上下層小凈距重疊隧道復合仰拱支護工法研究

曹林衛,曠文濤,楊 寶,劉保林

(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司,重慶 400023)

受工程條件制約，上下層重疊鐵路工程在交通建設中越來越頻繁的出現。新建鐵路重慶樞紐東環線工程明月峽長江大橋考慮上層預留時速250 km雙線高鐵通道，與東環線上下層布置。為避免預留工程滯后施工困難和對下層隧道運營的不利影響，明月峽長江大橋及其兩端各約400 m范圍納入東環線工程同步實施，兩端預留高鐵隧道為雞公咀隧道(預留373 m)和芭蕉溝隧道(預留441 m)，其中上下層重疊隧道內軌頂面最小距離為14 m，結構凈距約2.5 m；全隧淺埋，洞身以泥巖夾砂巖為主，泥質結構，中～厚層狀構造，質軟易風化，遇水易軟化、崩解；地下水不發育，出水形式以滴水、小股狀出水為主。雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置詳見圖1，該重疊隧道為東環線控制性工程。

目前國內外對于上下重疊隧道已經開展了大量的研究工作，其研究方向主要集中在小凈距重疊隧道近接施工影響分區[1-5]、施工力學行為分析[6-8]、施工控制技術[9-10]及施工順序[11-16]等方面，其中對于重疊隧道施工順序的研究結論則主要為“先下后上”。但相關工程案例中，上層隧道均在下層隧道二襯達到強度后再施作，由于上層隧道施工對下層隧道的影響較大，因此為確保施工安全，下部隧道二襯通常需要進行特殊加強，且上層隧道必須待下層隧道二襯達到設計強度后再掘進。該施工方法的主要缺點為：下層隧道二襯后進行上層隧道開挖，會使得下層隧道需承擔圍巖擾動的形變壓力及施工荷載，結構需要進行特殊加強，并且工期較長，另外為減少上層隧道施工對下層隧道二襯的影響，上層隧道需要采用非爆或控爆措施，導致工程投資較大。

為滿足重慶樞紐東環線雞公咀、芭蕉溝上下層小凈距重疊隧道工程進度與投資的要求，在充分保障上下層隧道施工安全的前提下，提出一種更加高效、經濟的施工方法，即復合仰拱支護工法，并采用數值方法對其適用性展開討論。雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置示意見圖1。

圖1 雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置示意

1 工法技術要點

對于上下層均為新建的小凈距重疊隧道，為減小上下層隧道施工的相互干擾，本著安全可靠、經濟適宜的原則，根據單洞隧道臺階仰拱工法原理，將上下層小凈距隧道視為整體，通過構造措施將上層隧道仰拱初支、下層隧道拱部初支連接成為受力整體，作為施工上下層小凈距重疊隧道的復合仰拱。由上層隧道初期支護、型鋼鎖腳、型鋼豎撐、夾巖、下層隧道首層初期支護、自進式錨桿及上下層隧道之間夾巖組成了“復合仰拱”。在復合仰拱的支撐下，先后完成下部隧道、上部隧道開挖及支護，最后上下層隧道同步施作二襯，該工法稱為“復合仰拱支護法”。

工法技術要點概括如下。

(1)通過復合仰拱，使上下層隧道形成受力整體，既增強了整個重疊隧道支護體系的穩定性，也能更有效地傳遞上層荷載。

(2)下層隧道雙層支護實現了完全承載、安全施工、上下層隧道同步施作二次襯砌的目的，同時相較于二次襯砌，噴射型鋼混凝土支護能夠快速形成承載能力，對于工效的提高、工程進度的加快都具有較大的現實意義。

(3)由于上下層隧道進行爆破開挖時，二襯均未施作，上下層隧道施工不需針對既有結構采用控爆、非爆等特殊開挖方式。

(4)隧道二襯施作時，上下層均已完成開挖，避免了二襯承受圍巖擾動引起的附加形變壓力，上下層隧道二襯不需要采取針對性的特殊加強措施，對降低工程投資有積極作用。

2 施工工序(圖2、圖3)

圖2 復合仰拱支護法施工工序橫斷面

圖3 復合仰拱支護法施工工序縱斷面

復合仰拱支護法施工順序主要包括以下工序。

(1)開挖下層隧道，下層隧道拱部豎向打入型鋼豎撐，施作下層隧道初期支護，型鋼豎撐穿入圍巖且與下層拱部型鋼鋼架焊接連接；在下層拱部型鋼鋼架兩側施作自進式錨桿。

(2)下層隧道初期支護施作完成后，在下層隧道初期支護內實施第二層全環初期支護。

(3)開挖上層隧道，施作上層隧道初期支護，上層隧道仰拱鋼架與豎向型鋼鋼架豎撐的另一端焊接在一起；同時于上層隧道仰拱鋼架兩側施作鎖腳型鋼鋼架。

(4)上下層隧道在復合式臺階仰拱支撐下并行掘進，待隧道沉降穩定后，同時施作上層隧道初期支護內二襯及下層隧道雙層支護內二襯。

施工注意事項如下。

(1)復合仰拱支護法強調上下層隧道型鋼鋼架的整體連接，因此實際施工中應做好鋼架位置的定位復測，保證鋼架焊接的施工質量。

(2)上層隧道開始施工時，下層隧道還未施作二襯，考慮到上層隧道施工附加荷載等不利因素的影響，在施工過程中應加強對上下層隧道的支護結構變形監測，及時反饋設計，調整優化設計參數。

(3)重疊隧道采用復合仰拱支護法時，理論上可以采用爆破開挖，但實際施工條件復雜，應加強爆破振速監測，結合現場情況及時調整開挖方式。

3 安全分析

復合仰拱支護法強調上下層小凈距隧道支護結構的整體性，并應重點考慮施工期支護結構的安全性。以重慶鐵路樞紐東環線雞公咀、芭蕉溝小凈距重疊隧道為工程依托，建立數值計算模型，如圖4所示，分析隧道支護位移、安全程度及夾巖力學特性。

圖4 重疊隧道數值分析模型

上下層隧道系統錨桿參數為：拱部A25中空注漿錨桿，邊墻C22砂漿錨桿，長度4 m，環縱間距為1.2 m×1.0 m；下層東環線隧道取消拱部系統錨桿，首層拱部鋼架拱腳位置每側設置2根A32中空注漿自進式錨桿，長度6 m；雙層支護均采用I20b鋼架、27 cm厚噴射混凝土，首層支護拱墻設置，第二層支護全環設置；上層預留高鐵隧道初支采用I22b鋼架、28 cm厚噴射混凝土；鎖腳型鋼與型鋼豎撐均采用I20b，縱向間距與上下層隧道支護鋼架間距一致，均為0.6 m。

3.1 隧道位移分析

隧道初期支護位移最為直接地反映了支護結構和圍巖的穩定性。通過對上下層隧道支護特征點變形的全過程監測，根據上下層隧道支護結構變形最不利工況繪制隧道初期支護的收斂變形包絡圖，如圖5、圖6所示。

圖5 上層隧道支護收斂變形包絡圖(單位：mm)

圖6 下層隧道支護收斂變形包絡圖(單位：mm)

結合圖5～圖6所示的變形結果，可以計算得到上下層隧道初支的相對位移值，并參考Q/R 9218—2015《鐵路隧道監控量測技術規程》中支護相對位移確定基準值，對比結果統計于表1。從表1可以看到，上下層隧道初支的相對位移值均滿足規范要求。

表1 隧道初期支護相對位移

3.2 隧道支護結構受力分析

小凈距重疊隧道采用復合仰拱支護法施工時，上下層隧道的承載主體是型鋼噴射混凝土支護，依據《型鋼混凝土組合技術規程》對其正截面承載能力進行檢算[17-18]，檢算結果如表2所示。

表2 上下層隧道支護結構特征點安全系數

從支護結構內力來看，上下層隧道支護結構以承載軸向壓力為主，上層隧道初期支護最大彎矩出現在仰拱處，下層隧道雙層支護拱頂位置彎矩最大，這是型鋼豎撐與上下層隧道加強支護剛性連接所引起的。從支護結構安全性來看，上下層隧道支護結構各特征點安全系數均大于1，且最小值為1.35。因此從數值計算的角度看，上下層隧道支護體系能夠滿足基本承載能力要求，且具有一定的安全儲備。

3.3 重疊隧道間夾巖力學狀態分析

在上下層隧道反復的施工擾動下，重疊隧道間夾巖應力狀態變化過程變得十分復雜，而夾巖作為復合式臺階仰拱承載體系中重要的一環，其力學特性直接影響著隧道的穩定性。因此在數值計算時對夾巖應力進行監測，監測斷面為y=20 m，測點布置見圖7。

圖7 重疊隧道間夾巖單元

本次數值模擬中巖土材料服從Mohr-Coulomb屈服準則，材料達到破壞條件時的表達式為[19-20]：

(3)

p=(σ1+σ2+σ3)/3

(4)

(5)

通過對上下層隧道施工全過程夾巖單元的應力監測，獲取各夾巖單元屈服函數值達到最大F2時的應力情況，并與初始應力狀態F1進行對比，詳見表3。

表3 施工前后夾巖單元屈服函數值對比

從表3可見，在施工過程中，各監測夾巖單元屈服函數最大值F2<0，依據屈服條件判定夾巖單元均未達到屈服狀態，但相較于初始應力狀態，夾巖單元屈服函數值更大，更接近屈服狀態。因此，復合仰拱一定程度上改善了夾巖的受力狀態，更有利于維持隧道的整體穩定，但從實際施工角度看，下層隧道開挖后應及時施作支護，并應加強鎖腳錨管、鎖腳型鋼、型鋼豎撐連接等關鍵點的施工質量管理。

4 結論

結合重慶鐵路樞紐東環線雞公咀、芭蕉溝隧道工程，提出一種適用于上下層小凈距重疊隧道工程的復合仰拱支護工法，并采用數值模擬對其安全性進行了分析，得到以下結論。

(1)小凈距重疊隧道復合仰拱支護工法，通過特殊的連接構造使得上下層隧道初期支護形成共同承載體，加強了隧道支護體系的整體性和穩定性，改善了夾巖的受力條件；并于下層隧道采用雙層支護，在提高支護結構安全性的同時實現了上下層隧道二襯同步施工，有效地縮短了工期、降低了投資。

(2)從數值分析的角度分析，上下層隧道支護結構的相對位移值能夠滿足規范要求，支護正截面承載能力具有一定的安全儲備。

(3)復合式臺階仰拱一定程度上改善了夾巖的受力條件，計算結果顯示夾巖在整個施工過程中處于穩定狀態。但考慮到實際工程中地質條件的復雜多變，施工過程中應結合監控量測結果，適宜增加夾巖注漿加固的輔助措施。