地鐵淺埋砂層大跨度、小凈距多聯(lián)隧道并行施工順序研究

張文明

(中鐵十七局集團第一工程有限公司，030032，太原//工程師)

石家莊地鐵1號線中山廣場站—解放廣場站區(qū)間(以下簡為“中—解區(qū)間”)橫通道連接線路為左右線分離式雙洞隧道(交叉渡線處為3洞并列)。該段隧道平面圖見圖1。其中，1號豎井進洞開挖斷面為2-2斷面，3孔聯(lián)立的渡線交叉開挖斷面為1-1斷面。2-2斷面為并行隧道，最大孔隧道跨度達到14.30 m，緊鄰側(cè)小斷面斷面跨度6.48～8.50 m，兩隧道凈距最小處只有0.6 m。大洞采用雙側(cè)壁9(6)導(dǎo)洞和CRD法(中隔墻加臺階工法)施工，小洞采用臺階法施工。1-1斷面處隧道由2孔開挖變?yōu)?孔開挖。由于施工情況復(fù)雜，并行隧道的施工順序?qū)κ┕ぐ踩休^大影響。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 群洞隧道施工順序的研究

2002年，文獻[1]以軟弱圍巖隧道為研究對象，采用模型試驗和有限元計算方法相結(jié)合的手段，對淺埋小間距3孔隧道平行施工進行了施工力學(xué)研究，提出：采用先邊洞后中洞的工法時，中洞施工是關(guān)鍵工序；采用先中洞后邊洞施工工法時，2個邊洞施工是關(guān)鍵工序；中洞后挖工法受力比邊洞后挖施工更為不利。

1.2 中夾土體巖性穩(wěn)定性與加固措施研究

中間土體的完整性應(yīng)力集中是引起隧道破壞的主要原因。文獻[2]通過對招寶山隧道淺埋小凈距隧道中夾土體巖受力特點研究，得出結(jié)論：中夾巖柱必須施加側(cè)向約束，且中夾圍巖土體必須進行注漿加固處理，以保證開挖初期支護施加前有足夠時間支撐其頂部荷載。文獻[3]論證了小凈距隧道施工時采用三臺階預(yù)留核心土法的良好效果。

1.3 洞并列時開挖順序的穩(wěn)定性研究

群洞進洞順序的研究是目前的熱點。2010年文獻[4]對平行三斷面隧道以韓府山隧道為依托進行了數(shù)值模擬和實際比對，得出如下結(jié)論：①左右邊導(dǎo)洞的錯步先行開挖比同時開挖對中洞影響略有利，對隧道主應(yīng)力的分布和大小影響不大。②中洞先行對隧道穩(wěn)定性影響一般在8～12 m范圍內(nèi)，綜合考慮圍巖整體性及支護受力狀態(tài)得出：先挖邊導(dǎo)洞再施工中洞的方案比較合理。③雙側(cè)壁導(dǎo)坑法比其他工法更適宜在平行三導(dǎo)洞小凈距施工應(yīng)用。文獻[5]采用二維數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)采用CD(中隔墻)法進行小凈距隧道開挖有利于控制圍巖變形，且施工中應(yīng)采用預(yù)注漿及施作中空注漿錨桿等方式加固。

圖1 中—解區(qū)間橫通道隧道平面設(shè)計

2 施工順序分析

2.1 小凈距雙洞并聯(lián)對向暗挖施工順序

1-1斷面與2-2斷面應(yīng)力變化非常復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)模型模擬難度大。本文首先采用數(shù)值分析手段對地層沉降和塑性區(qū)分布進行探討，并結(jié)合現(xiàn)場施工進行拱頂沉降分析。

方案1：橫通道施工區(qū)間正線馬頭門先施作大斷面區(qū)間，待大斷面區(qū)間初期支護、二襯施工完成后，再施工臨邊小斷面和對側(cè)小斷面。該方案優(yōu)點是先難后易。但該隧道小斷面全部集中在左線，先大后小的施工順序制約了左線貫通，無法滿足左線貫通的工期要求。

方案2：小斷面初期支護先施作30 m，再施工臨側(cè)大斷面和對側(cè)大斷面。該方案優(yōu)點是既可先施工大斷面又可先施工小斷面，并且小斷面先施工簡單，可提前左洞貫通。但后續(xù)大洞開挖的難度增加，偏壓的風險性相對增大。故從工期角度考慮，先大后小為最優(yōu)施作方案，但安全風險大。

2.2 仿真模擬力學(xué)狀態(tài)分析

先用FLAC3D軟件對2-2斷面施工過程模擬，再用MIDAS軟件對1-1斷面3孔并行隧道的施工進行二維分析計算。

2.2.1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 仿真計算結(jié)果分析

仿真計算工況有2個：①工況1：先施工大斷面，二次襯砌完成后，再開始施工小斷面。工況1的計算結(jié)果如圖2所示。施工完成后拱頂沉降為33 mm。②工況2：先施工小斷面，并做初期支護，不施工二次襯砌；待小斷面施工完畢后，再施工大斷面，最后得出大斷面二次襯砌完成后的結(jié)構(gòu)豎向位移。工況2計算結(jié)果如圖3所示。施工完成后拱頂沉降37 mm。

圖2 小斷面初期支護完成后支護結(jié)構(gòu)豎向位移

圖3 大斷面二襯完成后支護結(jié)構(gòu)豎向位移

由通過數(shù)值模擬分析結(jié)果得到：按工況1施工順序?qū)刂乒绊敵两涤欣?，如采用工況2沉降也可滿足規(guī)范要求。根據(jù)本項目施工進度要求，如先開挖大斷面，則其開挖和襯砌施作時間過長，會影響整體隧道施工工期。因此，采用先開挖小斷面后施作大斷面的施工順序，并通過有限元模擬對結(jié)構(gòu)的安全性進行驗算。

2.3 對向進洞馬頭門的主要施工措施

采用二襯進洞方式，前期主要施工措施為：

(1) 為安全進正洞，在馬頭門破除前于橫通道設(shè)置2道臨時中隔板。

(2) 橫通道初次襯砌施工完畢后，沿區(qū)間斷面位置施作區(qū)間的深孔注漿工藝，并沿馬頭門外輪廓位置打設(shè)雙排φ42超前導(dǎo)管。上下排導(dǎo)管錯開布置，單根導(dǎo)管長度為4 m。導(dǎo)管完成后注漿加固地層。

(3) 待區(qū)間正線施工完畢后，方可破除橫通道臨時中隔板。區(qū)間初次襯砌的格柵鋼筋要與橫通道初襯格柵鋼筋有效連接。橫通道在開洞范圍內(nèi)應(yīng)做好支撐，施工時加強監(jiān)測。

2.4 1-1斷面3洞開挖順序及施工措施

2.4.1 開挖順序及模擬分析

二次襯砌施工順序①：左、右邊洞順次開挖，再施作左、右邊洞二次襯砌，待二次襯砌穩(wěn)定后進行中洞開挖支護施工。順序②：3孔隧道先后開挖，并施工初期支護；待初期支護穩(wěn)定后，按隧道開挖先后順序施作二次襯砌。

文獻[6]結(jié)合某大斷面小凈距隧道工程實際進行研究。研究結(jié)果表明：后施工洞宜在先施工的邊導(dǎo)洞二次襯砌施作后開挖。本文重點研究3洞初期支護完成后再施作二次襯砌后的沉降情況，按中—解區(qū)間隧道現(xiàn)場實際施工順序(先施工左右邊隧道，后施工中間隧道)進行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果見圖4。

圖4 MIDAS模擬計算(3洞開挖)

開挖支護后，仰拱出現(xiàn)了應(yīng)力松弛區(qū)，其最大主應(yīng)力為172 kPa，仰拱兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，左側(cè)最大主應(yīng)力為593 kPa，右側(cè)最大主應(yīng)力為551 kPa。拆除臨時支護后，拱頂和仰拱處最大主應(yīng)力變小，邊墻最大主應(yīng)力變大(見圖5)?？梢?，兩邊導(dǎo)洞實際施工難度不大，而中洞拱頂上方圍巖是最主要的監(jiān)控目標。

圖5 中間洞開挖完成后的應(yīng)力分布

2.4.2 開挖施工措施

根據(jù)工程經(jīng)驗，中—解區(qū)間暗挖隧道的主要施工控制措施為：邊導(dǎo)洞先采用臺階法施工，其初期支護采用雙排小導(dǎo)管加密布置方式；施工邊導(dǎo)洞過程中對中間導(dǎo)洞采用注漿加固的方法(向土體施作φ42小導(dǎo)管徑向注漿，長度與土體厚度相同”)；中間導(dǎo)洞施工時采用WSS(無收縮)超細水泥-水玻璃雙液深孔注漿。隧道初期支護外2.0 m、初期支護內(nèi)1.0 m注漿，形成3.0 m厚注漿帶。3洞中間土體的加固如圖6所示。

實際開挖過程中重點對左側(cè)導(dǎo)洞和中間導(dǎo)洞的拱頂及側(cè)墻進行監(jiān)測。最大沉降值為2.94 cm，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

圖6 中間土體加固斷面

3 結(jié)論

(1) 在淺埋砂層施工中，小凈距2孔隧道并行開挖時，須確定先施工小斷面隧道還是大斷面隧道。當兩隧道距離較小(一般為0.5～2.0 m)時，按以往的研究結(jié)果，先開大斷面隧道比較安全。本文通過對不同工況的研究發(fā)現(xiàn)，施工順序?qū)ψ罱K沉降基本無影響，現(xiàn)場大小斷面隧道開挖順序的選擇需綜合考慮隧道施工工期和出渣的便利。如先開挖小斷面，則小斷面初期支護應(yīng)采用深孔注漿+工字鋼格柵加固，以確保施工安全可行。

(2) 在砂質(zhì)地層中，當馬頭門處開挖時，選擇大斷面隧道和對向交叉小斷面隧道先行的方案安全性高。小斷面隧道臺階法初期支護完成后，即可進行大斷面隧道開挖施工，不需進行小斷面隧道二次襯砌施工。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工法可同時開挖大斷面隧道、遠側(cè)小導(dǎo)洞與小斷面隧道，大大節(jié)約了工期。

(3) 小凈距3洞開挖時，邊導(dǎo)洞可先施工。先施工邊洞完成初期支護后進行帷幕注漿，隨后可施作中導(dǎo)洞。中隔壁巖土穩(wěn)定采用超細水泥-深孔注漿加固工藝，可行性較強，注漿效果好。先邊洞后中洞的開挖順序安全性更高。

[1] 王明年，李志業(yè)，關(guān)寶樹.3孔小間距淺埋暗挖隧道地表沉降控制技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2002，23(6)：821.

[2] 劉艷青.小凈距并行隧道力學(xué)狀態(tài)試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(5)：590.

[3] 張周平.軟弱圍巖區(qū)小凈距隧道施工技術(shù)探討[J].科技與創(chuàng)新，2016(4)：128.

[4] 馬軍秋.平行三孔大斷面小凈距施工技術(shù)與力學(xué)特性研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[5] 唐國軍，陳人豪，周祥.高速公路小凈距隧道施工技術(shù)研究[J].西部交通科技，2016(1)：41.

[6] 龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(1)：236.