小凈距平行疊落礦山法隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

賈 霄，馮 欣，鄭 杰，夏瑞萌，趙伶杰

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

近年來，在城市的繁華地段或老舊城區(qū)修建地鐵時(shí)，常受到既有建構(gòu)筑物間距過小的限制，隧道間凈距變得越來越小，甚至出現(xiàn)區(qū)間平面重合、豎向平行疊落的隧道。對(duì)于小凈距的水平平行隧道，研究成果已較為完善，施工經(jīng)驗(yàn)也趨于成熟。但是，針對(duì)平行疊落的礦山法隧道的研究較少，因?yàn)閲?guó)內(nèi)外已建成的多孔疊落隧道大多采用盾構(gòu)法或明挖法施工，采用礦山法施工的實(shí)例較為罕見[1]。目前已開展系統(tǒng)性研究的主要有：日本根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及研究成果，于上世紀(jì)80年代出版了《近接施工的設(shè)計(jì)指南》，按結(jié)構(gòu)物間的位置關(guān)系來劃分相互影響范圍；我國(guó)西南交通大學(xué)等單位基于深圳地鐵老街—大劇院區(qū)間，制定了針對(duì)礦山法施工的疊落隧道近接度標(biāo)準(zhǔn)。

基于在建的北京地鐵19號(hào)線工程，筆者開展了平行疊落礦山法隧道的相關(guān)技術(shù)研究，力求為該類工程的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持，也為將來制定規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等指導(dǎo)性文件提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

2 工程概況

北京地鐵19號(hào)線金融街站—平安里站區(qū)間(簡(jiǎn)稱“金—平區(qū)間”)與3號(hào)線阜成門站—平安里站區(qū)間疊落段，位于西城區(qū)趙登禹路。趙登禹路寬21～30 m，兩側(cè)建構(gòu)筑物密集，且存在文物保護(hù)院落，保護(hù)等級(jí)要求高。該段區(qū)間線路在平面范圍內(nèi)重疊，如圖1所示。

圖1 區(qū)間疊落段平面Figure 1 Site plan of the overlapped tunnels

受老城區(qū)內(nèi)場(chǎng)地條件限制，區(qū)間兩端的4座車站均不具備明挖條件，且金融街站、平安里站均無盾構(gòu)施工條件，盾構(gòu)過站方案則受工期制約，故19號(hào)線區(qū)間采用礦山法施工。目前3號(hào)線西段尚處于前期規(guī)劃階段，線站位及施工方案尚未確定，需考慮預(yù)留遠(yuǎn)期礦山法的實(shí)施條件。綜上，本段隧道采用上下疊落的4孔礦山法隧道平行敷設(shè)的方案，疊落段長(zhǎng)約780 m。

19號(hào)線金—平區(qū)間受平安里站(地下 2層站)埋深、已運(yùn)營(yíng)地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道的制約，無條件加大線路埋深，形成19號(hào)線隧道在上，3號(hào)線隧道在下的布置形式，如圖2所示。地下水埋深22.60～26.80 m，為盡可能減小下部隧道的入水深度，隧道間最小豎向凈距按2.0 m控制。19號(hào)線區(qū)間隧道開挖范圍內(nèi)主要為卵石⑤層，3號(hào)線區(qū)間隧道主要穿越卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層，最大入水深度約5 m。

圖2 疊落隧道地質(zhì)剖面Figure 2 Geological section of overlapped tunnels

3 調(diào)研結(jié)果

3.1 日本研究成果

根據(jù)在地下工程修建過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，日本于1987年內(nèi)部出版了《近接施工的設(shè)計(jì)指南》，指出不同隧道結(jié)構(gòu)間的相互影響按結(jié)構(gòu)物間的位置關(guān)系進(jìn)行分類，相互影響范圍可分為3個(gè)區(qū)域，即無影響區(qū)、要注意的影響區(qū)和必須采取措施的影響區(qū)，如圖3所示[2]。在必須采取措施的影響區(qū)內(nèi)修建隧道時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道的位移、變形影響程度，采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施，并進(jìn)行全過程施工監(jiān)測(cè)。

圖3 接近度的劃分Figure 3 Partition of the neighboring extent

不同的相互影響范圍對(duì)應(yīng)采取不同的措施，分為以下3種。

1) 針對(duì)先建隧道的措施：增加襯砌的整體剛度及承載能力，襯砌背后回填注漿等。

2) 針對(duì)后建隧道的措施：通過改變開挖方式、優(yōu)化分部尺寸、改變支護(hù)結(jié)構(gòu)及襯砌形式等，控制開挖引起的圍巖變形。

3) 針對(duì)中間地層的措施：通過注漿、凍結(jié)等手段，強(qiáng)化、改良地層；通過施作管棚等，隔斷影響。

3.2 國(guó)內(nèi)研究成果

西南交通大學(xué)等單位依托深圳地鐵一期工程的老街—大劇院區(qū)間疊落隧道工程，開展了一系列研究，針對(duì)礦山法施工的疊落隧道工程，制定了兩隧道的近接度標(biāo)準(zhǔn)(見表1)[3]，兩隧道的位置分布如圖4所示。

表1 近接度標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard of the neighboring extent

圖4 兩隧道的位置分布Figure 4 Location distribution of the bored tunnel

根據(jù)該近接度標(biāo)準(zhǔn)，將疊落隧道分為3個(gè)區(qū)域：強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)和無影響區(qū)(見圖5)。進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)影響區(qū)的支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)兩級(jí)，弱影響區(qū)的支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)一級(jí)，無影響區(qū)按一般隧道設(shè)計(jì)。

圖5 疊落隧道近接分區(qū)Figure 5 Neighboring extent of the overlapped tunnel

3.3 國(guó)內(nèi)工程案例

對(duì)國(guó)內(nèi)部分已建成的平行疊落礦山法隧道進(jìn)行調(diào)研，如表2所示。

表2 礦山法疊落隧道工程匯總Table 2 Statistics for overlapped tunnels built by the mining method

3.4 工程借鑒意義

調(diào)研結(jié)果表明：在地質(zhì)較好的地層中修建地鐵區(qū)間隧道，采用上下平行疊落的方案是完全可行的。通過采取一定的工程措施，能保證疊落隧道上下洞結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)環(huán)境造成的影響可控制在允許范圍之內(nèi)(見圖6)。設(shè)計(jì)、施工時(shí)可借鑒同類工程，采用以下對(duì)策：

圖6 疊落隧道斷面Figure 6 Sections of the overlapped tunnels

1) 選擇合理的開挖順序至關(guān)重要，已有學(xué)者開展了深入研究[13]。在調(diào)研的工程案例中，大多數(shù)疊落隧道工程采取“先下洞后上洞”的開挖順序，僅重慶6號(hào)線光電園站大跨區(qū)間、大龍山站—花卉園站區(qū)間采用“先上洞后下洞”的開挖順序。無論采取何種開挖順序，通過采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施，均能保證工程的安全實(shí)施。

2) 先建隧道的初支可按一般隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)，二襯結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)。

3) 對(duì)隧道周圍的土層進(jìn)行加固，重點(diǎn)加固隧道間所夾土體。

4) 提高后建隧道的支護(hù)等級(jí)，保證施工過程無水作業(yè)，適當(dāng)加強(qiáng)二襯結(jié)構(gòu)。

5) 施工過程管控要嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測(cè)量”的原則和方針。為盡量減小對(duì)先建隧道結(jié)構(gòu)及中間所夾圍巖的擾動(dòng)，后建隧道施工要采用非爆破、微震動(dòng)的開挖方式。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及工程措施

如前所述，受復(fù)雜的環(huán)境條件制約，形成19號(hào)線隧道在上、3號(hào)線隧道在下的豎向布置。根據(jù)北京地鐵的建設(shè)時(shí)序，19號(hào)線擬于2021年開通，3號(hào)線西段為遠(yuǎn)期線路。故本工程先施工19號(hào)線區(qū)間的兩條單洞隧道，并為遠(yuǎn)期3號(hào)線的實(shí)施預(yù)留條件，隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of tunnels

疊落隧道初支最小豎向凈距僅2.0m，遠(yuǎn)小于常規(guī)的2倍洞跨弱影響范圍，屬于“強(qiáng)影響區(qū)”。隧道間所夾土體為卵石，黏聚力小，自穩(wěn)能力差，施工時(shí)極易發(fā)生塌落，所以必須采取加強(qiáng)措施，確保隧道間土體的穩(wěn)定和工程安全。針對(duì)本工程特殊的結(jié)構(gòu)形式及地層特點(diǎn)，采取的如下技術(shù)措施：

1) 針對(duì)上洞隧道的措施：隧道的初支結(jié)構(gòu)，按普通單線隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)；二襯厚度加大，提高整體剛度，采用平底直墻拱斷面，提高自身的穩(wěn)定性。

2) 超前加固措施：上洞隧道施工時(shí)，沿底部環(huán)向120°施作深孔注漿，加固隧道間的夾層土；沿下洞隧道初支輪廓線及地下水位以下的掌子面進(jìn)行深孔注漿，形成止水帷幕，保證無水作業(yè)；在下洞隧道拱頂180°范圍打設(shè)超前小導(dǎo)管，插入已加固的土體中。

3) 下洞隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施：下洞的初期支護(hù)等級(jí)提高兩級(jí)，采用 CRD(交叉中隔壁法)開挖，盡可能減小分步開挖的斷面尺寸，進(jìn)而減少對(duì)上洞隧道的擾動(dòng)；減小格柵鋼架的間距并加大其厚度，設(shè)置縱向連接筋，提高整體的受力性能。

4) 施工過程的管理與控制：嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，下洞土體開挖后，初支及時(shí)封閉成環(huán)；在格柵拱腳處，打設(shè)鎖腳錨管且用木塊墊實(shí)，以防止鋼架下沉；初支與圍巖之間、二襯與初支之間，以密貼為原則進(jìn)行填充注漿；建立完善的監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)，及時(shí)反饋施工中的各項(xiàng)參數(shù)。

4.2 施工過程數(shù)值模擬

筆者采用有限元軟件MADIS-GTS建立數(shù)值模型，對(duì)上下疊落4孔隧道施工過程的沉降變形及內(nèi)力變化的規(guī)律進(jìn)行研究[14-15]。

4.2.1 模型基本假定

1) 巖土材料采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算，鋼筋混凝土按彈性材料計(jì)算，土層的物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 土層力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of soil

2) 初支、二襯采用梁?jiǎn)卧M，地層采用面單元模擬；注漿加固體采用彈性單元等效模擬，在相應(yīng)的分析步驟中通過改變加固區(qū)域單元的材料屬性來實(shí)現(xiàn)。

3) 不考慮隧道開挖對(duì)土體力學(xué)指標(biāo)的影響，以及地下水滲流的影響。

4) 模型上表面自由，側(cè)面及下表面約束法線方向的位移。

5) 為盡可能消除邊界影響，模型左右及下部邊界距離隧道均大于3倍洞徑，上部取至地表；整個(gè)模型計(jì)算范圍為80 m(寬)×60 m(高)，網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 有限元計(jì)算模型Figure 7 The finite element model

6) 考慮地應(yīng)力的釋放為緩慢過程，開挖過程中土體應(yīng)力分3個(gè)階段釋放，土體開挖階段、施作初支階段、施作二襯階段的荷載釋放系數(shù)分別取0.4、0.3和0.3。

模擬的施工工況為先開挖上洞隧道，再對(duì)下洞隧道的各導(dǎo)洞依次開挖支護(hù)。選取隧道周邊的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行位移分析，結(jié)果如表5所示。

表5 豎向位移計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of vertical displacement mm

上洞隧道施工完成、沉降及變形穩(wěn)定后，選取下洞隧道施工引起周圍地層及上洞隧道結(jié)構(gòu)變形的矢量圖，如圖8所示。

圖8 土體位移矢量圖Figure 8 Displacement vector of soil

4.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可得如下規(guī)律：

1) 上洞隧道施工完成后，地表沉降、拱頂沉降及拱底隆起量分別為10.1、18.3、25.3 mm，滿足變形要求。下洞隧道開挖時(shí)造成了上洞隧道結(jié)構(gòu)的整體下沉，地表沉降增加2.1 mm，上洞拱頂下沉2.4 mm，拱底下沉2.7 mm。

2) 隨著下洞隧道的開挖，上下洞之間的土體受到擾動(dòng)，向開挖方向發(fā)生明顯位移，上洞隧道的結(jié)構(gòu)隨之下沉。

在開挖過程中，上洞左線隧道的二襯環(huán)向彎矩和環(huán)向軸力分別如圖9、10所示；環(huán)向彎矩MZ以內(nèi)側(cè)受拉為正，外側(cè)受壓為負(fù)，軸力以受拉為正，受壓為負(fù)。

圖9 上洞左線隧道襯砌環(huán)向彎矩的變化Figure 9 The moment of upper tunnel lining on the left

圖10 上洞左線隧道襯砌環(huán)向軸力的變化Figure 10 The axial force of upper tunnel lining on the left

由計(jì)算結(jié)果可知：下洞開挖造成了一定的卸載作用，引起上洞結(jié)構(gòu)所受的土壓力重分布。環(huán)向彎矩呈拱頂減小、底板增大的趨勢(shì)，且彎矩圖明顯偏轉(zhuǎn)，增幅最大處位于右拱腳，達(dá)92 kN·m，右拱肩處彎矩減小最顯著，為49 kN·m。從軸力變化情況來看，右線隧道開挖時(shí)，左線隧道的右半斷面的軸力明顯增大；下洞隧道開挖時(shí)，上洞隧道整個(gè)斷面軸力均減小，該過程對(duì)上洞左線隧道的右拱腳影響最大。就整體的受力情況而言，先修的隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)于采用礦山法施工的城市地鐵平行疊落隧道，可采用已有的礦山法隧道近接度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分區(qū)劃分，確定不同的支護(hù)等級(jí)。

2) 在地質(zhì)條件較好的情況下，上下平行疊落隧道的方案是可行的。根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)地鐵的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)軌道的沉降不大于3.0 mm時(shí)，可保證運(yùn)營(yíng)不受影響。根據(jù)筆者的調(diào)研及分析結(jié)果，對(duì)于小凈距的疊落隧道，可借鑒同類工程的做法，采取針對(duì)性措施，以保證隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)期間的安全。

3) 對(duì)于疊落礦山法隧道，后建的下洞隧道開挖掘進(jìn)過程對(duì)先建的上洞隧道影響顯著。必須采取針對(duì)性的加強(qiáng)措施：一是先修的上洞隧道應(yīng)預(yù)留結(jié)構(gòu)加強(qiáng)條件，以保證后修隧道穿越時(shí)的受力及穩(wěn)定性；二是對(duì)后修隧道周邊的土層應(yīng)進(jìn)行必要的超前加固。隧道間所夾的土層穩(wěn)定性差，極易因多次擾動(dòng)成為薄弱環(huán)節(jié)，是加固的重點(diǎn)區(qū)域；三是后建隧道的支護(hù)等級(jí)應(yīng)提高，并采取分步開挖的方式，減小施工過程的擾動(dòng)。

4) 后建隧道開挖對(duì)上洞隧道起著卸載的作用，隧道間所夾土體壓力被部分釋放，易造成上洞隧道結(jié)構(gòu)的整體下沉。施工中應(yīng)特別注意該土層的狀態(tài)，防止過多擾動(dòng)發(fā)生拱頂塌落，影響上洞結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，先建隧道結(jié)構(gòu)所受的土壓力重分布，橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意不同開挖階段的內(nèi)力變化。