城市軌道交通小凈距隧道暗挖技術(shù)

沈 利

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，200070，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

城市軌道交通一般建于市中心，多為地下隧道形式，受布線條件的限制，兩隧道的間距一般較小。小間距隧道是在特定地形條件下修建隧道的不得已的選擇。研究表明，兩隧道凈距過小可能會造成巖柱主應(yīng)力集中，導(dǎo)致失穩(wěn)，而隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性是決定小凈距隧道整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。我國小間距隧道的應(yīng)用和研究尚處于起步階段，施工過程中的力學(xué)特性和規(guī)律、洞室之間的相互影響等問題還缺乏系統(tǒng)和全面的研究，其設(shè)計理論和施工方法遠(yuǎn)未成熟，無法滿足工程的實際需要。

本文介紹了南京地鐵3號線大明路站配線段小凈距隧道的設(shè)計過程及施工方法，以期對將來類似條件下小凈距隧道的設(shè)計施工提供參考。

1 工程項目介紹

南京地鐵3號線D3－XK03標(biāo)段大明路站位于寧溧公路（卡子門大街）和大明路的交叉路口處，為分離式小凈距雙洞結(jié)構(gòu)，如圖1所示。左洞為車站配線段，設(shè)2條單渡線和1條停車線，停車線與左線線間距為4.2 m，采用暗挖礦山法施工；右洞單線隧道，也采用暗挖礦山法施工。兩正線線間距為13.7 m，左線與停車線為單洞雙線隧道，隧道拱頂埋深11.3 m～16.0m，隧道主要穿越的地層為④－2b2層可塑粉質(zhì)黏土、④－3b1層硬塑（局部可塑）黏土和粉質(zhì)黏土、④－4e層含卵礫石粉質(zhì)黏土層及K1g－3－2層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中④－4e層可塑含卵礫石粉質(zhì)黏土位于開挖范圍，為承壓含水層，圍巖穩(wěn)定性極差。暗挖配線段沿寧溧公路（卡子門大街）南北向設(shè)置，西側(cè)位于卡子門高架橋邊上，距離高架橋上匝道橋墩基礎(chǔ)承臺邊最近處僅為3.4 m；大小兩隧道襯砌間最小凈距僅為1.96 m，且含有承壓水的④－4e層位于隧道腰部，故設(shè)計施工的復(fù)雜程度非常高。

2 小凈距隧道設(shè)計方案

對于小凈距分離式隧道，施工方案的選擇較多。不管采用什么施工方案，都存在著相鄰隧道施工的相互影響問題，存在著二次沉降的問題。先開挖大洞還是小洞，以及大洞的開挖采用什么工法都是要慎重考慮的。選擇的施工方案必須首先能滿足對地質(zhì)水文環(huán)境的控制要求，滿足地面沉降的要求，然后再考慮施工工期、造價、難易程度等因素，通過綜合比較確定最終的方案。通過有限元數(shù)值模擬計算，分析比較兩種開挖順序的沉降變形特征。兩種方案開挖順序如圖2所示，計算結(jié)果如圖3所示。

圖1 雙洞結(jié)構(gòu)隧道斷面圖

圖2 隧道施工順序圖

圖3 隧道施工時拱頂及地面累計沉降仿真云圖

通過有限元計算得到：

1）采用先開挖大洞再開挖小洞的方式，地面最大沉降出現(xiàn)在后挖小洞開挖完成時，其最大地面沉降為29.4 mm，雙線隧道拱頂最大變形為36.45 mm，單線隧道拱頂最大變形為24.9 mm；

2）采用先開挖小洞再開挖大洞的方式，地面最大沉降出現(xiàn)在大洞開挖完成，其最大地面沉降為29.1 mm，雙線隧道拱頂最大變形為35.63 mm，單線隧道拱頂最大變形為24.1 mm。

由以上計算結(jié)果可以看出，先開挖小洞引起的地面沉降和拱頂位移要比先開挖大洞引起的地面沉降和拱頂位移要小，而且以上比較是建立在大小洞的開挖方式一樣的前提下，也就是說兩種方案的造價、工期均不會有太大出入。先開挖小洞可以起到探明地質(zhì)的作用，而且小洞封閉快、影響小，通過先施工小洞可以增強(qiáng)對地質(zhì)條件和水文條件的了解，增強(qiáng)對施工地層的掌控性，降低了施工風(fēng)險。綜合上述的理由，設(shè)計采用的施工方法為先施工小洞，后施工大洞，大洞采用4步CRD法（中隔墻加臺階工法）施工。

3 微承壓水層④－4e層的處理

根據(jù)地質(zhì)資料，承壓水含水層為④－4e含卵礫石粉質(zhì)黏土，上覆④－3b1層黏土、粉質(zhì)黏土為隔水頂板，隔水底板為下伏巖層。④－4e層承壓水頭埋深在地面下3.0～4.2 m，均位于開挖面內(nèi)，承壓水的涌出會造成基坑涌水，同時涌水極易夾帶土顆粒，造成開挖面坍塌。若處理不當(dāng)會造成開挖面大坍塌，襯砌止水或加固不及時，以及突發(fā)的涌水也會造成大坍塌，甚至工程事故。另外，隧道內(nèi)出現(xiàn)涌水后的排水會導(dǎo)致坑外承壓水頭下降，對周邊采用天然地基的建筑物會產(chǎn)生不利影響，故應(yīng)對承壓含水層進(jìn)行預(yù)處理。

根據(jù)地面交通狀況及周邊建筑物情況，應(yīng)優(yōu)先考慮采取降水措施，但降水措施也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，特別是降承壓水，會導(dǎo)致周邊地面比較大的沉降，后果較為嚴(yán)重。因此，采用洞內(nèi)注漿堵水。考慮到承壓水含水層和基巖相通，含水層之間水力聯(lián)系密切，為保證洞內(nèi)注漿堵水加固的質(zhì)量，本次設(shè)計擬在兩方面采取加強(qiáng)措施：①優(yōu)化超前注漿漿液配比，考慮到④－4e層水量較大，擬采用水泥＋水玻璃的雙液注漿系統(tǒng)；②根據(jù)隧道開挖時洞內(nèi)注漿效果，必要時在隧道開挖范圍兩側(cè)地面打設(shè)咬合高壓旋噴樁，樁長為④－4e層上下各5 m 長，與既有工作井及車站端頭井的止水帷幕連成整體，以形成一個封閉的環(huán)境，隔斷④－4e層承壓水間的補(bǔ)給。洞內(nèi)超前水平加固小導(dǎo)管平面布置如圖4所示。

4 兩隧間夾巖柱加固

圖4 洞內(nèi)超前水平加固小導(dǎo)管平面示意圖

對于小凈距分離隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性要求是隧道設(shè)計施工成功的關(guān)鍵。隧道中夾巖柱的破壞原因是因為兩洞之間距離太近，后洞開挖時塑性區(qū)貫通，隧間土體形成滑動面，導(dǎo)致后洞側(cè)壁塌方。小凈距夾巖柱的加固方式主要分2種：一種是由地面設(shè)置隔離墻，切斷兩條隧道之間塑性區(qū)的連接，通常采用的是鉆孔灌注樁，其優(yōu)點是效果較穩(wěn)定，缺點是工程造價較高，同時要利用地面作為施工場地，不能體現(xiàn)暗挖隧道的優(yōu)勢；另一種就是洞內(nèi)加固，一般采用小導(dǎo)管注漿＋對拉錨桿，考慮到隧道夾巖柱主要為粉質(zhì)黏土及部分強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，錨桿的效果不明顯，因此僅采用小導(dǎo)管的注漿加固。小導(dǎo)管注漿加固技術(shù)作用機(jī)理如下：小導(dǎo)管注漿可以改變圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖力學(xué)參數(shù)，主要通過小導(dǎo)管本身和漿液兩方面來實現(xiàn)。小導(dǎo)管本身加固圍巖的原理與錨桿加固圍巖原理相似，可以分為聯(lián)結(jié)、組合、整體加固等原理，而在小凈距隧道中夾巖柱區(qū)域，主要以整體加固原理為主。通過小導(dǎo)管支持力作用，在小導(dǎo)管周圍巖體形成壓縮帶，壓縮帶中巖體處于三向受壓狀態(tài)，使巖體強(qiáng)度大為提高，從而形成一個能承受一定荷載的穩(wěn)定巖體，即承載環(huán)。而注入的漿液改變了巖體的力學(xué)參數(shù)值，使彈性模量、黏著系數(shù)、內(nèi)摩擦角值提高，泊松比值減小，因此提高了圍巖柱本身的自穩(wěn)能力。通過兩方面的加固作用，使得小凈距隧道在雙洞開挖施工時，中夾巖塑性區(qū)出現(xiàn)時間得到延緩，出現(xiàn)區(qū)域大大減?。?］。

夾巖柱的加固是在單線隧道開挖時進(jìn)行，在靠近左側(cè)雙線隧道側(cè)打孔，間距為50 cm×50 cm 梅花形布置，安裝φ42 mm 無縫鋼管，管上鉆φ10 mm注漿孔，間距為10 mm×10 mm。對兩隧道間所夾巖柱體全部注漿加固，鋼管長度根據(jù)兩隧道間凈距確定，以不進(jìn)入雙線隧道內(nèi)為原則。單線隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)一定長度后，相鄰側(cè)隧道開挖之前，對注漿管進(jìn)行注漿。漿液為水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力為0.4～0.6 MPa。兩隧道間的中夾巖柱加固如圖5所示。

5 施工進(jìn)程及監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖5 中夾巖柱加固示意圖

隧道于2012年7月由北端工作井往車站方向開挖施工。右線從工作井往車站方向開挖130 m左右，然后，右線開辟第二個工作面由車站往工作井方向開挖，同時左線隧道（大洞）從工作井往車站方向開挖；2013年11月右線隧道貫通，2014年3月左線隧道貫通。

隧道累計變形及地面、建筑物沉降數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1 隧道監(jiān)測項目數(shù)據(jù)表

由表1可見，除DB5－2測點地面累計沉降超標(biāo)外，其余監(jiān)測項目均滿足要求。DB5－2 測點地面沉降超標(biāo)的主要原因在于為趕工期左線（大洞）在右線隧道貫通前就開始施工，并在中后段施工中采用了四步臺階法，提高了施工速度，但造成對地面沉降的控制不利。

6 結(jié)論

1）通過南京地鐵3號線大明路站暗挖配線段隧道的設(shè)計及施工可知，在特質(zhì)黏土地質(zhì)條件下暗挖施工小凈距淺埋隧道是可行的。

2）小凈距隧道的施工，存在著相鄰隧道施工的相互影響和二次沉降的問題，因此先開挖大洞還是小洞，以及大洞的開挖采用什么工法都是要慎重考慮的。先開挖小洞可以起到探明地質(zhì)的作用，而且小洞封閉快、影響小，通過先施工小洞可以增強(qiáng)對地質(zhì)條件和水文條件的了解，增強(qiáng)對施工地層的掌控性。而對于雙線隧道，因隧道凈跨大，分4步CRD法開挖增加了施工節(jié)點及施工的復(fù)雜性，減慢了隧道閉合的速度，而且二襯的施工難度大大增加，但對于地表的沉降控制相對有利；在工期受限的情況下，雙線隧道采用4步臺階法施工，施工速度快，但是對于地表的沉降控制效果較差。

3）設(shè)計采用先小洞后大洞的施工順序是安全可行的。小洞先行開挖起到地質(zhì)超前探測的作用，尤其是對探測④－4e層含水量情況是非常有用的，一旦發(fā)生地質(zhì)情況變化過大，小洞堵漏容易處理，而在大洞施工過程中可以采取針對性的措施，使施工更安全。

4）對小凈距分離隧道隧間夾巖柱加固采用洞內(nèi)小導(dǎo)管注漿方式，后挖隧道（大洞）變形收斂變小，可滿足施工安全要求，因此對于小凈距隧道隧間夾巖柱加固非常重要。

5）隧道開挖面有1～2 m 厚的含卵礫石粉質(zhì)黏土層，為弱承壓水層，其穩(wěn)定性較差。在隧道開挖前對掌子面④－4e層斷面進(jìn)行注漿加固，經(jīng)過加固后，效果較明顯，使④－4e層穩(wěn)定、無地下水滲漏，保證了隧道施工的安全。

［1］劉明高，高文學(xué)，劉冬.小凈距隧道中夾巖加固技術(shù)研究［J］.施工技術(shù)，2006（增刊）：172.

［2］劉貴平.城市軌道交通小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：97.