田 帥

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，地下隧道建設(shè)已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。然而，地質(zhì)條件復(fù)雜和既有隧道密集的城市環(huán)境下，隧道建設(shè)往往面臨著各種挑戰(zhàn)，采用礦山法隧道近距離下穿既有隧道的建設(shè)更是如此。在這種情況下，如何保證隧道建設(shè)的安全性和可行性，成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。

為了解決這一難題，隧道工程師們不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索。鄧文亮等[1]對(duì)礦山法隧道下穿既有地鐵線的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。王美霞等[2]對(duì)小凈距隧道下穿既有隧道施工沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。王曉夫等[3]對(duì)泥質(zhì)圍巖隧道工程的地址特性和主動(dòng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討。

礦山法隧道近距離下穿既有隧道建設(shè)中涉及隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支護(hù)措施、施工方案等多個(gè)方面。本文以貴陽(yáng)某在建項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)技術(shù)方案和施工要求入手，結(jié)合有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，探討如何在泥巖地層條件下安全施工近距離下穿既有小凈距隧道的問(wèn)題，旨在為同類型工程提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

貴陽(yáng)蔡家關(guān)一號(hào)隧道為市政工程山嶺隧道，采用礦山法施工。隧道為雙向六車道小凈距隧道，左洞長(zhǎng)度為1276 m，右洞長(zhǎng)度為1243 m。隧道左線和右線平面設(shè)計(jì)進(jìn)口段和出口段均位于直線上，中段位于圓曲線上，縱斷面設(shè)計(jì)為-2.95%與4.5%的V 字坡。

本項(xiàng)目隧道在MLK2+445～MLK2+480、MRK2+440～MRK2+470 處下穿既有隧道。該既有隧道采用雙向六車道小凈距礦山法隧道，兩隧道夾角約77°，平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 蔡家關(guān)一號(hào)隧道與苗圃一號(hào)隧道的平面位置關(guān)系

由于道路縱坡的限制，蔡家關(guān)一號(hào)隧道左線隧道拱頂距離既有隧道仰拱底的距離約為6.3 m，蔡家關(guān)一號(hào)隧道右線隧道拱頂距離苗圃一號(hào)隧道仰拱底的距離約為5.2 m。此處隧道埋深約為68 m，屬于深埋隧道。由于新建隧道與苗圃一號(hào)隧道距離較近，為保證在下穿過(guò)程中苗圃一號(hào)隧道的安全，需要采取一定的工程措施。具體的豎向位置關(guān)系見圖2。

圖2 蔡家關(guān)一號(hào)隧道與苗圃一號(hào)隧道的豎向位置關(guān)系

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

此處下穿節(jié)點(diǎn)隧道洞身圍巖主要為灰?guī)r、泥巖，巖層呈中風(fēng)化，夾薄層粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖，巖體破碎- 較破碎，巖層產(chǎn)狀變化較大，節(jié)理、裂隙極發(fā)育，裂隙面及其組合雜亂，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)很差，圍巖等級(jí)為V 級(jí)。枯季地下水較貧乏，雨季含少量裂隙水，地下水呈潮濕狀或點(diǎn)滴狀滲出。

隧道開挖過(guò)程中，泥巖中的黏土礦物、其可溶性、裂縫結(jié)構(gòu)的擴(kuò)容和膨脹效應(yīng)（碳質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵、鋁質(zhì)）等因素，均可導(dǎo)致巖體遇水快速崩解。其中，碳質(zhì)泥巖地層的水穩(wěn)定性最差，在開挖卸荷和干濕循環(huán)條件下，其力學(xué)強(qiáng)度急劇下降，其黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角最多可降至水軟化前的95%、26%以上[4-5]。因此，隧道施工過(guò)程容易發(fā)生坍塌風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)支護(hù)措施以確保隧道施工的安全。

3 設(shè)計(jì)方案與施工要求

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

本工程隧道的毛洞開挖跨度約為17 m，開挖高度約為11.5 m。相比于鄰近非下穿段落，在同等圍巖級(jí)別條件下，本工程對(duì)下穿段落的初期支護(hù)和二次襯砌都進(jìn)行了加強(qiáng)。襯砌設(shè)計(jì)圖詳見圖3，主要加強(qiáng)措施如下：

圖3 下穿段落隧道襯砌設(shè)計(jì)（單位：mm）

（1）初期支護(hù)加強(qiáng)，原來(lái)的初支厚度為280 mm，采用I22b 工字鋼，間距為750 mm，現(xiàn)在加強(qiáng)到初支厚度為310 mm，采用I25b 工字鋼，間距為500 mm。

（2）二次襯砌厚度由原來(lái)的600 mm 加強(qiáng)到650 mm。

（3）由于隧道拱頂距離上方既有隧道距離僅5.2 m，取消拱頂范圍內(nèi)的徑向錨桿。

（4）考慮到貴陽(yáng)地區(qū)巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，如果隧道下方存在溶洞等不良地質(zhì)，會(huì)引起隧道沉降導(dǎo)致上方既有隧道開裂。因此，在仰拱底設(shè)置徑向φ25 中空注漿錨桿以充填加固可能存在的巖溶區(qū)域。

3.2 輔助工程措施設(shè)計(jì)

3.2.1 超前支護(hù)

此段隧道拱頂150°范圍內(nèi)采用超前管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管的超前支護(hù)措施，二者縱向間隔布置。管棚采用φ108×6 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度18 m，環(huán)向間距0.3 m，外插角2°～3°，縱向間距為14 m；兩環(huán)長(zhǎng)管棚之間設(shè)置φ42×4 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，外插腳10°～12°，縱向間距2 m。注漿材料均采用雙液漿以防止地下水對(duì)開挖范圍內(nèi)圍巖造成影響。

為保證長(zhǎng)管棚的施工空間，本工程采用漸變向前擴(kuò)寬的形式施工管棚工作室。管棚工作室斷面比原斷面外擴(kuò)50 cm，支護(hù)參數(shù)不變，同時(shí)在工作室端部密排兩榀I25b 工字鋼進(jìn)行加強(qiáng)，防止開挖過(guò)程中管棚發(fā)生沉降變形。設(shè)計(jì)示意圖詳見圖4。

圖4 管棚工作室設(shè)計(jì)

3.2.2 掌子面注漿加固

采用掌子面注漿加固方法，旨在改善前方圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，并封堵掌子面地下水，從而保證隧道開挖過(guò)程中掌子面的穩(wěn)定性。

對(duì)于上臺(tái)階掌子面，采用φ50 高壓PVC 管進(jìn)行注漿預(yù)加固，鉆孔直徑φ89，單循環(huán)加固長(zhǎng)度為10 m，注漿前在掌子面端部埋φ89 無(wú)縫鋼管作為孔口管，孔口管長(zhǎng)2～3 m，孔口外露200～300 mm。間距尺寸為1.5 m×1.5 m，梅花形布置，兩個(gè)循環(huán)間需搭接3.0 m。注漿材料采用雙液漿，注漿壓力控制在0.5～1 MPa。

3.3 施工工法及要求

本項(xiàng)目隧道在下穿隧道節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)采用CRD工法施工。為保證施工的穩(wěn)定性和安全性，左右導(dǎo)洞上臺(tái)階長(zhǎng)度不得大于8 m，先行導(dǎo)洞下臺(tái)階掌子面距離后行導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖面距離宜為6～8 m。初期支護(hù)應(yīng)緊跟掌子面，二次襯砌距離上一步序開挖面的間距不大于6 m。單洞施工步序示意圖見圖5。

圖5 單洞施工工序示意圖

為保證整個(gè)隧道下穿施工的安全性，本項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提出了一系列要求，具體如下：

（1）先行實(shí)施超前支護(hù)、掌子面加固。掌子面加固后，開挖前應(yīng)對(duì)加固體強(qiáng)度（無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu不得低于0.3 MPa）、滲透系數(shù)（不得大于1×10-7cm/s）進(jìn)行檢測(cè)，滿足要求后方可進(jìn)行后續(xù)施工。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)嚴(yán)格采用機(jī)械開挖方式，單次開挖進(jìn)尺不得大于一榀鋼架間距，并及時(shí)支護(hù)。待初支強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)預(yù)埋的注漿管及時(shí)回填注漿。注漿管可采用φ42×4 鋼花管，長(zhǎng)度50 cm（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整）。注漿采用雙液漿，注漿壓力0.3～0.5 MPa。并采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)初支背后與圍巖間的密實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，合格后方可開展后續(xù)施工。

（3）初期支護(hù)施作并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌。二次襯砌與初期支護(hù)間通過(guò)預(yù)埋的注漿管及時(shí)回填水泥漿（摻入微膨脹劑），并采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)以確保密實(shí)性。

（4）下穿苗圃隧道范圍內(nèi)，嚴(yán)禁左右線隧道掌子面同時(shí)施工。應(yīng)先完成一側(cè)隧道的下穿施工，且二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，才能開始另外一側(cè)隧道的下穿施工。

（5）單洞二次襯砌與上一步序開挖面的間距不大于6 m。

（6）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作。當(dāng)出現(xiàn)圍巖及支護(hù)變形情況異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)反饋，待各方制定合理的方案后，方可進(jìn)行后續(xù)施工。

4 有限元計(jì)算分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的合理性，本文利用Midas GTS NX 軟件建立了三維有限元模型，對(duì)本項(xiàng)目隧道開挖對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行了分析。主要分析了支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)前后兩種計(jì)算工況，地層參數(shù)參考了地勘報(bào)告，并根據(jù)實(shí)際地形建立了模型，消除了邊界效應(yīng)的影響。土體采用了摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。通過(guò)注漿圈的形式模擬大管棚、小導(dǎo)管和錨桿的支護(hù)效果。有限元模型見圖6。

圖6 有限元模型

4.1 支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)前后計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，支護(hù)未加強(qiáng)時(shí)，隧道開挖引起的苗圃一號(hào)隧道的最大沉降變形為25.9 mm；支護(hù)加強(qiáng)后隧道開挖引起的苗圃一號(hào)隧道的最大沉降變形為7.91 mm（見圖7）。加強(qiáng)后的支護(hù)方案對(duì)于苗圃一號(hào)隧道的變形控制顯著。

圖7 苗圃一號(hào)隧道仰拱拱底沉降變形圖（單位：m）

4.2 隧道開挖對(duì)下穿隧道影響規(guī)律分析

針對(duì)加強(qiáng)后的支護(hù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)圖7 可以看出，苗圃一號(hào)隧道仰拱沉降最大值發(fā)生在新建隧道和既有隧道的4 個(gè)相交點(diǎn)處，分別為7.19 mm、7.22 mm、7.79 mm、7.55 mm。隨著隧道開挖步驟的進(jìn)行，各交點(diǎn)的沉降變形見圖8。以苗圃一號(hào)隧道左線為例，在施工步驟為19 步至55 步的過(guò)程中，觀測(cè)點(diǎn)1 和2 的沉降變形速率較大。因此，可以認(rèn)為在此范圍內(nèi)，隧道施工對(duì)苗圃一號(hào)隧道左線的開挖影響較大，大致影響范圍為既有隧道與新建隧道平面相交投影范圍前后各延伸10 m，共計(jì)50 m。在施工過(guò)程中，應(yīng)特別注意此范圍內(nèi)的影響。對(duì)于苗圃一號(hào)隧道右線的影響規(guī)律基本與左線相同。

圖8 交點(diǎn)位置沉降隨施工步驟變化

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果分析

在下穿節(jié)點(diǎn)施工期間，采用全站儀對(duì)苗圃一號(hào)隧道的沉降和收斂變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。為了全面掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沿著苗圃隧道軸線方向前后布置了共12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，且監(jiān)測(cè)斷面之間的間距設(shè)置為10 m。為確保監(jiān)測(cè)工作的科學(xué)性和合理性，與管養(yǎng)單位進(jìn)行了充分溝通和協(xié)商，并共同制定了下穿隧道的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)，具體內(nèi)容見表1。

表1 監(jiān)測(cè)控制指標(biāo) 單位：mm

進(jìn)入下穿區(qū)段影響區(qū)域開始施工開始時(shí)間為2021 年8 月，完成下穿段施工的時(shí)間是2022 年7月，耗時(shí)約11 個(gè)月。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，施工期間苗圃一號(hào)隧道的水平收斂變形偏小，最終累計(jì)收斂變形約2 mm，變化并不顯著，施工期間以沉降變形為主，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其最不利斷面的累計(jì)沉降變形約為6 mm，實(shí)際變形未超過(guò)預(yù)警值，處于安全狀態(tài)。與數(shù)值模擬分析相比，實(shí)際累計(jì)沉降變形約6 mm，實(shí)際累計(jì)沉降變形約比模擬值小1 mm。詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖9。

圖9 苗圃一號(hào)隧道沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

本工程結(jié)合貴陽(yáng)泥巖地層的特性，采取針對(duì)性的支護(hù)加強(qiáng)措施，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)前后對(duì)下穿隧道的變形影響結(jié)果，加強(qiáng)后的支護(hù)方案能夠顯著控制下穿隧道的變形?；诂F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的反饋，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較小，隧道施工期間各項(xiàng)變形指標(biāo)均正常，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)苗圃一號(hào)隧道的順利下穿，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，確保了既有小凈距隧道施工期間的安全性，本項(xiàng)目的研究可以為類似項(xiàng)目提供有益參考。