道的拱部形成棚架支護效應，通過機械開挖以后，迅速采取全環徑向注漿措施，加固隧道周邊的圍巖，尤其小間距隧道中間的臨時巖柱。

3）隧道同側線間距小于25m，即相鄰隧道間凈土柱小于大斷面的最大跨度時，隧道全斷面采用單臂掘進機機械開挖，最大限度減少對周邊巖體的擾動，降低對相鄰已成型隧道支護結構的不利影響。隧道同側線間距介于25～45m 時，即相鄰隧道間凈土柱介于大跨度隧道1～2 倍跨徑時，可以采取機械開挖與控制爆破相結合的施工方法。