上下并行礦山法隧道施工相互影響研究

趙耀ZHAO Yao

（江蘇中車城市發(fā)展有限公司，無錫 214104）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民群眾的出行需求日益增長，各個城市加快推進綜合交通建設(shè)，一批集鐵路、軌道交通、公路等綜合性車站建設(shè)而成。各綜合性站點建設(shè)過程中，不可避免地要遇到相鄰線路的近距離施工，其中尤以近距離隧道并行施工居多，帶來了很多施工難題。對于隧道并行施工，很多專家學者已經(jīng)做了大量的研究，并取得了許多可以借鑒的成果，如：文獻[1]指出如果新建隧道處于硬巖中，新建隧道開挖爆破產(chǎn)生的地震波會危及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻所受到的影響最為顯著；文獻[2]指出既有隧道最大振動點及最大反射拉應(yīng)力均出現(xiàn)在迎爆側(cè)直墻中部和上部，此區(qū)以反射拉伸破壞為主，是最危險的區(qū)域，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在迎爆側(cè)底板，此區(qū)有剪切破壞的可能，拱頂?shù)募魬?yīng)力也較大。前人的研究成果對工程建設(shè)很有指導意義，并行隧道施工中，必須關(guān)注爆破對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，本文通過對羊頭山隧道和下北山隧道的施工時序進行探討，采取了一系列施工措施，對并行礦山法隧道施工中相關(guān)影響進行了研究。

1 工程概況

臺州市域鐵路S1 線一期羊頭山隧道位于臺州市椒江區(qū)建庫村，隧道起訖里程：S1DK1+726.0～S1DK2+580.0，全長854m，其中單洞雙線長674m，雙洞單線長180m，均采用礦山法開挖，單洞雙線開挖面積約170m2，雙洞單線每個洞開挖面積約57.6m2，單洞雙線到雙洞單線采用燕尾段過渡。羊頭山隧道屬剝蝕丘陵區(qū)，自然丘坡15°～30°。地面起伏大，地表植被發(fā)育。隧道沿線有高壓鐵塔兩座，隧道進口（S1DK1+726.0～S1DK1+745.0）附近有墓群、農(nóng)田、池塘，用地紅線范圍內(nèi)多處墳地。隧道出口西側(cè)為下北山村。羊頭山隧道線路西側(cè)有待建杭紹臺鐵路下北山隧道，1#隧道長165.58m、2#隧道長429.772m，并行位置對應(yīng)S1 線里程DK1+760-DK1+925.58、DK2+015-DK2+444.772。兩隧道在羊頭山隧道入口處間距最小，最小水平凈距12.45m，豎直凈距2.46m，最小凈距16.57m，往大里程段水平間距和垂直距離不斷增加，兩隧道出口段水平間距約30m，垂直距離約14.3m。兩隧道交疊施工，存在相互影響。

羊頭山隧道待開挖巖石為凝灰?guī)r，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，隧道圍巖級別為Ⅱ～Ⅴ級；隧道明挖段及洞身巖石普氏硬度系數(shù)約f=2～9。根據(jù)地勘報告提供的各類巖組的物理力學參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及各項定性、定量成果資料分析，隧道圍巖分級級施工方法見表1、表2。

表1 羊頭山隧道圍巖分級表

表2 羊頭山隧道施工方法一覽表

因為杭紹臺下北山隧道屬于單洞四線高鐵隧道，最高行車速度350 公里每小時，該隧道相比普通隧道開挖斷面更大，達到356m2，這也是國內(nèi)開挖斷面最大的高鐵隧道，由于下北山隧道所處區(qū)域地質(zhì)條件復雜，面臨斷面大、圍巖整體較差，埋深較淺，最小埋深不足3m 等情況，整體施工難度大、安全風險高。因為S1 線羊頭山隧道位于杭紹臺鐵路下北山隧道斜下方，且兩條隧道全部采用爆破施工，且屬于同一時間段施工，相關(guān)干擾大，尤其是羊頭山隧道對斜上方的大洞隧道影響更為明顯。本文通過對羊頭山隧道施工過程進行分析，對并行隧道施工順序進行有益探討。

2 兩條隧道實施總體策劃

考慮到兩條礦山法隧道并行施工，為了最大限度地減少相互間施工影響，保證兩條隧道的施工安全，宜先下后上，即羊頭山隧道施工在前，下北山隧道施工在后。

羊頭山隧道由小里程進洞，由北向南單向施工。

下北山隧道采用雙側(cè)壁導坑法，V 級圍巖采用8 部開挖法，平均開挖初支工效50m/月，計劃開挖初支工期2019年1 月到2020 年1 月，先施工2#隧道，由北向南單向施工，2#隧道開挖完成后，再由南向北施工1#隧道。

圖1 羊頭山隧道與下北山隧道相對位置關(guān)系圖

杭紹臺鐵路下北山2#隧道起點位于S1 線羊頭山隧道前面約270m，且下北山2#隧道比羊頭山隧道早開工，但是羊頭山隧道的開挖初支工效比下北山隧道高，所以隧道開挖最終會趕上并且超過下北山隧道。下北山2#隧道施工二襯前，羊頭山隧道掌子面必須要超過下北山2#隧道進口。

為避免杭紹臺鐵路下北山1#隧道與S1 線羊頭山隧道相向施工，保證施工安全和質(zhì)量，待S1 線隧道二襯超過杭紹臺鐵路1#隧道后，杭紹臺鐵路1#隧道再進洞施工。

3 羊頭山隧道施工工藝

羊頭山隧道的開挖方法分為全斷面法、臺階法、三臺階法、三臺階臨時仰拱法、臺階臨時仰拱法（單線）開挖等，根據(jù)開挖方法的不同，每一循環(huán)隧道開挖的程序有所不同。全斷面開挖是按隧道的設(shè)計輪廓一次開挖完成，適用于本隧道Ⅱ級圍巖隧道施工；臺階法開挖分為兩步，即上臺階開挖支護后進行下臺階開挖支護，完成一個開挖循環(huán)，適用于Ⅲ、Ⅳ級圍巖隧道施工；三臺階法、三臺階臨時仰拱法開挖法將隧道一個斷面分為三個小的斷面進行開挖，以前后三個不同位置相互錯開同時開挖，然后分部及時支護，形成支護整體，適用于本隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道施工。

超前支護在上一循環(huán)上臺階鋼架施工結(jié)束后進行，尾部與鋼架焊接牢固。超前支護鉆孔時，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗對前方圍巖破碎情況、空腔、溶洞、涌水等進行判斷，作為超前地質(zhì)預(yù)報的補充。

羊頭山隧道和下北山隧道交叉施工主要是采用全斷面法、臺階法、三臺階法帶I 型超前小導管。

3.1 超前小導管施工

漿液采用水泥單漿液，水灰比1∶1（重量比），施工時由試驗室選定，使用不低于32.5 強度的水泥。

小導管施工采用Ф42 和Ф50 鋼管，在前部管壁按梅花形布置溢漿孔，孔徑為10mm，間距15cm，由風槍打入，小導管間距0.3～0.5m，施工時鋼管尾部焊接在鋼架上，頂部做成尖錐狀，尾部長度不小于30cm，作為止?jié){段。

3.2 全斷面法施工

全斷面法適用于II 級圍巖段，每循環(huán)進尺2.1m，斷面一次性光爆，施工準備→爆破設(shè)計→測量放線→鉆孔臺車就位→鉆眼→裝藥→爆破→通風→圍巖初噴混凝土→出渣→開挖斷面檢查及爆破效果評價→拱墻支護。

圖2 全斷面法施工工序圖

3.3 臺階法施工

3.3.1 施工程序

施工準備→上臺階開挖支護→下臺階開挖支護→仰拱開挖支護。

3.3.2 施工工序：圖3 臺階法斷面施工工序圖

圖3 單洞雙線臺階法斷面施工工序圖

①開挖上部臺階，施作上部洞身部位的初期支護。②上臺階施工至適當距離后，下部臺階，施作洞身部位的初期支護。③帶仰拱斷面開挖仰拱部位臺階，灌注仰拱。

3.4 三臺階法

3.4.1 施工程序

施工準備→上臺階開挖支護→中臺階開挖支護→下臺階開挖支護→仰拱開挖支護

3.4.2 施工工序：圖4 三臺階法斷面施工工序圖

圖4 三臺階法斷面施工工序圖

①開挖上部臺階，施作上部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護，即初噴4cm 厚混凝土，架立鋼架；鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復噴混凝土至設(shè)計厚度。②上臺階施工至適當距離后，開挖中部臺階，接長鋼架，施作洞身結(jié)構(gòu)的初期支護。③開挖下部臺階，及時封閉初期支護。④灌筑該段內(nèi)仰拱。⑤灌筑該段內(nèi)隧底填充。

3.4.3 施工注意事項

①隧道施工應(yīng)堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。②如有超前支護等輔助施工措施，應(yīng)首先利用上一循環(huán)架立的鋼架施作完畢，再開挖。③開挖方式均采用弱爆破。爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量。④鎖腳鋼管應(yīng)及時設(shè)置，且必須對鎖腳鋼管進行注漿，以確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。⑤各步臺階一次開挖長度宜在2～3m 之間。下部臺階開挖后仰拱應(yīng)緊跟。⑥本隧道III、Ⅳ級圍巖每循環(huán)開挖進尺為2m，II 級圍巖每循環(huán)開挖進尺為3m，仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，及時施作并封閉成環(huán)，封閉位置距離掌子面不得大于35m。⑦上臺階開挖進尺5m 左右時，開始中臺階開挖，中臺階進尺5～10m 后，開始下臺階開挖；中下臺階開挖時馬口錯開兩個循環(huán)（2m）。初期支護封閉成環(huán)位置距掌子面約30m；仰拱及仰拱填充滯后封閉成環(huán)位置約10m；二襯滯后仰拱填充約35m。滿足安全步距要求。⑧上中臺階出渣時，挖掘機在中臺階展開作業(yè)；下臺階開挖時，挖掘機在已完成仰拱填充或未開挖下臺階展開作業(yè)。

4 兩條隧道施工管控

2019 年8 月15 日，下北山2#隧道澆筑進洞口首版二襯，此時羊頭山隧道掌子面位于S1DK1+963，滯后下北山2#隧道二襯約52m，滯后下北山2#隧道1 號導洞掌子面約225.2m。2019 年9 月19 日，此時羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+015，位于下北山2#隧道進口，即下北山2#隧道首版二襯處，滯后下北山2#隧道二襯約48m。2019年11 月15 日，此時羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+133，此時圍巖等級為II 級，超過下北山2#隧道二襯。2020 年1 月3 日，此時羊頭山隧道掌子面位于S1DK2+226，滯后下北山2#隧道1 號導洞約218m，此時下北山2#隧道1號導洞已經(jīng)貫通。2020 年5 月13 日，羊頭山隧道左洞掌子面位于S1DK2+444，超過下北山2#隧道出口。2020 年7月17 日，羊頭山隧道右洞掌子面位于S1DK2+444，超過下北山2#隧道出口。通過實際施工情況分析，下北山隧道采用雙側(cè)壁導坑法，每個導洞進尺不一樣，單個隧道的工作面接近10 處；羊頭山隧道進洞比下北山隧道遲4 個月，且后期進度較慢，因此未能按照最初預(yù)定的總體實施方案進行施工，兩隧道掌子面在30m 之間的施工協(xié)調(diào)管理是重點，對兩個隧道的安全尤為重要，同時必須考慮到爆破對二襯結(jié)構(gòu)的影響。

①當兩條隧道間距小于30m，建立聯(lián)絡(luò)機制，爆破開挖時間必須錯開。提前一天大概確定第二天起爆時間通知對方，然后開始裝藥時再通知一次，準備起爆前再通知一下，確保另外一個隧道里人員全部清走后再起爆。②開挖采用光面爆破技術(shù)，不應(yīng)欠挖，盡量減少超挖，其開挖半徑的平均徑向超挖值，平洞不應(yīng)大于15cm。爆破進尺根據(jù)圍巖條件確定，控制炮眼裝藥量和質(zhì)點震動速度，以最大限度保護周邊巖體的完整性，控制超欠挖。對于洞口段、軟弱圍巖及不良地質(zhì)地段，應(yīng)遵循“少擾動，快加固，勤量測，早封閉”的原則，有效控制圍巖變形，保證隧道結(jié)構(gòu)安全，當發(fā)現(xiàn)圍巖變形不收斂或其它異常情況時需采取加強措施。③爆破震速控制，通過優(yōu)化裝藥量及爆破工藝，羊頭山隧道的爆破振速控制在每秒2cm，下北山隧道爆破振速控制在每秒2.5cm。④因為下北山隧道二襯施工在前，羊頭山隧道掌子面一開始在后，并最終超過下北山隧道二襯，考慮到羊頭山隧道爆破施工對下北山隧道二襯結(jié)構(gòu)的影響，一是在II 級圍巖的里程段進行超越，控制圍巖變形；二是堅持短進尺，減少一次爆破用量；三是及時進行初期支護，不能暴露時間過長。⑤加密隧道監(jiān)控量測，對相關(guān)監(jiān)測項目一天兩測。隧道施工過程中，未發(fā)現(xiàn)有監(jiān)測預(yù)警的情況發(fā)生，總體施工安全可控。

5 結(jié)束語

綜上可知，羊頭山隧道與下北山隧道并行施工，施工過程中因進度原因未能按照既定的先下后上以及下北山隧道的二襯滯后于羊頭山隧道掌子面的施工順序，而是存在一年左右的交叉施工。通過采取一系列施工措施，確保了施工安全及隧道結(jié)構(gòu)的安全，對后續(xù)類似工程建設(shè)具有一定的指導意義。