莞惠城際鐵路礦山法隧道各級圍巖設(shè)計工法的適應(yīng)性分析及調(diào)整建議

聶振宇

(中交集團第一公路工程局廈門工程有限公司， 廣東 東莞　523400)

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莞惠城際鐵路礦山法隧道各級圍巖設(shè)計工法的適應(yīng)性分析及調(diào)整建議

聶振宇

(中交集團第一公路工程局廈門工程有限公司， 廣東 東莞523400)

摘要：以莞惠城際鐵路松山湖地下隧道(礦山法)施工為例，通過各綜合圍巖等級的工序分析、工法類比、穩(wěn)定性與優(yōu)勢比較等，認為該隧道礦山法施工實際揭示圍巖與設(shè)計工法存在一定的適應(yīng)性問題，并提出以下建議： 1)Ⅵ級圍巖隧道(第四、五、六類圍巖)建議調(diào)整為三臺階七步法+拱部臨時立柱法、Ⅵ級圍巖隧道(第七、八類圍巖)建議調(diào)整為三臺階七步法； 2)Ⅴ級圍巖隧道(第二類圍巖)建議調(diào)整為帶臨時仰拱臺階法或上下臺階法、Ⅴ級圍巖隧道(第三、四、五類圍巖)建議調(diào)整為上下臺階法； 3)Ⅳ級圍巖隧道建議調(diào)整為上下臺階法； 4)其他未涉及的圍巖情況，工法均不做調(diào)整。

關(guān)鍵詞：莞惠城際地下鐵路隧道； 礦山法； 綜合圍巖等級； 設(shè)計工法； 適應(yīng)性分析

0引言

近年來，由于國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，國內(nèi)軌道交通的發(fā)展越來越快，相繼涌現(xiàn)了一大批城際鐵路，如京津、滬寧、寧杭、廣珠城際鐵路等。2015年1月6日，國家鐵路局正式批準發(fā)布了鐵道行業(yè)標準TB 10623—2014 《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》，自2015年3月1日起實施，這是國內(nèi)第1部城際鐵路建設(shè)的行業(yè)標準。在《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》頒布之前，國內(nèi)城際鐵路的設(shè)計主要參考鐵路、客專和高鐵相關(guān)設(shè)計規(guī)范，并且各城市也并不完全統(tǒng)一，但基本上都是以路基和高架鐵路為主。莞惠城際鐵路以鐵建設(shè)[2005]140號《新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定(上下)》[1]為主要設(shè)計規(guī)范，參考GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》[2]和TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]，穿越城市繁華區(qū)以地下隧道為主，這同國內(nèi)其他已建成的城際鐵路在線路選型上存在較大差異。

當前，國內(nèi)對城際鐵路隧道施工工法的研究主要側(cè)重于山嶺隧道(或者說是陸地上隧道)，對類似于莞惠城際鐵路松山湖這種大斷面、長距離隧道施工工法的研究，還相對較少，為數(shù)不多；且城市地下隧道由于存在埋深小，受地表建筑荷載、管線和地下水位高等影響因素多的特點，在設(shè)計與施工上同普通鐵路、高鐵和地鐵隧道相比，有很多不同之處。本文基于莞惠(東莞至惠州)城際鐵路松山湖地下隧道工程，對傳統(tǒng)礦山法在該隧道施工過程中存在的適應(yīng)性問題進行詳細分析，并分別提出適合于莞惠城際鐵路松山湖隧道Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ級(圍巖綜合等級)的工法調(diào)整建議。

1工程概況

莞惠城際鐵路(時速200 km)松山湖隧道為目前國內(nèi)最長的在建地下隧道，全長38 813雙延米，其中礦山法隧道長度為46 449單延米。隧道地處珠三角地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，沿線多處下穿河流、鐵路、公路、市政道路及房屋建筑密集區(qū)等，地下管線十分密集，施工難度較大。隧道地質(zhì)條件復雜，斷面較大，多處存在富水破碎圍巖，掌子面巖層種類變化多、起伏大、地層差距大，同一斷面地質(zhì)上軟下硬的情況較多[4]。隧道圍巖以Ⅵ級和Ⅴ級圍巖為主(以Ⅵ級居多)，少部分是Ⅳ級，Ⅲ級圍巖除常平鎮(zhèn)段山嶺隧道外(累計約716 m)，城市地下段隧道基本沒有。筆者大致統(tǒng)計了松山湖隧道各圍巖等級的比例，Ⅵ級圍巖約占45%，Ⅴ級圍巖約占27%，Ⅳ級圍巖約占8.3%，Ⅲ級圍巖太少(不做統(tǒng)計)。隧道斷面形式為單洞單線，二次襯砌內(nèi)凈空寬度為8 m，凈高為7.3 m。Ⅵ級圍巖采用CD法、Ⅴ級及Ⅳ級淺埋圍巖采用帶臨時仰拱臺階法、Ⅳ級深埋采用上下臺階法、Ⅲ級圍巖采用全斷面法施工[5]。

本文主要介紹CD法、Ⅴ級及Ⅳ級淺埋圍巖隧道工法適應(yīng)性的問題。單側(cè)壁導坑法(CD法)見圖1。帶臨時仰拱臺階法見圖2。松山湖隧道設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1　單側(cè)壁導坑法(CD法)

圖2　帶臨時仰拱臺階法

圍巖等級工法初期支護噴射混凝土(拱墻)/mm噴射混凝土(仰拱)/mm鋼架位置鋼架規(guī)格鋼架間距/m二次襯砌/mm拱墻/仰拱主筋縱筋箍筋Ⅵ級CD法300300全環(huán)I20a型鋼0.5500/550?25@150?14@150Ⅴ級淺埋帶臨時仰拱臺階法250250全環(huán)I18型鋼0.6450/500?22@150?14@150Ⅴ級深埋帶臨時仰拱臺階法250250全環(huán)?22鋼筋格柵0.6450/500?20@150?14@150Ⅳ級淺埋帶臨時仰拱臺階法220220全環(huán)?20鋼筋格柵0.8400/450?20@150?12@150Ⅳ級深埋上下臺階法220100拱墻?20鋼筋格柵1.0400/450?18@150?12@150?8@300×150(加密區(qū)為?8@150×150)梅花形布置

2隧道綜合圍巖等級的確定

鐵路隧道圍巖等級應(yīng)該由拱頂、邊墻、底板3處圍巖決定，但基本上由隧道拱頂揭示圍巖決定，即拱頂圍巖等級決定著隧道洞身的圍巖等級。隧道綜合圍巖等級需要依據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》附錄A鐵路隧道圍巖基本分級中的表A.1圍巖基本分級和A.2隧道圍巖分級進行修正。隧道綜合圍巖級別應(yīng)在圍巖基本分級的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程的特點，考慮地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)等必要的因素進行修正。

2.1隧道埋深對圍巖的分級修正

依據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》附錄A，當隧道的洞身埋深較淺時，應(yīng)根據(jù)圍巖受地表的影響情況進行圍巖級別修正。當圍巖為風化層時，應(yīng)按風化層的圍巖基本分級考慮；圍巖僅受地表影響時，應(yīng)較相應(yīng)圍巖降低1—2級。隧道埋深值H應(yīng)根據(jù)下列計算式來確定。

1)當H≤2b時，為淺埋隧道(H為隧道埋深，b為隧道最大開挖寬度)；

2)當H>2b時，為深埋隧道。

一般情況下，松山湖隧道(城市地下地段)埋深為8～20 m，但以10～18 m的居多。按照上述計算公式，松山湖隧道埋深H值計算如表2所示。

表2松山湖隧道埋深劃分表

Table 2Relationship among surrounding rock grade, excavation width and buried depth

圍巖等級最大開挖寬度b/m埋深H/mⅥ級9.118.2Ⅴ級淺埋8.8617.72Ⅴ級深埋8.8617.72Ⅳ級淺埋8.6417.28Ⅳ級深埋8.5217.04Ⅲ級圍巖8.2

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，如果按照一般埋深為10～18 m計算，則松山湖隧道以淺埋圍巖居多。按照圍巖的分級修正要求，不論是按照風化層的圍巖基本分級考慮，還是受地表構(gòu)筑物的影響，其隧道綜合圍巖等級都應(yīng)較相應(yīng)圍巖降低1—2級。

2.2地下水對圍巖的分級修正

松山湖隧道沿線地下水主要為第四系松散沉積層中的孔隙潛水和基巖中賦存的裂隙水。第四系孔隙潛水，主要賦存于東江及其支流的漫灘及階地上的第四系沖洪積地層中，埋深為0.2～6 m，水量較大，剝蝕丘陵區(qū)僅在溝谷兩岸賦存有第四系孔隙潛水，埋深1～5 m，水量不大，主要靠大氣降水補給，一部分通過蒸發(fā)排泄，一部分通過地下徑流排泄；基巖裂隙水主要賦存于基巖的裂隙中，水量不大，透水性差，一般略具承壓性，埋深較大。

松山湖隧道Ⅴ級和Ⅵ級圍巖中，地下水以Ⅲ級居多(經(jīng)常滲水)；Ⅳ級圍巖中，地下水以Ⅱ級居多(偶有滲水)；Ⅲ級圍巖，地下水以Ⅰ級居多(干燥或濕潤)。調(diào)整后的松山湖隧道綜合等級圍巖以Ⅵ級和Ⅴ級圍巖居多，少部分是Ⅳ級圍巖，Ⅲ級圍巖除了山嶺地段外基本沒有。這種圍巖情況同樣存在于珠三角城際軌道交通東江隧道(礦山法隧道全長17 286單延米)、太平隧道(礦山法隧道全長11 594單延米)和云山隧道(礦山法隧道全長7 700單延米)等。

3隧道施工存在的問題分析

3.1隧道圍巖的不均勻性分析

松山湖隧道埋深較小，加上圍巖面起伏變化較大，如果圍巖分級前僅考慮巖性、巖體完整度、厚度、埋深及地下水狀態(tài)等因素的影響，隧道掌子面圍巖會出現(xiàn)很大程度的不均勻性。松山湖隧道Ⅵ級與Ⅴ級圍巖可能存在圍巖的不均勻情況分析，分別如表3和表4所示。

表3　隧道Ⅵ級圍巖不均勻性的情況分析表

表4　隧道Ⅴ級圍巖不均勻性的情況分析表

3.2CD法施工存在問題的分析

CD工法見圖3。CD法豎撐變形見圖4。

圖3　CD工法

圖4　CD法豎撐變形圖

針對表3第四、五、六類圍巖情況，隧道掌子面施工時由于需要爆破，臨時豎撐無法支立和保留，甚至會因為豎撐嚴重變形而使得隧道鋼拱架局部變形，產(chǎn)生破壞，嚴重影響隧道支護結(jié)構(gòu)的安全(圖4所示僅為實際變形曲線中的一種)，故采用CD法不合適。

3.3帶臨時仰拱臺階法施工中存在的困難

帶臨時仰拱臺階法如圖5所示。臨時仰拱變形圖如圖6所示。

圖5　帶臨時仰拱臺階法

針對表4所示第三、四、五類圍巖時，如果僅隧道底板處爆破，可以采取適當?shù)母采w措施，確保爆破產(chǎn)生的飛石不至于破壞臨時仰拱，造成仰拱變形扭曲。如果隧道底板、邊墻乃至拱頂都需要爆破，臨時仰拱必定遭到破壞和扭曲，隧道鋼拱架局部會變形，嚴重影響隧道的支護安全(圖5所示僅為實際變形曲線中的一種)，故采用帶臨時仰拱臺階法不合適。

圖6　臨時仰拱變形圖

4國鐵、城際地下鐵路、地鐵隧道的設(shè)計類比

1)國鐵(普通、客專、高速鐵路的統(tǒng)稱)隧道一般位于山區(qū)，修建時速為200 km的隧道，一般是單洞雙線，隧道斷面大；而城際地下鐵路隧道，基本是單洞單線(類似于地鐵隧道)，隧道斷面大(相對于單洞單線隧道)，兩者在隧道選型設(shè)計上存在很大差異[6]。

2)城際地下鐵路隧道受水、淺埋、地表影響較大，圍巖綜合等級受很多因素的影響，工法以帶臨時仰拱法、CD法居多，少部分采用臺階法。山嶺隧道受地下水、地表的影響較小，埋深較大(一般只有進、出洞段存在少部分淺埋段)，其圍巖等級采用基本圍巖等級的較多，工法以臺階法、全斷面法居多[7]。

3)地鐵隧道(單洞單線)斷面面積較小，圍巖等級以Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ級居多，工法以兩臺階和預(yù)留核心土臺階法為主，少部分情況下Ⅵ級圍巖采用CD法。地鐵隧道斷面小，遇見“上軟下硬”地層情況時，可在設(shè)計階段調(diào)整線路縱坡，確保隧道巖面的均勻性，工法盡可能與實際地質(zhì)情況相匹配。

5工法調(diào)整的建議與討論

由于地下水的狀態(tài)和開挖后的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)在勘察階段還難以判斷，圍巖分級的修正完全可以在施工階段進行，以實際揭示圍巖確定工法，以綜合圍巖等級確定超前預(yù)加固或輔助措施。設(shè)計階段提出的應(yīng)是推薦性工法，具體實施工法可以根據(jù)實際地質(zhì)情況分段落進行調(diào)整[8]。

5.1Ⅵ級圍巖工法的調(diào)整建議

針對表3第一、二、三類圍巖不做討論，采用CD法施工；第四、五、六類圍巖僅僅是頂板以上土體可能稍差，洞身圍巖相對較好，采用三臺階七步法+拱部臨時立柱法開挖，考慮到隧道綜合圍巖等級為Ⅵ級，對隧道頂板土體可以適當采取超前輔助措施進行預(yù)加固；第七、八類圍巖整個斷面基本需要爆破的，采用三臺階七步法即可，考慮到隧道綜合圍巖等級為Ⅵ級，對隧道頂板土體應(yīng)適當采取超前輔助措施進行預(yù)加固[9-10]。

5.2Ⅴ級圍巖施工工法的調(diào)整建議

表4第一類圍巖不做討論，采用帶臨時仰拱臺階法是合適的；第二類圍巖考慮到底板必須爆破，臨時仰拱是否可以保留，建議工法調(diào)整為帶臨時仰拱臺階法或上下臺階法；第三、四、五類由于隧道洞身需要爆破，臨時仰拱無法保留，建議工法調(diào)整為上下臺階法。

5.3Ⅳ級圍巖施工工法的調(diào)整建議

依據(jù)文中的爆破分析，由于隧道掌子面各區(qū)爆破的需要，臨時仰拱無法保留，將Ⅳ級淺埋圍巖隧道施工工法由帶臨時仰拱臺階法建議調(diào)整為上下臺階法(即取消臨時仰拱)。Ⅳ級深埋圍巖按原要求采用上下臺階法施工，不做調(diào)整。

5.4各圍巖建議工法的穩(wěn)定性分析

5.4.1Ⅵ級圍巖建議工法穩(wěn)定性分析

三臺階七步法+拱部臨時立柱見圖7。三臺階七步法見圖8。

圖7　三臺階七步法+拱部臨時立柱

Fig. 7Three-bench seven-step method + arch temporary column support

5.4.1.1三臺階七步法+拱部臨時立柱

1)對隧道①區(qū)進行開挖。根據(jù)圍巖實際情況，若隧道頂板以上圍巖較差，可分2步進行開挖。若圍巖較好，可一次性開挖，但須及時架設(shè)臨時豎撐。臨時豎撐底部可以用槽鋼墊底，已增大荷載的分布，及時完成噴射混凝土支護。

圖8　三臺階七步法

2)按三臺階七步開挖法依次對隧道各部位進行開挖，及時完成鋼架支護，確保隧道施工安全。隧道⑦區(qū)開挖之前，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性分析。確定隧道基本穩(wěn)定后(或是監(jiān)測數(shù)值在設(shè)計及規(guī)范允許范圍內(nèi)變化)，即可挖除相應(yīng)部分的核心土，拆除臨時豎撐，完成⑦區(qū)仰拱施工。

3)若隧道拱頂存在軟弱圍巖、難以自穩(wěn)的情況，可以考慮采取超前預(yù)注漿、雙排小導管等輔助措施對頂板圍巖預(yù)加固，確保隧道頂板土體開挖過程穩(wěn)定。

4)若隧道頂板圍巖急劇突變，或地表覆土沿隧道縱向有較大變化、隧道直接承受地面建筑物等較大局部荷載、隧道下穿河流、交通基礎(chǔ)設(shè)施等，須考慮超前中管棚、長管棚等超前輔助措施。

5)對于拱頂圍巖相對較好，如本文第七類及第八類圍巖，建議隧道頂板處加強超前小導管支護，直接采用三臺階七步法開挖，因為頂板爆破開挖，臨時豎撐無法預(yù)留。

6)各區(qū)掌子面預(yù)留核心土視實際圍巖是否需要爆破等情況，不一定要保留。

5.4.1.2三臺階七步法+拱部臨時立柱法穩(wěn)定性分析

1)隧道①區(qū)開挖可視圍巖情況分1步或2步進行，同時采取臨時豎撐，有利于隧道頂板的穩(wěn)定。

2)相比于CD法中①區(qū)開挖，本法在確定頂板支護穩(wěn)定的前提下，相當于將原CD法①區(qū)開挖分2步進行，也就是本法中①區(qū)左側(cè)和②區(qū)，且②區(qū)爆破開挖，不受豎撐的影響。因此，安全性肯定好于CD法。同理，本法中③區(qū)開挖的穩(wěn)定性也好于CD法的③區(qū)。

3)由于隧道邊墻和底板圍巖條件相對好的多，且上、下臺階的支護結(jié)構(gòu)基本得到穩(wěn)定，所以隧道⑦區(qū)的仰拱開挖不會影響到隧道支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

綜上，這種圍巖條件下采用三臺階七步法+拱部臨時立柱法將優(yōu)于CD法。

5.4.2Ⅴ級圍巖建議工法穩(wěn)定性分析

1)臨時仰拱只是束縛鋼拱架的水平移動，并不參與拱架豎向受力。由于隧道邊墻和底板圍巖相對較好，完全可以通過錨桿和鎖腳錨管等措施將拱架固定于圍巖中，束縛拱架水平方向的移動。

2)表4第二類圍巖考慮底板爆破，臨時仰拱是否可以保留，工法調(diào)整為帶臨時仰拱臺階法或上下臺階法；第三、四、五類由于隧道洞身需要爆破，臨時仰拱無法保留，工法調(diào)整為上下臺階法。

3)由于隧道綜合等級圍巖為Ⅴ級，應(yīng)采取必要的超前輔助加固措施對隧道拱頂進行加固等。

5.4.3Ⅳ級圍巖建議工法穩(wěn)定性分析

見表4第五類圍巖工法的穩(wěn)定性分析，受文章篇幅的限制，此處不再做詳細分析。

6建議與探討

針對莞惠城際鐵路項目松山湖地下隧道的設(shè)計及施工工法，提出建議如表5—7所示。

表5隧道Ⅵ級圍巖設(shè)計及施工工法調(diào)整建議表

Table 5Suggestions for design and construction of Grade Ⅵ surrounding rocks

圍巖情況原設(shè)計工法調(diào)整建議工法第一類第二類第三類第四類第五類第六類第七類第八類CD法①①①②②②③③

注： ①代表CD法; ②代表三臺階七步法+拱部臨時立柱; ③代表三臺階七步法； 輔助措施在表中則不做敘述。

表6隧道Ⅴ級圍巖設(shè)計及施工工法調(diào)整建議表

Table 6Adjustment of Grade Ⅴsurrounding rock tunnel design and suggested construction methods

圍巖情況原設(shè)計工法調(diào)整建議工法第一類第二類第三類第四類第五類帶臨時仰拱臺階法①②③③③

注： ①代表帶臨時仰拱臺階法; ②代表帶臨時仰拱臺階法或上下臺階法; ③代表上下臺階法； 輔助措施在表中則不做敘述。

表7隧道Ⅳ級圍巖設(shè)計及施工工法調(diào)整建議表

Table 7Adjust Ⅳ class surrounding rock tunnel design and construction methods suggested table

圍巖情況原設(shè)計工法調(diào)整建議工法Ⅳ級淺埋圍巖Ⅳ級深埋圍巖帶臨時仰拱臺階法上下臺階法上下臺階法

注： 輔助措施在表中則不做敘述。

當前，國內(nèi)關(guān)于鐵路隧道施工工法方面的研究與相關(guān)資料較多，但大部分主要針對國鐵和地鐵隧道的，類似于城市地下大斷面、長距離淺埋鐵路隧道施工工法優(yōu)化方面的資料還相對較少。受文章篇幅的限制，筆者只是簡單將松山湖隧道上、中、下地層分別進行分類，提出相關(guān)的工法調(diào)整建議。若地層為傾斜層，或是還有上軟、中硬、下軟等特殊情況，還需要做進一步的研究，分析原理基本相同，主要還是根據(jù)巖層特性、圍巖支護方式及相關(guān)的安全穩(wěn)定性分析等。文中提出的工法調(diào)整建議是否適應(yīng)國內(nèi)其他地區(qū)城際地下鐵路隧道，還需要做進一步的補充與完善，以便建立適合全國范圍城際地下隧道施工工法的統(tǒng)一標準。

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Applicability Analysis on and Suggestions for Design Construction Methods for Surrounding Rocks: A Case Study on Dongguan-Huizhou Inter-city Railway Tunnel Constructed by Mining Method

NIE Zhenyu

(XiamenEngineeringCo.,Ltd.,CCCCFirstHighwayEngineeringBureau,Dongguan523400,Guangdong,China)

Abstract:The construction procedure, construction method, stability and advantages and disadvantages of different grades of surrounding rocks are analyzed. The analytical results show that the design construction methods of Songshanhu underground tunnel on Dongguan-Huizhou inter-city railway are not so feasible. So some suggestions are proposed as follows: 1) For Grade Ⅵ surrounding rocks, three-bench seven-step method + arch temporary column support method is feasible for No. 4, No. 5 and No. 6 surrounding rocks; and three-bench seven-step method is feasible for No. 7 and No. 8 surrounding rocks. 2) For Grade Ⅴ surrounding rocks, temporary invert bench method or top heading and benching method is feasible for No. 2 surrounding rock; and top heading and bench method is feasible for No. 3, No. 4 and No. 5 surrounding rocks. 3) For Grade Ⅳ surrounding rocks, top heading and bench method is feasible.

Keywords:Dongguan-Huizhou inter-city underground railway tunnel; mining method; comprehensive surrounding rock design; designed method; adaptability analysis

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0193-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.011

作者簡介：聶振宇(1983—)，男，江西九江人，2006年畢業(yè)于西南交通大學，土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事城市地鐵施工工作。E-mail: 63063229@qq.com。

收稿日期：2014-12-21; 修回日期: 2015-03-20