砂卵石地層礦山法隧道近距離穿越既有線關(guān)鍵技術(shù)研究

戴志仁,任 建, 王 俊,李小強(qiáng)

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 a.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, b.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，成都 610041)

成都市最新一輪建設(shè)規(guī)劃相關(guān)線路已經(jīng)全面開展，預(yù)計(jì)到2022年年底，全市通車?yán)锍袒驅(qū)?huì)達(dá)到600 km，在城市軌道交通線網(wǎng)初具規(guī)?；蚓邆渚W(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的條件下，后續(xù)線路建設(shè)過程中，不可避免地出現(xiàn)了很多穿越既有運(yùn)營線路[1-2].

對(duì)于富水砂卵石地層條件下的地鐵隧道而言，特殊的工程地質(zhì)條件與越來越苛刻的周邊環(huán)境需要有針對(duì)性處理方案，如康華等[1]對(duì)雙層襯砌的有效性進(jìn)行了論證分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合式雙層襯砌對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性更為有利；王劍明[3]以渝黔引入貴陽樞紐鐵路龍寶沖隧道下穿6座已建及在建隧道工程為例，提出了立交點(diǎn)穿越施工對(duì)爆破控制、防護(hù)方案、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、安全評(píng)估等工作的重要性；曹海林[4]針對(duì)成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道下穿既有高速公路隧道遇到的隧道支護(hù)方式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大管棚超前支護(hù)與爆破控制對(duì)穿越施工起到了關(guān)鍵作用；謝小玲等[5]對(duì)穿黃盾構(gòu)隧道預(yù)應(yīng)力雙層復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)插筋是實(shí)現(xiàn)內(nèi)外襯砌聯(lián)合承載的重要結(jié)構(gòu)措施；Soilman等[6]分析了雙孔平行隧道引起的襯砌和土體應(yīng)力的變化與隧道開挖順序有關(guān).然而，對(duì)于成都富水砂卵石地層條件下的礦山法隧道而言，如何在大粒徑、高滲透性與高強(qiáng)度的砂卵石地層中進(jìn)行有效的超前支護(hù)，同時(shí)避免實(shí)施過程中的地層擾動(dòng)，這是工法成敗的關(guān)鍵，而目前卻鮮有富水砂卵石礦山法隧道施工擾動(dòng)控制方面的研究成果，本文作者基于富水卵石土地層穿越已運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，通過應(yīng)用有效的超前預(yù)支護(hù)措施與特殊的雙層鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，有效解決了礦山法隧道穿越施工過程中的擾動(dòng)與應(yīng)力釋放，成功引領(lǐng)了富水卵石土地層礦山法隧道的應(yīng)用與推廣.

1 工程概況

成都地鐵某區(qū)間隧道主要走行于中密、密實(shí)卵石土，工程地質(zhì)條件見表1，隧道底板埋深將近30 m，區(qū)間隧道需要穿越已運(yùn)營地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道，見圖1，豎向結(jié)構(gòu)凈距不足3 m.基于整體工籌安排，立交點(diǎn)穿越工程計(jì)劃于2017年5月份實(shí)施，但地鐵3號(hào)線需在2016年5月中旬試運(yùn)營，為確保3號(hào)線運(yùn)營期間安全不受5號(hào)線工程影響，穿越工程需要在2016年3月底前實(shí)施完成.

表1 工程地質(zhì)條件

圖1 下穿既有盾構(gòu)隧道現(xiàn)場布置Fig.1 Layout of existing shield tunnel on site

2 總體方案設(shè)計(jì)與施工控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于既有工程經(jīng)驗(yàn)與富水砂卵石地層特性，進(jìn)行隧道穿越工法比選，主要對(duì)礦山法隧道或盾構(gòu)法隧道穿越既有線進(jìn)行了綜合比選，穿越既有3號(hào)線盾構(gòu)隧道平面布置圖見圖2.

由圖2(a)可知，采用礦山法隧道下穿既有線盾構(gòu)區(qū)間，按照施工進(jìn)度0.5 m/d考慮，則280 m長區(qū)間需要工期為6個(gè)月，左右線同期實(shí)施.根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，富水砂卵石地層條件下的礦山法隧道工程，在超前支護(hù)措施與施工降水效果可控的情況下，施工期間隧道拱頂沉降變形基本可控制在毫米級(jí).

由圖2(b)可知，采用盾構(gòu)法隧道下穿既有線工程，左右線先后掘進(jìn)，按照160 m/月考慮，掘進(jìn)施工可在2個(gè)月內(nèi)完成.但掘進(jìn)施工期間，一旦遇到大粒徑卵石，不但施工擾動(dòng)與地層超挖風(fēng)險(xiǎn)較大，同時(shí)還可能面臨著在既有線下方開倉取石的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的不可控風(fēng)險(xiǎn).

進(jìn)一步提出了礦山法隧道與盾構(gòu)法隧道相結(jié)合的比選方案，即礦山法隧道穿越既有線右線，盾構(gòu)法隧道穿越既有線左線，如圖2(c)所示.這雖然可以滿足工期，也在一定程度上減小了盾構(gòu)隧道遇到大粒徑卵石的風(fēng)險(xiǎn)，但卻需要在既有線左線與右線之間進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，盾構(gòu)始發(fā)穿越既有3號(hào)線左線的工程風(fēng)險(xiǎn)較大.

基于大管棚與小導(dǎo)管超前支護(hù)，并采用CRD法開挖的礦山法隧道下穿3號(hào)線，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，但考慮到暗挖施工期間，可通過加強(qiáng)超前支護(hù)措施，優(yōu)化開挖步驟，以及基于信息化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)方案的拱頂上半斷面的徑向注漿應(yīng)急措施，因此整體風(fēng)險(xiǎn)基本可控.對(duì)于盾構(gòu)法隧道而言，由于此處地勘報(bào)告顯示局部存在大粒徑卵石或漂石，盾構(gòu)掘進(jìn)存在一定的不可控性.進(jìn)一步考慮到礦山法隧道也能滿足整體工期要求，因此在綜合工程風(fēng)險(xiǎn)與工期成本的基礎(chǔ)上，推薦礦山法下穿，即立交點(diǎn)穿越工程采用豎井+礦山法隧道方案實(shí)施，如表2所示.

表2 總體方案設(shè)計(jì)與工法比選

2.2 施工控制標(biāo)準(zhǔn)

基于既有工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范[7-8]，富水砂卵石中礦山法隧道工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，因此從嚴(yán)制定了礦山法隧道穿越既有線控制標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3所示.

表3 穿越既有3號(hào)線施工控制標(biāo)準(zhǔn)

3 礦山法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與超前支護(hù)

3.1 施工豎井+礦山法隧道方案簡介

采用基于施工豎井的礦山法隧道穿越既有線工程，受既有線車站風(fēng)亭影響，施工豎井采用上小下大的截面形式，即一定深度范圍內(nèi)豎井橫截面為三角形，隨后在既有車站風(fēng)亭下方擴(kuò)挖成典型的四邊形，擴(kuò)挖開始階段沿豎井井壁打設(shè)兩排大管棚超前支護(hù)，設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場實(shí)施情況見圖3、圖4，礦山法隧道斷面輪廓尺寸為8 m×8.1 m，滿足后期盾構(gòu)空推通過需求.

圖3 施工豎井?dāng)嗝鍲ig.3 Cross section construction method of working shaft

圖4 豎井施工現(xiàn)場情況Fig.4 On site construction

3.2 礦山法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與超前支護(hù)

礦山法隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，以大管棚、自進(jìn)式錨桿作為超前支護(hù)，以模筑鋼筋砼襯砌為二次襯砌組成，初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)全封閉防水隔離層，隧道支護(hù)參數(shù)見表4，表中大管棚沿拱部150°范圍布置外插角為1°～2°，注水泥漿；自進(jìn)式錨桿沿拱部150°范圍布置，外插角10°～15°，注水泥漿.

表4 礦山法隧道支護(hù)參數(shù)

4 砂卵石地層隧道支護(hù)措施改進(jìn)工藝

礦山法隧道超前支護(hù)措施主要由直徑146 mm超前大管棚與直徑32 mm自進(jìn)式錨桿組成，既有工程經(jīng)驗(yàn)表明，第四紀(jì)松散地層中的淺埋暗挖法隧道工程，地層預(yù)加固措施將在一定程度上決定工程的成敗.由于隧道洞身主要位于3-9-3層密實(shí)卵石土，因此必須采取與設(shè)計(jì)理念相匹配的超前支護(hù)措施，確保地層預(yù)加固效果.

4.1 大管棚施工工藝的改進(jìn)

密實(shí)卵石土地層條件下，常規(guī)直徑108 mm大管棚實(shí)施中斷管、卡鉆、鉆進(jìn)緩慢現(xiàn)象嚴(yán)重，主要是由于區(qū)間卵石粒徑較大且強(qiáng)度高，套管強(qiáng)度相對(duì)較低所致.同時(shí)套管管徑過小且風(fēng)壓不足，致使管棚鉆進(jìn)過程中排渣不徹底，卡鉆、鉆進(jìn)緩慢.改進(jìn)工藝：原直徑108 mm管棚調(diào)整為直徑146 mm管棚，特殊情況下，可采用直徑146 mm管棚內(nèi)套直徑108 mm管棚工藝，原R780材質(zhì)鋼管改進(jìn)為P110材質(zhì)鋼管，原8 kg空壓機(jī)更換為13 kg空壓機(jī)，提高了管棚鉆進(jìn)速度，確保管棚的打設(shè)范圍與長度，現(xiàn)場實(shí)施情況見圖5.同時(shí)，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，大管棚能有效地隔斷隧道開挖過程中的應(yīng)力釋放與地層擾動(dòng)，對(duì)上方既有線的保護(hù)起到了關(guān)鍵作用.

圖5 改進(jìn)的管棚工藝現(xiàn)場實(shí)施情況Fig.5 Revised pipe roof construction

4.2 徑向注漿工藝的改進(jìn)

徑向注漿施工機(jī)具采用傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī)，成孔后鉆桿拔出過程中，卵石碎渣無法有效排除，極易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，成孔效率極低，施工機(jī)具改進(jìn)為TY-28氣腿式風(fēng)槍，極大增加了成孔深度及成孔效率；回填注漿所用水泥漿，加大水泥用量，減小水灰比，防止后期水泥干縮造成初支背后填充不密實(shí)，設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場實(shí)施情況分別如圖6、圖7所示.

圖6 洞內(nèi)徑向注漿示意(單位：mm)Fig.6 Sketch diagram of radial grouting(unit：mm)

圖7 改進(jìn)后的洞內(nèi)徑向注漿實(shí)景Fig.7 Modified grouting construction on site

局部抬升注漿，適當(dāng)延緩漿液凝固時(shí)間，增加注漿壓力，保證拱頂以上地層適當(dāng)抬升.

4.3 鎖腳錨桿施工工藝的改進(jìn)

鎖腳錨桿對(duì)初期支護(hù)的穩(wěn)定性非常重要，但常規(guī)直徑42 mm的熱軋無縫鋼管，壁厚3.25 mm的鎖腳支護(hù)，所用的無縫鋼管的強(qiáng)度和剛度相對(duì)不足，無法對(duì)大粒徑卵石形成有效的沖擊和破碎，經(jīng)過施工現(xiàn)場大量的分析及實(shí)驗(yàn)，鎖腳支護(hù)改進(jìn)為預(yù)埋直徑42 mm熱軋無縫鋼管，套打壁厚9 mm、直徑32 mm自進(jìn)式錨桿，設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場實(shí)施情況分別如圖8、圖9所示，確保了鎖腳錨桿打設(shè)長度，有效控制了初期支護(hù)沉降變形.

圖8 鎖腳錨桿示意Fig.8 Sketch diagram of locking-foot bolt

圖9 鎖腳錨桿現(xiàn)場實(shí)景Fig.9 Photo of locking-foot bolt

5 大管棚超前支護(hù)措施原理分析

隧道開挖過程中，大管棚+小導(dǎo)管注漿工藝能在地層中形成“微拱”，許多“微拱”能形成“棚”的效果，進(jìn)而減少開挖應(yīng)力釋放、控制圍巖變形、擴(kuò)散圍巖壓力，同時(shí)能與格柵鋼架共同形成“棚架”體系，確保地層穩(wěn)定.

在相對(duì)軟土地層中，大管棚超前支護(hù)作用非常明顯，如杭州解放路隧道，然而在類似成都地區(qū)的富水砂卵石地層條件下，在地下水位得到有效控制的前提下，地層具有較高的自穩(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，軟弱地層中的“棚架”效果并不明顯.

針對(duì)本工程礦山法隧道大管棚支護(hù)參數(shù)，等效抗彎剛度與等代層厚度計(jì)算原則為[9]

E1I1=E2I2

(1)

式中：E1與E2分別為含漿液在內(nèi)的管棚、等代層的彈模；I1與I2分別為含漿液在內(nèi)的管棚、等代層的慣性矩.

直徑146 mm、間距300 mm管棚等效剛度計(jì)算參數(shù)如表5所示，其中E、I分別為材料的彈模與慣性矩.

表5 隧道拱頂以上管棚等效剛度計(jì)算參數(shù)Tab.5 Equivalent stiffness calculation parameters of pipe roof above the tunnel vault

將表5計(jì)算參數(shù)代入式(1)，可以計(jì)算得到管棚范圍等效抗彎剛度為1 715.40 kN·m2，考慮管棚間距后的等效抗彎剛度為2 768.37 kN·m2.

將等效抗彎剛度折算為一定高度的C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，以鋼筋砼套拱寬度300 mm、彈性模量30 000 MPa考慮，當(dāng)高度為155 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的慣性矩為9 309.69 cm4，抗彎剛度為2 792.91 kN·m2.因此，隧道拱頂以上壁厚10 mm、直徑146 mm、間距300 mm的大管棚+直徑42 mm的小導(dǎo)管，注漿后可以形成相同尺寸、等效剛度達(dá)到2 768 kN·m2的承載拱，進(jìn)而可換成高度155 mm的C30鋼筋砼扣拱，可在很大程度上減小盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)與地層損失的不利影響.

在考慮大管棚承載拱效應(yīng)條件下[10]，基于太沙基塌落拱理論，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，利用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，具體如表6所示.

表6 大管棚支護(hù)下隧道配筋計(jì)算

隧道上方Terzaghi塌落拱高度h0為

(2)

c=∑cihi/∑hi

(3)

γ=∑γihi/∑hi

(4)

(5)

B0=D/2·cot(π/8+φ/4)

(6)

式中：K0為水平和豎向土壓力之比，通常取1；φ為等效內(nèi)摩擦角；c等效凝聚力；γ等效重度；B0為隧道上方塌落土體半寬；p0為地面超載；H為隧道拱頂埋深；hi為每層土體對(duì)應(yīng)的層厚；Hi為hi對(duì)應(yīng)的每層土體層底埋深，i為隧道拱頂至地表對(duì)應(yīng)的土體層數(shù).

隧道拱頂Terzaghi豎向松弛土壓力pe為

(7)

式中：γ′為有效重度.

由表6可知結(jié)構(gòu)內(nèi)力與配筋計(jì)算情況，計(jì)算得到滿足受力要求的配筋為1 625 mm2(8φ16)，在大管棚形成的鋼筋砼扣拱情況下，隧道襯砌最大內(nèi)力值出現(xiàn)在拱底附近，相應(yīng)最大彎矩值為115.2 m，最大軸力值為1 054.4 kN，每延米配筋為8根直徑為16 mm的螺紋鋼，即1 625 mm2即可滿足要求，與常規(guī)的12根直徑為16 mm或16根直徑12 mm的螺紋鋼相比，結(jié)構(gòu)可靠性與穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)效益更加明顯[10].

6 雙層襯砌與洞內(nèi)臨時(shí)支撐

礦山法隧道施工對(duì)周邊地層的影響主要集中在開挖與洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除兩個(gè)階段，為最大程度減小臨時(shí)支撐拆除階段可能引起的應(yīng)力釋放，提出了初期支護(hù)+二次襯砌+三次襯砌的結(jié)構(gòu)型式，二襯厚度以200 mm考慮、三襯厚度以300 mm考慮，二次襯砌施做時(shí)洞內(nèi)臨時(shí)支撐不拆除，見圖10，待二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并有效承擔(dān)圍巖后，拆除洞內(nèi)臨時(shí)支撐，鋪設(shè)防水層，最后施做作為永久結(jié)構(gòu)的三次襯砌，有效解決了洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除期間的應(yīng)力轉(zhuǎn)換.

圖10 二襯+三襯結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)圖Fig.10 Segment design for secondary+tertiary lining

6.1 內(nèi)力轉(zhuǎn)換與襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

礦山法隧道采用CRD法開挖，基于二襯+三襯特殊結(jié)構(gòu)型式，采用MIDAS/GTS，地層結(jié)構(gòu)模型，地層參數(shù)見表1，襯砌結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支撐按照C35與Q235取值，計(jì)算模型見圖11，模型尺寸100 m×56 m，位移邊界條件，基于實(shí)際施工工況，在二襯實(shí)施后，逐步拆除洞內(nèi)臨時(shí)支撐，隨后澆筑三襯、二襯與三襯結(jié)構(gòu)彎矩值如圖12所示.

圖11 計(jì)算模型Fig.11 Calculation model

圖12 二襯與三襯彎矩等值線Fig.12 Lining moment contour map of the secondary+tertiary lining

由圖12可知，隧道拱頂位置內(nèi)力相對(duì)較大，二襯所受最大彎矩為71 kN·m，三襯所受最大彎矩值僅為2.8 kN·m，所以二襯承擔(dān)了大部分荷載，作為永久結(jié)構(gòu)的三襯，承載的荷載較小，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也很小，具有很大的安全儲(chǔ)備，相對(duì)而言更有利于襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性與長期穩(wěn)定.

基于隧道彎矩與軸力值，進(jìn)行配筋計(jì)算，并進(jìn)一步驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度，礦山法隧道結(jié)構(gòu)裂縫寬度控制值為0.3 mm[11]，具體計(jì)算結(jié)果如表7所示.

表7 二襯+三襯襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與配筋計(jì)算Tab.7 Lining stress and reinforcement calculation with secondary+teriary lining structure

常規(guī)的初期支護(hù)+二次襯砌結(jié)構(gòu)型式，二襯承擔(dān)主要荷載，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)力與配筋較大，本工程初期支護(hù)+二襯+三襯結(jié)構(gòu)型式，作為永久結(jié)構(gòu)的三次襯砌承擔(dān)的荷載很小，具有較大的安全儲(chǔ)備，更加符合百年工程設(shè)計(jì)目標(biāo).

6.2 豎向位移等值線圖分析

穿越既有線工程期間，礦山法隧道與上方既有盾構(gòu)隧道沉降變形曲線如圖13所示.

圖13 礦山法隧道拱頂與上方盾構(gòu)隧道拱底沉降曲線Fig.13 Settlement monitoring curves of mining tunnel vault and shield tunnel invert

由圖13可知，既有盾構(gòu)隧道拱底最大沉降值為-7.5 mm<-10.0 mm(控制值)，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)[12].同時(shí)，初始開挖階段，隧道拱頂沉降值為-7.6 mm，二襯施工階段、洞內(nèi)臨時(shí)拆撐階段，拱頂沉降值相應(yīng)為-10 mm與-10.5 mm，可見洞內(nèi)臨時(shí)支撐拆除引起的拱頂沉降僅為-0.5 mm.此時(shí)，隧道拱頂?shù)某两底冃沃饕谐跏奸_挖階段，已經(jīng)施工完成的二襯結(jié)構(gòu)對(duì)拆撐引起的應(yīng)力釋放有明顯的抑制作用.

7 結(jié)論與建議

基于實(shí)際工程中遇到的礦山法隧道近距離下穿既有線盾構(gòu)隧道案例，從工程方案整體設(shè)計(jì)、礦山法隧道超前支護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工工藝等方面進(jìn)行了深入研究，主要得出以下結(jié)論：

1)針對(duì)高強(qiáng)度、大粒徑卵石土地層條件，基于改進(jìn)的大管棚+自進(jìn)式錨桿工藝的CRD法礦山法隧道工程是安全可行的，大管棚超前支護(hù)形成的鋼筋砼扣拱均具明顯的隔斷開挖擾動(dòng)、減小地層應(yīng)力釋放作用.

2)大管棚與自進(jìn)式錨桿的超前支護(hù)作用必須得到切實(shí)的保障，采用套打工藝可以有效解決砂卵石地層超前小導(dǎo)管打設(shè)難題，承包商必須配備相應(yīng)的技術(shù)力量與配套的機(jī)械設(shè)備，確保地層預(yù)加固效果.

3)初期支護(hù)+二次襯砌+三次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，可有效抑制受力體系轉(zhuǎn)化過程中的應(yīng)力釋放與圍巖變形，最大程度滿足隧道周邊嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)要求.

4)初期支護(hù)+二襯+三襯結(jié)構(gòu)可將三次襯砌作為永久結(jié)構(gòu)，安全儲(chǔ)備較大，更有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與長期耐久性，可在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣.