復(fù)雜地質(zhì)條件下單洞雙層隧道修建技術(shù)研究

李 強(qiáng)

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外采用暗挖法修建單洞雙層隧道并不多見(jiàn)，日本僅有一例一座單洞雙層隧道，另外俄羅斯采用盾構(gòu)法修建了雙洞雙層8車(chē)道隧道，日本在經(jīng)歷了大量地鐵修建成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)后，通過(guò)總結(jié)形成了“近接施工的設(shè)計(jì)、施工指南”；國(guó)內(nèi)整座隧道采用重疊結(jié)構(gòu)還沒(méi)有，但局部出現(xiàn)重疊的情況也有一些，如重慶輕軌區(qū)間隧道、福（州）廈（門(mén)）高速公路與泉（州）廈（門(mén)）高速公路的交叉點(diǎn)大坪山隧道為四隧道相交。但受地形、地質(zhì)、周邊構(gòu)筑物等條件的影響，單洞雙層隧道結(jié)構(gòu)的選擇是必然的，因此，開(kāi)展單洞雙層隧道修建技術(shù)的研究顯得尤為重要。

2 研究工點(diǎn)概況

研究工點(diǎn)位于深圳地鐵一期工程羅湖站至大劇院站，經(jīng)金利華商業(yè)廣場(chǎng)、地王大廈，區(qū)間隧道范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層、海沖積層及第四系中更新統(tǒng)殘積層，下覆基巖為燕山期花崗巖，基巖裂隙水較豐富，地下水主要來(lái)自布吉河河水補(bǔ)給，基底穩(wěn)定，為V級(jí)圍巖。地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)縱斷面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 支護(hù)參數(shù)

初期支護(hù)為30 cm厚C20網(wǎng)噴混凝土，全環(huán)格柵鋼架、0.5 m／榀，φ22砂漿錨桿長(zhǎng) 3 m、間距0.8 m×1.0 m，拱部長(zhǎng)4 m的φ42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、環(huán)向0.35m、縱向2.4 m一環(huán)，二次襯砌為50 cm厚C30鋼筋混凝土［1-3］。具體見(jiàn)圖2。

3.2 開(kāi)挖工法

采用預(yù)留核心土五臺(tái)階分部開(kāi)挖法，具體見(jiàn)圖3。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)（單位：cm）

圖3 開(kāi)挖支護(hù)工法（單位：cm）

3.3 計(jì)算模型

采用有限元計(jì)算軟件ANSYS9.0進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算范圍選取上部至地表、下部至隧道仰拱以下40 m、橫向總寬70 m，左右有水平約束、下部有垂直約束、地表為自由邊界，計(jì)算中，用平面四邊形實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)和二次襯砌，用桿單元模擬錨桿，計(jì)算模型總單元數(shù)為6 347個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 350個(gè)［4-7］。材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果

（1）初期支護(hù)內(nèi)力及安全性評(píng)價(jià)

初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

分析結(jié)果如下：

①初期支護(hù)最大軸力為5 071 kN，出現(xiàn)在拱頂；最大彎矩為332.6 kN·m，出現(xiàn)在隧底。

②初期支護(hù)未封閉成環(huán)之前，內(nèi)力變化幅度不大，一旦封閉成環(huán)后，內(nèi)力有較大幅度的增長(zhǎng)，為有效控制圍巖變形，應(yīng)及時(shí)封閉初期支護(hù)。

③由于邊墻上設(shè)置了臨時(shí)支撐，初期支護(hù)的內(nèi)力有較大改善，除個(gè)別點(diǎn)外，安全系數(shù)均大于1，應(yīng)及時(shí)施作二次襯砌，確保施工安全。

（2）二次襯砌內(nèi)力及安全性評(píng)價(jià)

二次襯砌最大軸力為4 918 kN（對(duì)應(yīng)彎矩為302.1 kN·m），出現(xiàn)在隧底；最大彎矩為340.1 kN·m（對(duì)應(yīng)軸力為434 kN），出現(xiàn)在上洞起拱線處；每延米配置8根φ22的受力鋼筋，最小安全系數(shù)為2.03，二次襯砌是安全的。

（3）鋼支撐內(nèi)力（見(jiàn)表3）

表3 鋼支撐軸力 kN

施工中鋼支撐采用外徑159 mm（壁厚10 mm）的鋼管，縱向間距0.5 m，根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論，單根橫撐臨界承載力為660 kN，完全采用鋼管作橫撐，將導(dǎo)致橫撐失穩(wěn)，為增加鋼管穩(wěn)定性，應(yīng)在鋼管中灌注高強(qiáng)度混凝土，并加強(qiáng)縱向、豎向及與初期支護(hù)的連接。

（4）錨桿軸力

從圖4可以得出：從拱部向邊墻方向，錨桿軸力依次呈遞增趨勢(shì)，且錨桿中部為軸力最大的部位，最大軸力為62 kN。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試，錨桿的抗拉拔力不小于50 kN，僅個(gè)別錨桿軸力超過(guò)50 kN，錨桿能夠起到控制圍巖變形的作用，另一方面也證明取消拱部系統(tǒng)錨桿的合理性。

（5）洞周位移及地表沉降

從圖5、圖6可以得出：

①拱頂下沉隨開(kāi)挖施工的推進(jìn)，呈遞增趨勢(shì)，但變化幅度較平緩，最大拱頂下沉為26.4 mm。

圖4 錨桿軸力分布

圖5 洞周位移、地表沉降變化曲線

圖6 最終地表沉降曲線

②水平收斂隨施工推進(jìn)的變化幅度不大，基本在10 mm以內(nèi)，說(shuō)明：鋼支撐和臨時(shí)仰拱起到了控制變形的作用。

③地表沉降隨開(kāi)挖施工的推進(jìn)，呈遞增趨勢(shì)，但變化幅度較平緩，最大地表沉降為12.7 mm；地表沉降槽沿隧道中心對(duì)稱，兩側(cè)影響寬度不超過(guò)20 m。

4 試驗(yàn)研究

在研究范圍內(nèi)布置了3個(gè)洞周收斂斷面、3個(gè)拱頂下沉斷面、1個(gè)圍巖接觸壓力斷面；收斂測(cè)點(diǎn)布置在邊墻中部，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置在拱部中央，圍巖接觸壓力布置在拱頂及拱頂兩側(cè)各2 m處［8］。測(cè)試結(jié)果及分析如下。

4.1 拱頂下沉

根據(jù)圖7，分析結(jié)果如下：

圖7 典型斷面拱頂下沉曲線

（1）拱頂下沉曲線符合y＝aLnx+b，為一對(duì)數(shù)曲線，x為時(shí)間，y為拱頂下沉值。

（2）研究范圍內(nèi)拱頂最大下沉為20 mm，與數(shù)值計(jì)算的拱頂最大下沉26.4 mm相比，基本上吻合。

（3）拱頂下沉速度均在2 mm／d以內(nèi)，隨時(shí)間的推移，拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）拱頂下沉量在開(kāi)挖后30～40 d后趨于穩(wěn)定。

4.2 水平收斂

根據(jù)圖8，分析結(jié)果如下：

圖8 典型斷面水平收斂曲線

（1）水平收斂曲線符合y＝aLnx+b，為一對(duì)數(shù)曲線，x為時(shí)間，y為拱頂下沉值。

（2）研究范圍內(nèi)水平收斂最大值為5.5 mm，與數(shù)值模擬計(jì)算的8.1 mm基本吻合，采用圖3的施工方法，可以有效地控制洞周?chē)鷰r變形。

（3）收斂速度均在1 mm／d以內(nèi)，隨時(shí)間的推移，水平收斂逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明：施工方案和措施是合理的，施工過(guò)程也是安全的。

（4）水平收斂在開(kāi)挖后20～30 d趨于穩(wěn)定。

4.3 圍巖接觸壓力

根據(jù)圖9，分析結(jié)果如下：

圖9 典型斷面圍巖接觸壓力曲線

（1）接觸壓力基本上呈上升趨勢(shì)，符合對(duì)數(shù)曲線y＝aLnx+b，x為時(shí)間，y為接觸壓力值。

（2）最大接觸壓力為0.14 MPa，相當(dāng)于8 m的土柱高度，圍巖與初期支護(hù)的接觸壓力得到了有效的控制，可以保證開(kāi)挖支護(hù)安全。

（3）洞室支護(hù)后20～30 d后，圍巖與噴層間的接觸應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。

5 施工過(guò)程控制

5.1 施工方法

遵循“先上后下、邊挖邊襯”的原則，施工前，首先對(duì)拱部進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)，然后采用多臺(tái)階五步開(kāi)挖法，由上至下分部開(kāi)挖、支護(hù)，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m范圍內(nèi)，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.75 m，特殊地段開(kāi)挖進(jìn)尺為0.25 m，拱部采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法開(kāi)挖。對(duì)土層及軟巖采用人工開(kāi)挖，對(duì)中等風(fēng)化、微風(fēng)化基巖采用微差微振動(dòng)控制爆破技術(shù)進(jìn)行光面爆破或預(yù)裂爆破［9-12］。

5.2 技術(shù)措施

（1）錨桿

按圖紙將錨桿孔準(zhǔn)確定位后，采用YT-28鑿巖機(jī)鉆孔、清孔，并將安裝好錨頭的WTD25中空注漿錨桿插入錨孔，然后在錨桿尾端安裝止?jié){塞、墊板和螺母，通過(guò)快速注漿接頭將錨桿尾端和高壓力注漿泵聯(lián)接進(jìn)行注漿，錨桿安裝后端部應(yīng)與鋼拱架焊接在一起。

（2）鋼拱架

鋼拱架緊貼初噴混凝土面安裝，在拱腳設(shè)置10 mm×400 mm的鋼板作為鋼架基礎(chǔ)，并與錨桿焊成整體，當(dāng)鋼架和圍巖之間間隙過(guò)大時(shí)，設(shè)置混凝土墊塊。

（3）噴混凝土

噴射混凝土應(yīng)分段、分片由下而上順序進(jìn)行，每段長(zhǎng)度不超過(guò)6 m，一次噴射混凝土厚度控制在6～8 cm，后一層噴射在前層混凝土終凝后進(jìn)行。

（4）二次襯砌

二次襯砌分4次澆筑，分別為下洞仰拱、下洞邊墻及頂板、中隔板、上洞邊墻及拱部，并緊跟掌子面。為防止二次襯砌與防水層之間形成空隙，沿拱頂預(yù)留壓漿孔，3 m一個(gè)，壓漿孔底部緊貼防水層，并在接觸部位加設(shè)一層防水板，確保壓漿孔不堵塞及不穿破防水層，二次襯砌澆筑28 d后，逐孔壓注1∶1的水泥漿液，注漿壓力控制在0.8～0.9 MPa。

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可以得出：

（1）通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出：30 cm厚網(wǎng)噴混凝土（內(nèi)嵌全環(huán)鋼架、0.5 m／榀）初期支護(hù)是安全的，但應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，并設(shè)置必要的臨時(shí)支護(hù)；50 cm厚C30鋼筋混凝土（每延米配置8根φ22的受力鋼筋）二次襯砌最小安全系數(shù)為2.03，能夠保證隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全；拱部向邊墻方向，錨桿軸力依次呈遞增趨勢(shì)，且錨桿中部為軸力最大的部位；拱頂下沉、水平收斂、地表沉降未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證施工及地表構(gòu)筑物的安全。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究得出：拱頂下沉、水平收斂、圍巖接觸壓力曲線符合y＝aLnx+b，在洞室支護(hù)20～30 d后趨于穩(wěn)定，其數(shù)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（3）暗挖單洞雙層隧道遵循“先上后下、邊挖邊襯”的原則，采用多臺(tái)階五步開(kāi)挖法，由上至下分部開(kāi)挖、支護(hù)，二次襯砌緊跟掌子面的工法是合理有效的，但應(yīng)嚴(yán)格施工過(guò)程控制。