戴志仁 王 俊 李小強(qiáng) 胡瑞青

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710043)

1 引言

目前，成都市第四期建設(shè)規(guī)劃相關(guān)線路已經(jīng)全面進(jìn)入實(shí)施階段[1]，第四期及后續(xù)地鐵線路建設(shè)條件愈加苛刻，在工法選擇與環(huán)境保護(hù)方面的要求更加嚴(yán)格?？v觀成都地鐵十多年建設(shè)史，富水砂卵石地層區(qū)間隧道基本采用盾構(gòu)法施工，“能盾則盾”是地鐵區(qū)間隧道工法的基本原則[2]。然而，隨著前三輪建設(shè)規(guī)劃線路的陸續(xù)建成通車，在已實(shí)施地鐵線路占據(jù)了有利的地下廊道后，后續(xù)線路面臨的建設(shè)條件與環(huán)境保護(hù)要求將更加苛刻，再加上由于盾構(gòu)法隧道必須考慮盾構(gòu)始發(fā)與接收?qǐng)龅?、無法有效清除隧道開挖范圍內(nèi)的障礙物(清障能力有限)、大粒徑砂卵石地層中容易引起超挖與地層空洞等弊端，導(dǎo)致其應(yīng)用受到了一定限制[3]。相比于盾構(gòu)法，礦山法具有場(chǎng)地布置靈活、占地少、工法靈活多變與適應(yīng)性強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，在盾構(gòu)法無法實(shí)施或盾構(gòu)法經(jīng)濟(jì)性較差的地段，往往成為盾構(gòu)法的重要補(bǔ)充，發(fā)揮著舉足輕重的作用，在4號(hào)線中醫(yī)學(xué)院～長(zhǎng)順街區(qū)間下穿2號(hào)線、4號(hào)線萬年場(chǎng)～東三環(huán)區(qū)間下穿成綿樂高鐵[4]以及5號(hào)線省骨科醫(yī)院～高升橋區(qū)間下穿3號(hào)線盾構(gòu)隧道等工程[5]中都得到了應(yīng)用，礦山法可謂是“受任于盾構(gòu)法危難之時(shí)”。

眾所周知，成都地區(qū)砂卵石地層屬于典型的強(qiáng)透水地層，對(duì)于第四紀(jì)松散地層中的礦山法隧道而言，超前支護(hù)措施及其效果是關(guān)系到隧道開挖安全的關(guān)鍵因素，而典型的地下水位高、卵石含量高以及地層強(qiáng)度高的“三高”特點(diǎn)，決定了一般的超前加固措施難以達(dá)到預(yù)期效果。

對(duì)于富水砂卵石地層條件下的地鐵隧道而言，由于礦山法隧道能夠有效彌補(bǔ)盾構(gòu)法隧道在整體工籌方面的缺陷或不足，確保地鐵工程整體工期的順利實(shí)現(xiàn)，因此一些學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究[6-7]，但缺少對(duì)大管棚承載機(jī)理、有效控制隧道開挖與襯砌階段地層位移的有效措施。本文基于富水砂卵石地層特性，針對(duì)礦山法隧道施工過程對(duì)地層的擾動(dòng)主要集中在開挖支護(hù)與洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除兩個(gè)階段，首先論證了地層超前支護(hù)措施在礦山法隧道中的需求，明確了超長(zhǎng)大管棚承載機(jī)理及其關(guān)鍵工藝；基于富水砂卵石地層在降水條件下的自穩(wěn)能力，提出了快封閉、強(qiáng)支護(hù)限制開挖階段拱頂位移的思路；針對(duì)洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除引起的應(yīng)力釋放，提出了可有效控制隧道拱頂位移與應(yīng)力釋放的多層襯砌結(jié)構(gòu)，滿足富水砂卵石地層礦山法隧道穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工需要，為礦山法隧道的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 工程地質(zhì)與砂卵石地層特性

成都地鐵區(qū)間隧道主要走行于富水的中密、密實(shí)卵石土，典型地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 工程地質(zhì)條件

由表1可知，砂卵石地層凝聚力為零，內(nèi)摩擦角較大，再加上粗顆粒骨架搭接，細(xì)粒填隙的基本構(gòu)架形式(見圖1)，同時(shí)地層具有卵石含量高以及地層強(qiáng)度高的特點(diǎn)，因此地層微擾動(dòng)情況下具有較高的整體自穩(wěn)能力，導(dǎo)致其坍塌變形具有：坍塌前變形趨勢(shì)不明顯，坍塌破壞表現(xiàn)出明顯的“脆性”特征，即超出自穩(wěn)能力后突然坍塌，同時(shí)隧道埋深不足時(shí)可能出現(xiàn)整體大規(guī)模坍塌與失穩(wěn)現(xiàn)象[8]。

圖1 典型砂卵石地層情況(自穩(wěn)能力)

3 礦山法隧道地層超前預(yù)加固措施

如何充分認(rèn)識(shí)、利用與改造砂卵石圍巖，基于有效的超前支護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)“超前支護(hù)(改造圍巖)、快速封閉、安全通過”的目的，是面臨的一大挑戰(zhàn)。

3.1 砂卵石地層超前支護(hù)措施

眾所周知，成都地區(qū)富水砂卵石地層屬于強(qiáng)透水地層，對(duì)于礦山法隧道而言，超前支護(hù)措施效果是關(guān)系到工程安全的關(guān)鍵，常用的超前支護(hù)方法有大管棚、插板法(預(yù)切槽)、超前錨桿法和小導(dǎo)管預(yù)注漿等，雖然有時(shí)也采用預(yù)留核心土、分部開挖(如單側(cè)導(dǎo)坑和雙側(cè)導(dǎo)坑)并輔以鋼架支護(hù)和超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)等多種手段，但這些做法工序多，循環(huán)短，效率低，效果也不理想，很難控制圍巖變形及地表下沉。

3.2 大管棚承載機(jī)理與發(fā)展趨勢(shì)

目前的大管棚超前預(yù)支護(hù)措施，主要是利用管棚與鋼拱架組成的棚架體系，利用鋼管作為縱向預(yù)支撐(梁效應(yīng))、鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐(拱環(huán)效應(yīng))，構(gòu)成縱、橫向整體剛度較大的支護(hù)系統(tǒng)(三維梁拱效應(yīng)的組合結(jié)構(gòu))，阻止和限制圍巖變形，提前承受早期圍巖壓力，但對(duì)于富水砂卵石地層而言，由于降水后地層自穩(wěn)性較好，此時(shí)大管棚的超前預(yù)支護(hù)機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

近年來，由于長(zhǎng)距離穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工需要，管棚長(zhǎng)度與直徑越來越大，管棚施工難度也越來越高，尤其對(duì)管棚施工精度有嚴(yán)格要求時(shí)。根據(jù)成都地鐵十多年建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，富水砂卵石地層中大管棚一次鉆進(jìn)長(zhǎng)度不大于30 m時(shí)，成孔精度與施工效果基本可控。但后續(xù)地鐵線路建設(shè)對(duì)高精度、超長(zhǎng)大管棚的需求卻越來越迫切，很多地段由于超長(zhǎng)大管棚施工效果無法保證，導(dǎo)致區(qū)間工法調(diào)整[9]，或重大風(fēng)險(xiǎn)源地段增設(shè)管棚工作井，極大地增加了工程風(fēng)險(xiǎn)與實(shí)施代價(jià)!

3.3 富水砂卵石地層大管棚支護(hù)機(jī)理

以黏性土與淤泥質(zhì)土為代表的軟土地層，大管棚超前支護(hù)作用非常明顯(如杭州解放路隧道)，但在富水砂卵石地層，考慮到降水后地層具有一定的自穩(wěn)能力，此時(shí)大管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)的作用主要表現(xiàn)在隔斷開挖擾動(dòng)、減小地層應(yīng)力釋放(見圖2，管棚隔斷施工擾動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)地層基本穩(wěn)定)，軟弱地層中的“棚架”效應(yīng)并不明顯。

圖2 富水砂卵石地層大管棚施工擾動(dòng)隔斷效應(yīng)(仰視)

針對(duì)富水砂卵石地層礦山法隧道典型大管棚支護(hù)參數(shù)(φ146×10.0鋼花管，環(huán)向間距0.3 m，隧道拱頂150°布置)，等效抗彎剛度計(jì)算如表2、表3所示。

表2 隧道拱頂以上管棚(φ146@300 mm)等效剛度計(jì)算

表3 隧道拱頂以上超前支護(hù)等效剛度計(jì)算/C30

計(jì)算可知，隧道拱頂以上大管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)措施，理論上可形成一定等效剛度的承載拱圈，進(jìn)一步可換成一定高度的C30鋼筋砼扣拱。一方面可極大地減少隧道拱頂?shù)膽?yīng)力釋放與沉降變形，滿足穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工需要；另一方面也可減少支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與耐久性，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

3.4 超長(zhǎng)大管棚工藝關(guān)鍵技術(shù)

近年來，高精度超長(zhǎng)大管棚在實(shí)際工程中的需求越來越迫切，如成都地鐵某區(qū)間穿越火車北站鐵路咽喉區(qū)，穿越段管棚施作長(zhǎng)度突破50 m，見圖3。

圖3 大管棚現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

超長(zhǎng)大管棚關(guān)鍵工藝主要涉及頂進(jìn)工藝、鉆頭強(qiáng)度與破巖(石)能力、鉆進(jìn)精度與導(dǎo)向裝置等。

(1)大管棚頂進(jìn)工藝與鉆頭選取

穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工期間，管棚鉆進(jìn)擾動(dòng)需要嚴(yán)格控制，應(yīng)考慮施工擾動(dòng)小、鉆進(jìn)與成孔效果可控的頂進(jìn)工藝。

實(shí)際工程表明，潛孔錘跟管鉆進(jìn)、螺旋出土工藝在高強(qiáng)度砂卵石地層中具有較好的效益。管內(nèi)設(shè)置螺旋出土鋼管，出土鋼管中間是螺旋鉆桿；頂進(jìn)鉆頭可選用高強(qiáng)度合金鋼，通過頂進(jìn)前方鉆頭沖擊破碎前方卵石土，回轉(zhuǎn)鉆頭將破碎的渣土排出，通過鉆孔螺旋鉆桿出土，見圖4。

圖4 大管棚打設(shè)用鉆頭

(2)大管棚施工導(dǎo)向控制與方向調(diào)節(jié)

穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源地段，管棚鉆進(jìn)施工精度需要達(dá)到1%以內(nèi)，因此管棚導(dǎo)向應(yīng)采用“傾角偏差”和“坐標(biāo)測(cè)量”雙重控制標(biāo)準(zhǔn)。

大管棚螺旋沖擊鉆進(jìn)施工主要靠鉆頭自重和定位擴(kuò)孔方式調(diào)節(jié)管棚頂進(jìn)方向。

(3)大管棚注漿工藝

大管棚管壁與地層之間存在一定空隙，可采用流動(dòng)性好、具有微膨脹性的水泥(砂)漿進(jìn)行管棚內(nèi)注漿。

由于管棚長(zhǎng)度大，注漿范圍長(zhǎng)，同時(shí)為防止過大的注漿壓力引起地層劈裂破壞與地層隆起變形，因此注漿壓力需要嚴(yán)格控制，具體注漿壓力值(終值)可參考公式(1)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況綜合確定。

式中，Pmax為注漿壓力終值；γ為地層重度；h為注漿點(diǎn)埋深；λt為圍巖抗拉強(qiáng)度。

4 基于微臺(tái)階開挖工法的快速支護(hù)技術(shù)

富水砂卵石地層，尤其是中密、密實(shí)的卵石土，雖然顆粒膠結(jié)程度一般屬于弱膠結(jié)，但由于粗粒搭接的顆粒骨架結(jié)構(gòu)，因此降水條件下具有相對(duì)較強(qiáng)的自穩(wěn)能力(微擾動(dòng)狀態(tài))。如何有效利用微擾動(dòng)情況下地層的自穩(wěn)能力，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)快速封閉，在地層變形加劇或失穩(wěn)前形成有效支護(hù)，有效避免常規(guī)支護(hù)封閉滯后面臨的局部坍塌風(fēng)險(xiǎn)，一方面滿足穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工需要，另一方面實(shí)現(xiàn)重大風(fēng)險(xiǎn)源地段迅速施工、快速通過的目的。

4.1 基于微臺(tái)階工法的初支結(jié)構(gòu)快速封閉工藝

基于黃土地區(qū)既有工程經(jīng)驗(yàn)[10]，與全斷面初支結(jié)構(gòu)相匹配的開挖工法為微臺(tái)階施工法(介于全斷面開挖與上下臺(tái)階法之間)，減小上臺(tái)階進(jìn)尺，減小單次開挖擾動(dòng)范圍，上臺(tái)階進(jìn)尺縮短、下臺(tái)階緊跟，有利于下半斷面初支結(jié)構(gòu)快速封閉(縮短初支封閉時(shí)間)，具體上臺(tái)階長(zhǎng)度一般可考慮為1～3 m，具體可視地層情況而定(中密卵石土地層按1～2 m考慮，密實(shí)卵石土地層按2～3 m考慮)，見圖5。

圖5 微臺(tái)階開挖工法示意

4.2 大剛度雙曲拱形初支結(jié)構(gòu)

初支結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較強(qiáng)的整體剛度，在穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源地段能夠最大程度減小拱頂位移，滿足風(fēng)險(xiǎn)源保護(hù)需要。此時(shí)，需要突破常規(guī)圍巖支護(hù)特性曲線的束縛，在圍巖應(yīng)力釋放前，施加強(qiáng)力支護(hù)措施，最大程度維持圍巖初始狀態(tài)?；诖耍疚囊腚p曲拱形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)理念[11]，基于縱向曲形的雙曲拱形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，在隧道縱斷面上形成扁形連拱，有效適應(yīng)荷載分布的變化，實(shí)現(xiàn)隧道橫向和縱向兩個(gè)方向的受力優(yōu)化，將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)由橫斷面承載轉(zhuǎn)變到三維空間承載，增加初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度，起到嚴(yán)格控制隧道拱頂沉降變形的目的，滿足穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源施工需要，見圖6。

圖6 雙曲拱形隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

5 無水作業(yè)與洞內(nèi)降排水措施

無水作業(yè)是礦山法隧道施工的前提，無水作業(yè)一方面可以改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境、提高作業(yè)效率，更為重要的是對(duì)地層而言，也是一種有效的加固措施。

然而，隨著隧道埋深的增加，常規(guī)地面降水施工對(duì)應(yīng)的水位降深可能超過30 m，或者受周邊環(huán)境所限無條件進(jìn)行地面降水施工，此時(shí)必須采用洞內(nèi)降水與明(抽)排相結(jié)合的處理方案[12]。

考慮到成都富水卵石土地層地下水位高、側(cè)向補(bǔ)給強(qiáng)這一特點(diǎn)(地層透氣性強(qiáng)，井點(diǎn)真空降水效果差，斜射井點(diǎn)超前降水效果欠佳)，洞內(nèi)降排水應(yīng)采用以排為主、降排結(jié)合的思路，采用盲管、接力井、集水井、抽排相結(jié)合的綜合降排水措施。

洞內(nèi)引排水采用盲管緊跟下臺(tái)階(仰拱封底無水作業(yè))，基于微臺(tái)階法的下臺(tái)階長(zhǎng)度較短，因此可最大程度縮小盲管與開挖面之間的距離，最大程度實(shí)現(xiàn)開挖面無水作業(yè)，見圖7。

圖7 洞內(nèi)降水井(集水井)施工情況

對(duì)于洞內(nèi)降水井的數(shù)量，可根據(jù)水位降深需要，按照潛水完整井公式計(jì)算涌水量Q，隨后考慮單口井降水能力后確定降水井?dāng)?shù)量[13]。

式中，Q為基坑涌水量(m3/d)；k為地層滲透系數(shù)(m/d)；H為潛水含水層厚度(m)；Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深(m)；R為降水影響半徑(m)，R＝2×；r0為基坑等效半徑(m)。

式中，n為降水井?dāng)?shù)量；q為設(shè)計(jì)單井管井的出水量(m3/d)，按計(jì)算公式(4)確定。

式中，rs為過濾器半徑，可取0.15 m；l為過濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度，可取0.8 m。

6 多層襯砌結(jié)構(gòu)與洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除

隧道拱頂應(yīng)力釋放與沉降變形是礦山法隧道洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除階段必須要面臨的問題，為確保穿越既有線或運(yùn)營(yíng)鐵路安全，拱頂位移在洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除階段必須得到嚴(yán)格控制。

一般而言，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性有嚴(yán)格要求的情況下會(huì)用到多層襯砌結(jié)構(gòu)形式，如港珠澳大橋拱北隧道?；阼F路隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，第一層襯砌結(jié)構(gòu)(二次襯砌)在洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除前實(shí)施，等到襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并承擔(dān)大部分圍巖荷載后，隨后再拆除洞內(nèi)臨時(shí)支撐，最后施作第二層襯砌結(jié)構(gòu)(三次襯砌，永久結(jié)構(gòu))，則可有效解決洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除期間隧道拱頂?shù)膽?yīng)力釋放。

6.1 多層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

以富水砂卵石地層某礦山法隧道工程為例(地層參數(shù)詳見表1)，對(duì)多層襯砌結(jié)構(gòu)礦山法隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算(二襯厚250 mm，三襯厚300 mm)[14]，二次襯砌施工、洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除、三次襯砌施工階段襯砌結(jié)構(gòu)彎矩等值線圖見圖8～圖10。

圖8 二襯澆筑后二襯彎矩等值線圖

圖9 拆撐與三襯澆筑階段二襯彎矩等值線圖

圖10 三襯澆筑后三襯彎矩等值線圖

由圖可知，二次襯砌施工、臨時(shí)支撐拆除與三次襯砌施工階段，二次襯砌最大彎矩值分別為30 kN·m、70 kN·m與72 kN·m，三次襯砌拱最大彎矩值為3.0 kN·m。因此，二次襯砌承擔(dān)了大部分荷載，作為永久結(jié)構(gòu)的三次襯砌，承載的荷載很小。如采用常規(guī)單層襯砌結(jié)構(gòu)型式，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 常規(guī)單層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與配筋計(jì)算

由多層襯砌與單層襯砌結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于常規(guī)的單層襯砌結(jié)構(gòu)而言，二襯承擔(dān)荷載較大，因此配筋相對(duì)較大，與多層襯砌結(jié)構(gòu)相比，襯砌結(jié)構(gòu)含鋼量與工程造價(jià)基本相當(dāng)，但多層襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的三襯(永久襯砌)安全系數(shù)大，更有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與長(zhǎng)期耐久性。

6.2 多層襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移等值線圖分析

雙層襯砌隧道工程施工期間，礦山法隧道與隧道拱頂上方0.5倍洞徑(3 m)處地層沉降變形情況如圖11所示。

圖11 隧道拱頂與上方地層沉降監(jiān)測(cè)情況

由圖11可知，隧道上方地層最大沉降值-13 mm，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。同時(shí)，初始開挖階段，隧道拱頂上方地層沉降值-7 mm，二襯施工后拆撐階段，拱頂上方地層沉降值-12 mm，增幅為-5 mm，隧道拱頂?shù)貙拥某两底冃沃饕校撼跏奸_挖擾動(dòng)與拆撐階段，初始開挖擾動(dòng)階段引起的變形相對(duì)較大，而二襯施作后對(duì)拆撐引起的應(yīng)力釋放有一定的抑制作用。

7 結(jié)論與建議

本文基于富水砂卵石地層條件下，礦山法隧道實(shí)際工程中遇到的地層超前加固、快速支護(hù)、隧道拱頂應(yīng)力釋放控制等問題進(jìn)行深入分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)基于潛孔錘跟管鉆進(jìn)與高強(qiáng)度合金鋼鉆頭的大管棚施工工藝，基本可滿足砂卵石地層高精度超長(zhǎng)大管棚施工需求；大管棚超前支護(hù)的作用主要表現(xiàn)在隔斷施工擾動(dòng)區(qū)域，減小對(duì)管棚上方地層自穩(wěn)能力的影響。

(2)基于降水條件下卵石土地層自穩(wěn)能力，與微臺(tái)階工法相匹配的雙曲拱形初期支護(hù)結(jié)構(gòu)具有快速封閉、大剛度、整體穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，可有效抑制開挖階段隧道拱頂位移。

(3)基于洞內(nèi)以排為主、降排結(jié)合的基本思路，采用盲管、集水井(接力井)實(shí)現(xiàn)抽排結(jié)合的降排水措施，可基本實(shí)現(xiàn)無水作業(yè)。

(4)多層襯砌結(jié)構(gòu)可有效控制洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除階段隧道拱頂?shù)膽?yīng)力釋放，與普通單層襯砌結(jié)構(gòu)相比，在襯砌結(jié)構(gòu)安全性與長(zhǎng)期耐久性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可在關(guān)鍵工程中推廣應(yīng)用。