巖性接觸帶地層小凈距城際隧道施工技術研究*

潘 茜，陳相宇

(佛山軌道交通設計研究院有限公司，廣東 佛山 528200)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多城際鐵路隧道穿越城市中心地帶，部分隧道需考慮行車配線設置，如折返線、越行線、停車線等，導致暗挖隧道斷面大、斷面之間的轉換工序復雜。部分隧道面臨如巖性破碎帶、地下水豐富等地質風險，進一步加大了暗挖隧道的技術難度及施工風險[1-3]。吳全立等[4]介紹富水砂質粉土地層中淺埋、近距離雙洞大跨度隧道，通過全斷面預注漿結合超前大管棚等輔助措施，解決了富水砂質粉土層的液化與管涌問題；劉彤等[5]針對單洞四車道公路隧道在Ⅱ，Ⅲ類圍巖的施工方案，進行了有限元數(shù)值分析，提供了合理的施工開挖步序；茶增云等[6]利用FLAC3D進行數(shù)值分析，研究淺埋富水全風化花崗巖公路隧道的施工災害問題；羅文靜等[7]結合南寧地鐵3號線青秀山站，采用數(shù)值分析與現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法，解決半成巖地層明暗挖地鐵車站施工存在的問題。從以上研究可知，大部分研究并未針對不同巖性接觸帶下暗挖隧道小凈距施工提出相應的技術措施。

廣州白云山脈地質條件復雜，斷裂帶分布范圍廣，不同巖性接觸帶下存在潛在滑動面，且基巖裂隙水存在承壓性，礦山法施工存在較大的施工風險。本文依托某城際隧道車站項目，對在不同巖性接觸帶下小凈距施工遇到的問題進行深入探討，并提出解決方法，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某城際車站與已運營地鐵車站換乘，同時需與遠期規(guī)劃車站換乘。站位設置在道路口東側，沿東西向敷設，為地下3層島式車站，車站總長約443.8m，標準段寬34.7m，站臺寬12.0m，車站左右線暗挖段長156.8m，里程范圍為DK73+653.184—DK73+809.984，暗挖段進入有效站臺37.4m。本工程隧道結構斷面形式不一，車站為換乘站，空間布局設計復雜，為實現(xiàn)工程參數(shù)化、智能化、智慧化發(fā)展，本工程采用BIM技術進行設計(見圖1)。

圖1 車站及隧道BIM模型

2 工程地質與水文地質條件

2.1 工程地質條件

本場地地貌屬于沖積平原到丘陵的過渡位置，車站由西向東，從沖積平原過渡為低丘，地勢整體呈西低東高、北低南高分布，暗挖段起始點位于山腳下，地表標高29.500～56.400m。山頂標高85.000m，山腳標高30.000m，整個場地存在約55m高差，隧址地形存在約25m高差。暗挖區(qū)域地層為強風化變質砂巖、中風化變質砂巖、微風化角巖及微風化花崗巖，如圖2所示，巖土層參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)

圖2 地質縱剖面

2.2 水文地質條件

勘察范圍內地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水。本場地屬于沖積平原到低丘地貌的過渡，地下水位埋深不一，穩(wěn)定水位埋深0.50～37.80m。夏季大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為1.0～3.0m。

3 結構設計關鍵技術問題

3.1 不同巖性接觸帶下地下水處理難點分析

暗挖隧道范圍山體變質砂巖和花崗巖為侵入接觸關系，巖性接觸帶范圍，尤其是中風化角巖和中風化變質砂巖與強風化接觸帶，是地下水滲透通道，容易發(fā)生突水事故。

基巖裂隙水主要賦存于強、中、微風化帶中，且地下水賦存不均[8]?；鶐r裂隙水在不同巖性接觸帶地段水量較豐富，具承壓性。根據地區(qū)經驗，滲透系數(shù)一般為1～5m/d?；鶐r風化裂隙水為承壓水，多個含水層之間存在一定的水力聯(lián)系。

本區(qū)間隧道穿越范圍西側為平地，東側為低丘，東西側地形高差約55m。場地內的承壓基巖裂隙水大體上自東側低丘向西側平地位置滲透，地下水流速6.20～21.31m/d，流向主要為278.52°～323.56°，在變質砂層中風化帶中和微風化花崗巖結合面流速較快，流量較大。西側的基巖裂隙水可能接受場地東側基巖裂隙水的滲流補給，造成場地中部個別鉆孔存在鉆孔內水頭高出地面的情況。

基巖裂隙水水量較豐富，具有承壓性等特點，對礦山法隧道施工構成較大的風險。因此，開挖前需要提前對隧道圍巖進行處理，可采取地面注漿加固、洞內全斷面注漿加固、降水等方法。合理有效的圍巖提前處理措施是降低暗挖隧道施工風險的關鍵。巖性接觸帶如圖3所示。

圖3 巖性接觸帶示意

3.2 不同巖性接觸帶小凈距隧道施工相互影響分析

車站站臺受到周邊環(huán)境影響，無法西移，因此靠近車站明挖段端部約37.4m長范圍的暗挖隧道內需要設置側站臺。根據要求側站臺凈寬最小為3.1m，因此兩隧道之間的水平凈距僅有2.4m，如圖4所示。

圖4 小凈距隧道橫斷面

根據勘察資料揭示，花崗巖與變質砂巖接觸帶范圍，除了受侵入構造影響，同時也受斷裂多期構造活動影響節(jié)理片理發(fā)育，巖芯較破碎，接觸帶范圍也是相對軟弱帶。

隧道穿越接觸帶段施工過程中多發(fā)圍巖失穩(wěn)與大變形現(xiàn)象[9-10]，且小凈距隧道屬于近接工程，后建隧道開挖步序將對位于接觸帶的中夾巖產生多次擾動，致使圍巖應力多次重分布，同時對先建隧道結構產生不利影響。因此，確定合理的施工工序及保護措施是不同巖性接觸帶小凈距隧道施工的關鍵[11]。

4 解決方案

巖性接觸帶動水處理思路主要為“堵”和“排”?！岸隆奔赐ㄟ^施作全環(huán)注漿加固圈，形成加固隔水圈，嚴格控制地下水排放量；“排”則是在形成全環(huán)隔水圈的條件下仍設置具有足夠排水能力的排導系統(tǒng)，將圍巖滲水暢通排出，以緩解甚至消除作用在襯砌上的水壓力。

4.1 承壓水加固處理措施

4.1.1地面加固及洞內加固措施

本工程擬采用對襯砌全周一定范圍內進行注漿加固的措施，形成防滲圈，加大水頭損失而減小開挖時掌子面的滲透力，降低作用于襯砌的外水壓力，并輔以降水及回灌措施，如圖5,6所示。

圖5 地面注漿加固剖面

圖6 洞內全斷面注漿加固剖面

暗挖平面位于山腳線以下，且掌子面位于強風化變質砂巖中，采用地面注漿加固，左線加固長度52.9m，右線加固長度18.0m。斷面加固范圍：洞頂以上6m至洞底以下2m，側面初支外擴3m。地面注漿采用分區(qū)域施工，每個區(qū)域內均進行雙液漿封邊止水加固，區(qū)域內采用單液漿加固，實現(xiàn)地面注漿加固效果。有地面加固條件的情況下，優(yōu)先考慮地面注漿加固措施。

暗挖平面位于山腳線以上，開挖掌子面位于強(中)風化變質砂巖，采用后退式鉆注一體機全斷面注漿加固，以控制地下水流失和加固掌子面地層。斷面加固范圍：擴散半徑1.0m，環(huán)向及徑向間距0.8m，單次注漿長度25m，止?jié){墻厚度3m。采用信息化施工，以便隨時掌握隧道圍巖水量動態(tài)，確保注漿質量。

當各孔段注漿壓力達到設計終壓(一般大于靜水壓力1～2MPa)并應穩(wěn)定10min，且進漿速度小于開始進漿速度的1/4時，且加固體的無側限抗壓強度≥1.0MPa，滲透系數(shù)<1.0×10-6cm/s時，認為注漿結束。

4.1.2降水及回灌措施

暗挖段左右線隧道外側設置2排大口徑降水井進行輔助降水，降水井間距為20m，降深為暗挖隧道底以下1m。降水期間對降水影響區(qū)域樹木需加強養(yǎng)護管理及保護，降水影響范圍內建(構)筑物需設置回灌井進行回灌保護。

降水及回灌措施作為輔助措施，宜根據現(xiàn)場監(jiān)測結果信息化施工。

4.2 小凈距隧道數(shù)值分析

模型取小凈距隧道斷面實際幾何尺寸，隧道埋深35m，單洞開挖寬度16.6m。模型選取地層范圍較廣，在應力影響范圍外，模型底部采用固定鉸支座，兩側受到法向約束而采用水平連桿支座，頂面地表為自由面，符合地層的邊界約束條件。巖土體選用莫爾-庫倫本構模型，隧道結構為鋼筋混凝土結構，初支、臨時中隔墻、中隔板采用梁單元[12]模擬，符合隧道結構的受力條件。

圍巖壓力釋放比例按開挖施工40%，初支施工60%；注漿加固區(qū)參數(shù)按初始圍巖等級提高一級考慮，即按Ⅳ級圍巖參數(shù)計算；超前支護管棚及超前小導管加固，在數(shù)值計算中采取提高洞周一定范圍內圍巖參數(shù)的方法進行模擬。有限元計算模型如圖7所示，模型參數(shù)如表2所示。

圖7 小凈距隧道有限元計算模型

表2 模型參數(shù)

4.2.1隧道初支內力位移分析

計算結果顯示，右線隧道(先行洞)開挖并完成初支施工后，初支最大彎矩發(fā)生在左側臨時中隔墻與拱底交接處，最大值354kN·m；初支最大位移發(fā)生在右側拱腰附近，最大值為51mm；拱頂位移僅15mm，說明超前支護形成的拱圈，對拱頂拱肩處圍巖及初支的變形起到了很好的控制作用。

左線隧道(后行洞)開挖并完成初支施工后，初支最大彎矩發(fā)生在左線隧道左側臨時中隔墻與拱底交接處，最大值399kN·m；初支最大位移仍發(fā)生在右線隧道右側拱腰附近，最大值為59mm；應力重分布后拱頂位移有所降低。

4.2.2隧道圍巖應力分析

分別提取隧道施工各階段中夾巖上、中、下部3個點的Mises應力值，對各開挖分步過程的中夾巖應力變化進行分析。

右線隧道分6步開挖并初支閉合后，左右線隧道之間巖體的Mises應力值為上672kPa、中975kPa、下2 132kPa；左線隧道分6步開挖并初支閉合后，左右線隧道之間巖體的Mises應力值為上473kPa、中924kPa、下1 625kPa。

受超前支護加固的影響，隧道洞周塑性區(qū)主要分布在拱腰范圍；左線隧道初支施工后，中夾巖受到左右線隧道初支結構的側向約束，中夾巖區(qū)域應力值有所下降，塑性區(qū)面積相應減小[13]。

左右線隧道共24個施工步序(見圖8)，圍巖受到多次擾動，應力多次重分布：右線右上導洞開挖后，中夾巖應力達到最大，后續(xù)隨右下導洞開挖支護，中夾巖應力明顯下降；左線左上、右上導洞開挖支護過程，中夾巖應力值再次明顯上升，做下導洞開挖支護后，應力值降低(見圖9)。

圖8 施工步序示意

圖9 中夾巖應力變化曲線

左右線施工過程中，中夾巖應力整體呈上升→下降→穩(wěn)定的臺階式變化曲線?？拷袏A巖側的上導洞13步序施工，對中夾巖應力影響較為明顯，因此施工中應盡快進行初支支護。靠近中夾巖側的下導洞17步序施工，中夾巖應力呈下降趨勢。

建議在中夾巖范圍內設置對拉錨桿，可降低中夾巖的應力值及塑性區(qū)分布范圍。對拉錨桿采用L=3.5m，φ25螺紋鋼，環(huán)向間距800mm，縱向間距與格柵鋼架間距一致，為500mm。錨桿兩端與格柵鋼架做好連接。

5 結語

1)基巖裂隙水在不同巖性接觸帶地段，水量較豐富，具承壓性，多個含水層之間存在一定的水力聯(lián)系。該工程采取了地面注漿加固和洞內全斷面注漿加固相結合，同時采取了降水井及回灌井的輔助措施，可有效控制地下水的水量及流動速率，確保隧道施工安全可控。

2)為解決巖性接觸帶小凈距隧道施工引起中夾巖的圍巖應力多次重分布等影響，采取了數(shù)值模擬分析，經過分析，左右線施工過程中，中夾巖應力整體呈上升、下降再趨于穩(wěn)定的變化過程?？拷袏A巖側的上導洞施工，對中夾巖應力影響較為明顯。初支開挖過程中，兩側隧道的變形及位移計算結果均可滿足要求。

3)可采取對拉錨桿等輔助措施降低影響，同時保證右側隧道完成初支開挖及二襯施工后，方可進行左側隧道開挖。