戴志仁,任 建, 王 俊,李小強

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 a.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室, b.軌道交通工程信息化國家重點實驗室，西安 710043；2.成都地鐵運營有限公司，成都 610041)

成都市最新一輪建設規(guī)劃相關線路已經全面開展，預計到2022年年底，全市通車里程或將會達到600 km，在城市軌道交通線網初具規(guī)?；蚓邆渚W絡化運營的條件下，后續(xù)線路建設過程中，不可避免地出現(xiàn)了很多穿越既有運營線路[1-2].

對于富水砂卵石地層條件下的地鐵隧道而言，特殊的工程地質條件與越來越苛刻的周邊環(huán)境需要有針對性處理方案，如康華等[1]對雙層襯砌的有效性進行了論證分析，發(fā)現(xiàn)復合式雙層襯砌對結構耐久性更為有利；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，提出了立交點穿越施工對爆破控制、防護方案、監(jiān)控量測、超前地質預報、安全評估等工作的重要性；曹海林[4]針對成渝客運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方式進行了研究，發(fā)現(xiàn)大管棚超前支護與爆破控制對穿越施工起到了關鍵作用；謝小玲等[5]對穿黃盾構隧道預應力雙層復合式襯砌結構進行計算，發(fā)現(xiàn)插筋是實現(xiàn)內外襯砌聯(lián)合承載的重要結構措施；Soilman等[6]分析了雙孔平行隧道引起的襯砌和土體應力的變化與隧道開挖順序有關.然而，對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、高滲透性與高強度的砂卵石地層中進行有效的超前支護，同時避免實施過程中的地層擾動，這是工法成敗的關鍵，而目前卻鮮有富水砂卵石礦山法隧道施工擾動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營地鐵盾構隧道實際工程，通過應用有效的超前預支護措施與特殊的雙層鋼筋混凝土襯砌結構，有效解決了礦山法隧道穿越施工過程中的擾動與應力釋放，成功引領了富水卵石土地層礦山法隧道的應用與推廣.

1 工程概況

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

表1 工程地質條件

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

2 總體方案設計與施工控制標準

2.1 總體方案設計

基于既有工程經驗與富水砂卵石地層特性，進行隧道穿越工法比選，主要對礦山法隧道或盾構法隧道穿越既有線進行了綜合比選，穿越既有3號線盾構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區(qū)間，按照施工進度0.5 m/d考慮，則280 m長區(qū)間需要工期為6個月，左右線同期實施.根據既有工程經驗，富水砂卵石地層條件下的礦山法隧道工程，在超前支護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.

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

進一步提出了礦山法隧道與盾構法隧道相結合的比選方案，即礦山法隧道穿越既有線右線，盾構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隧道遇到大粒徑卵石的風險，但卻需要在既有線左線與右線之間進行盾構始發(fā)，盾構始發(fā)穿越既有3號線左線的工程風險較大.

基于大管棚與小導管超前支護，并采用CRD法開挖的礦山法隧道下穿3號線，存在一定的安全風險，但考慮到暗挖施工期間，可通過加強超前支護措施，優(yōu)化開挖步驟，以及基于信息化動態(tài)實時方案的拱頂上半斷面的徑向注漿應急措施，因此整體風險基本可控.對于盾構法隧道而言，由于此處地勘報告顯示局部存在大粒徑卵石或漂石，盾構掘進存在一定的不可控性.進一步考慮到礦山法隧道也能滿足整體工期要求，因此在綜合工程風險與工期成本的基礎上，推薦礦山法下穿，即立交點穿越工程采用豎井+礦山法隧道方案實施，如表2所示.

表2 總體方案設計與工法比選

2.2 施工控制標準

基于既有工程經驗與相關規(guī)范[7-8]，富水砂卵石中礦山法隧道工程經驗相對欠缺，因此從嚴制定了礦山法隧道穿越既有線控制標準，具體如表3所示.

表3 穿越既有3號線施工控制標準

3 礦山法隧道結構設計與超前支護

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，即一定深度范圍內豎井橫截面為三角形，隨后在既有車站風亭下方擴挖成典型的四邊形，擴挖開始階段沿豎井井壁打設兩排大管棚超前支護，設計方案與現(xiàn)場實施情況見圖3、圖4，礦山法隧道斷面輪廓尺寸為8 m×8.1 m，滿足后期盾構空推通過需求.

圖3 施工豎井斷面Fig.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 礦山法隧道結構設計與超前支護

礦山法隧道采用復合式襯砌結構，以大管棚、自進式錨桿作為超前支護，以模筑鋼筋砼襯砌為二次襯砌組成，初期支護與二次襯砌間設全封閉防水隔離層，隧道支護參數(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 礦山法隧道支護參數(shù)

4 砂卵石地層隧道支護措施改進工藝

礦山法隧道超前支護措施主要由直徑146 mm超前大管棚與直徑32 mm自進式錨桿組成，既有工程經驗表明，第四紀松散地層中的淺埋暗挖法隧道工程，地層預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層密實卵石土，因此必須采取與設計理念相匹配的超前支護措施，確保地層預加固效果.

4.1 大管棚施工工藝的改進

密實卵石土地層條件下，常規(guī)直徑108 mm大管棚實施中斷管、卡鉆、鉆進緩慢現(xiàn)象嚴重，主要是由于區(qū)間卵石粒徑較大且強度高，套管強度相對較低所致.同時套管管徑過小且風壓不足，致使管棚鉆進過程中排渣不徹底，卡鉆、鉆進緩慢.改進工藝：原直徑108 mm管棚調整為直徑146 mm管棚，特殊情況下，可采用直徑146 mm管棚內套直徑108 mm管棚工藝，原R780材質鋼管改進為P110材質鋼管，原8 kg空壓機更換為13 kg空壓機，提高了管棚鉆進速度，確保管棚的打設范圍與長度，現(xiàn)場實施情況見圖5.同時，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據，大管棚能有效地隔斷隧道開挖過程中的應力釋放與地層擾動，對上方既有線的保護起到了關鍵作用.

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

4.2 徑向注漿工藝的改進

徑向注漿施工機具采用傳統(tǒng)地質鉆機，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，施工機具改進為TY-28氣腿式風槍，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，設計方案與現(xiàn)場實施情況分別如圖6、圖7所示.

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

圖7 改進后的洞內徑向注漿實景Fig.7 Modified grouting construction on site

局部抬升注漿，適當延緩漿液凝固時間，增加注漿壓力，保證拱頂以上地層適當抬升.

4.3 鎖腳錨桿施工工藝的改進

鎖腳錨桿對初期支護的穩(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，所用的無縫鋼管的強度和剛度相對不足，無法對大粒徑卵石形成有效的沖擊和破碎，經過施工現(xiàn)場大量的分析及實驗，鎖腳支護改進為預埋直徑42 mm熱軋無縫鋼管，套打壁厚9 mm、直徑32 mm自進式錨桿，設計方案與現(xiàn)場實施情況分別如圖8、圖9所示，確保了鎖腳錨桿打設長度，有效控制了初期支護沉降變形.

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

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

5 大管棚超前支護措施原理分析

隧道開挖過程中，大管棚+小導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，進而減少開挖應力釋放、控制圍巖變形、擴散圍巖壓力，同時能與格柵鋼架共同形成“棚架”體系，確保地層穩(wěn)定.

在相對軟土地層中，大管棚超前支護作用非常明顯，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，此時大管棚+小導管超前支護的作用主要表現(xiàn)在隔斷開挖擾動、減小地層應力釋放，軟弱地層中的“棚架”效果并不明顯.

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

E1I1=E2I2

(1)

式中：E1與E2分別為含漿液在內的管棚、等代層的彈模；I1與I2分別為含漿液在內的管棚、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算參數(shù)Tab.5 Equivalent stiffness calculation parameters of pipe roof above the tunnel vault

將表5計算參數(shù)代入式(1)，可以計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鋼筋砼結構，以鋼筋砼套拱寬度300 mm、彈性模量30 000 MPa考慮，當高度為155 mm時，對應的慣性矩為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的小導管，注漿后可以形成相同尺寸、等效剛度達到2 768 kN·m2的承載拱，進而可換成高度155 mm的C30鋼筋砼扣拱，可在很大程度上減小盾構掘進擾動與地層損失的不利影響.

在考慮大管棚承載拱效應條件下[10]，基于太沙基塌落拱理論，采用荷載-結構模型，利用MIDAS/GTS軟件進行計算分析，對隧道襯砌結構進行計算分析，具體如表6所示.

表6 大管棚支護下隧道配筋計算

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為每層土體對應的層厚；Hi為hi對應的每層土體層底埋深，i為隧道拱頂至地表對應的土體層數(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可知結構內力與配筋計算情況，計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，隧道襯砌最大內力值出現(xiàn)在拱底附近，相應最大彎矩值為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，結構可靠性與穩(wěn)定性、經濟效益更加明顯[10].

6 雙層襯砌與洞內臨時支撐

礦山法隧道施工對周邊地層的影響主要集中在開挖與洞內臨時支撐拆除兩個階段，為最大程度減小臨時支撐拆除階段可能引起的應力釋放，提出了初期支護+二次襯砌+三次襯砌的結構型式，二襯厚度以200 mm考慮、三襯厚度以300 mm考慮，二次襯砌施做時洞內臨時支撐不拆除，見圖10，待二次襯砌達到設計強度并有效承擔圍巖后，拆除洞內臨時支撐，鋪設防水層，最后施做作為永久結構的三次襯砌，有效解決了洞內臨時支撐拆除期間的應力轉換.

圖10 二襯+三襯結構斷面設計圖Fig.10 Segment design for secondary+tertiary lining

6.1 內力轉換與襯砌結構內力分析

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

圖11 計算模型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，隧道拱頂位置內力相對較大，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，所以二襯承擔了大部分荷載，作為永久結構的三襯，承載的荷載較小，對應的結構內力也很小，具有很大的安全儲備，相對而言更有利于襯砌結構的耐久性與長期穩(wěn)定.

基于隧道彎矩與軸力值，進行配筋計算，并進一步驗算結構裂縫寬度，礦山法隧道結構裂縫寬度控制值為0.3 mm[11]，具體計算結果如表7所示.

表7 二襯+三襯襯砌結構內力與配筋計算Tab.7 Lining stress and reinforcement calculation with secondary+teriary lining structure

常規(guī)的初期支護+二次襯砌結構型式，二襯承擔主要荷載，因此結構內力與配筋較大，本工程初期支護+二襯+三襯結構型式，作為永久結構的三次襯砌承擔的荷載很小，具有較大的安全儲備，更加符合百年工程設計目標.

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)，滿足變形控制標準[12].同時，初始開挖階段，隧道拱頂沉降值為-7.6 mm，二襯施工階段、洞內臨時拆撐階段，拱頂沉降值相應為-10 mm與-10.5 mm，可見洞內臨時支撐拆除引起的拱頂沉降僅為-0.5 mm.此時，隧道拱頂?shù)某两底冃沃饕谐跏奸_挖階段，已經施工完成的二襯結構對拆撐引起的應力釋放有明顯的抑制作用.

7 結論與建議

基于實際工程中遇到的礦山法隧道近距離下穿既有線盾構隧道案例，從工程方案整體設計、礦山法隧道超前支護、襯砌結構設計與關鍵施工工藝等方面進行了深入研究，主要得出以下結論：

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

2)大管棚與自進式錨桿的超前支護作用必須得到切實的保障，采用套打工藝可以有效解決砂卵石地層超前小導管打設難題，承包商必須配備相應的技術力量與配套的機械設備，確保地層預加固效果.

3)初期支護+二次襯砌+三次襯砌的復合式襯砌結構，可有效抑制受力體系轉化過程中的應力釋放與圍巖變形，最大程度滿足隧道周邊嚴格環(huán)境保護要求.

4)初期支護+二襯+三襯結構可將三次襯砌作為永久結構，安全儲備較大，更有利于結構的穩(wěn)定性與長期耐久性，可在實際工程中進一步推廣.