小凈距平行疊落礦山法隧道設計與施工技術研究

賈 霄，馮 欣，鄭 杰，夏瑞萌，趙伶杰

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

近年來，在城市的繁華地段或老舊城區修建地鐵時，常受到既有建構筑物間距過小的限制，隧道間凈距變得越來越小，甚至出現區間平面重合、豎向平行疊落的隧道。對于小凈距的水平平行隧道，研究成果已較為完善，施工經驗也趨于成熟。但是，針對平行疊落的礦山法隧道的研究較少，因為國內外已建成的多孔疊落隧道大多采用盾構法或明挖法施工，采用礦山法施工的實例較為罕見[1]。目前已開展系統性研究的主要有：日本根據實際工程經驗及研究成果，于上世紀80年代出版了《近接施工的設計指南》，按結構物間的位置關系來劃分相互影響范圍；我國西南交通大學等單位基于深圳地鐵老街—大劇院區間，制定了針對礦山法施工的疊落隧道近接度標準。

基于在建的北京地鐵19號線工程，筆者開展了平行疊落礦山法隧道的相關技術研究，力求為該類工程的設計和施工提供技術支持，也為將來制定規范、標準等指導性文件提供一定的理論和實踐依據。

2 工程概況

北京地鐵19號線金融街站—平安里站區間(簡稱“金—平區間”)與3號線阜成門站—平安里站區間疊落段，位于西城區趙登禹路。趙登禹路寬21～30 m，兩側建構筑物密集，且存在文物保護院落，保護等級要求高。該段區間線路在平面范圍內重疊，如圖1所示。

圖1 區間疊落段平面Figure 1 Site plan of the overlapped tunnels

受老城區內場地條件限制，區間兩端的4座車站均不具備明挖條件，且金融街站、平安里站均無盾構施工條件，盾構過站方案則受工期制約，故19號線區間采用礦山法施工。目前3號線西段尚處于前期規劃階段，線站位及施工方案尚未確定，需考慮預留遠期礦山法的實施條件。綜上，本段隧道采用上下疊落的4孔礦山法隧道平行敷設的方案，疊落段長約780 m。

19號線金—平區間受平安里站(地下 2層站)埋深、已運營地鐵6號線區間隧道的制約，無條件加大線路埋深，形成19號線隧道在上，3號線隧道在下的布置形式，如圖2所示。地下水埋深22.60～26.80 m，為盡可能減小下部隧道的入水深度，隧道間最小豎向凈距按2.0 m控制。19號線區間隧道開挖范圍內主要為卵石⑤層，3號線區間隧道主要穿越卵石⑦層、粉質黏土⑧層，最大入水深度約5 m。

圖2 疊落隧道地質剖面Figure 2 Geological section of overlapped tunnels

3 調研結果

3.1 日本研究成果

根據在地下工程修建過程中的經驗和教訓，日本于1987年內部出版了《近接施工的設計指南》，指出不同隧道結構間的相互影響按結構物間的位置關系進行分類，相互影響范圍可分為3個區域，即無影響區、要注意的影響區和必須采取措施的影響區，如圖3所示[2]。在必須采取措施的影響區內修建隧道時，應根據隧道的位移、變形影響程度，采取相應的施工技術措施，并進行全過程施工監測。

圖3 接近度的劃分Figure 3 Partition of the neighboring extent

不同的相互影響范圍對應采取不同的措施，分為以下3種。

1) 針對先建隧道的措施：增加襯砌的整體剛度及承載能力，襯砌背后回填注漿等。

2) 針對后建隧道的措施：通過改變開挖方式、優化分部尺寸、改變支護結構及襯砌形式等，控制開挖引起的圍巖變形。

3) 針對中間地層的措施：通過注漿、凍結等手段，強化、改良地層；通過施作管棚等，隔斷影響。

3.2 國內研究成果

西南交通大學等單位依托深圳地鐵一期工程的老街—大劇院區間疊落隧道工程，開展了一系列研究，針對礦山法施工的疊落隧道工程，制定了兩隧道的近接度標準(見表1)[3]，兩隧道的位置分布如圖4所示。

表1 近接度標準Table 1 Standard of the neighboring extent

圖4 兩隧道的位置分布Figure 4 Location distribution of the bored tunnel

根據該近接度標準，將疊落隧道分為3個區域：強影響區、弱影響區和無影響區(見圖5)。進行支護結構設計時，強影響區的支護參數加強兩級，弱影響區的支護參數加強一級，無影響區按一般隧道設計。

圖5 疊落隧道近接分區Figure 5 Neighboring extent of the overlapped tunnel

3.3 國內工程案例

對國內部分已建成的平行疊落礦山法隧道進行調研，如表2所示。

表2 礦山法疊落隧道工程匯總Table 2 Statistics for overlapped tunnels built by the mining method

3.4 工程借鑒意義

調研結果表明：在地質較好的地層中修建地鐵區間隧道，采用上下平行疊落的方案是完全可行的。通過采取一定的工程措施，能保證疊落隧道上下洞結構的安全，對環境造成的影響可控制在允許范圍之內(見圖6)。設計、施工時可借鑒同類工程，采用以下對策：

圖6 疊落隧道斷面Figure 6 Sections of the overlapped tunnels

1) 選擇合理的開挖順序至關重要，已有學者開展了深入研究[13]。在調研的工程案例中，大多數疊落隧道工程采取“先下洞后上洞”的開挖順序，僅重慶6號線光電園站大跨區間、大龍山站—花卉園站區間采用“先上洞后下洞”的開挖順序。無論采取何種開挖順序，通過采取相應的施工技術措施，均能保證工程的安全實施。

2) 先建隧道的初支可按一般隧道進行設計，二襯結構予以加強。

3) 對隧道周圍的土層進行加固，重點加固隧道間所夾土體。

4) 提高后建隧道的支護等級，保證施工過程無水作業，適當加強二襯結構。

5) 施工過程管控要嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤測量”的原則和方針。為盡量減小對先建隧道結構及中間所夾圍巖的擾動，后建隧道施工要采用非爆破、微震動的開挖方式。

4 設計方案

4.1 設計參數及工程措施

如前所述，受復雜的環境條件制約，形成19號線隧道在上、3號線隧道在下的豎向布置。根據北京地鐵的建設時序，19號線擬于2021年開通，3號線西段為遠期線路。故本工程先施工19號線區間的兩條單洞隧道，并為遠期3號線的實施預留條件，隧道的設計參數如表3所示。

表3 隧道的設計參數Table 3 Design parameters of tunnels

疊落隧道初支最小豎向凈距僅2.0m，遠小于常規的2倍洞跨弱影響范圍，屬于“強影響區”。隧道間所夾土體為卵石，黏聚力小，自穩能力差，施工時極易發生塌落，所以必須采取加強措施，確保隧道間土體的穩定和工程安全。針對本工程特殊的結構形式及地層特點，采取的如下技術措施：

1) 針對上洞隧道的措施：隧道的初支結構，按普通單線隧道進行設計；二襯厚度加大，提高整體剛度，采用平底直墻拱斷面，提高自身的穩定性。

2) 超前加固措施：上洞隧道施工時，沿底部環向120°施作深孔注漿，加固隧道間的夾層土；沿下洞隧道初支輪廓線及地下水位以下的掌子面進行深孔注漿，形成止水帷幕，保證無水作業；在下洞隧道拱頂180°范圍打設超前小導管，插入已加固的土體中。

3) 下洞隧道結構加強措施：下洞的初期支護等級提高兩級，采用 CRD(交叉中隔壁法)開挖，盡可能減小分步開挖的斷面尺寸，進而減少對上洞隧道的擾動；減小格柵鋼架的間距并加大其厚度，設置縱向連接筋，提高整體的受力性能。

4) 施工過程的管理與控制：嚴格控制開挖進尺，下洞土體開挖后，初支及時封閉成環；在格柵拱腳處，打設鎖腳錨管且用木塊墊實，以防止鋼架下沉；初支與圍巖之間、二襯與初支之間，以密貼為原則進行填充注漿；建立完善的監控測量系統，及時反饋施工中的各項參數。

4.2 施工過程數值模擬

筆者采用有限元軟件MADIS-GTS建立數值模型，對上下疊落4孔隧道施工過程的沉降變形及內力變化的規律進行研究[14-15]。

4.2.1 模型基本假定

1) 巖土材料采用摩爾-庫侖準則計算，鋼筋混凝土按彈性材料計算，土層的物理力學參數如表4所示。

表4 土層力學參數Table 4 Mechanical parameters of soil

2) 初支、二襯采用梁單元模擬，地層采用面單元模擬；注漿加固體采用彈性單元等效模擬，在相應的分析步驟中通過改變加固區域單元的材料屬性來實現。

3) 不考慮隧道開挖對土體力學指標的影響，以及地下水滲流的影響。

4) 模型上表面自由，側面及下表面約束法線方向的位移。

5) 為盡可能消除邊界影響，模型左右及下部邊界距離隧道均大于3倍洞徑，上部取至地表；整個模型計算范圍為80 m(寬)×60 m(高)，網格劃分如圖7所示。

圖7 有限元計算模型Figure 7 The finite element model

6) 考慮地應力的釋放為緩慢過程，開挖過程中土體應力分3個階段釋放，土體開挖階段、施作初支階段、施作二襯階段的荷載釋放系數分別取0.4、0.3和0.3。

模擬的施工工況為先開挖上洞隧道，再對下洞隧道的各導洞依次開挖支護。選取隧道周邊的關鍵點進行位移分析，結果如表5所示。

表5 豎向位移計算結果Table 5 Results of vertical displacement mm

上洞隧道施工完成、沉降及變形穩定后，選取下洞隧道施工引起周圍地層及上洞隧道結構變形的矢量圖，如圖8所示。

圖8 土體位移矢量圖Figure 8 Displacement vector of soil

4.2.2 計算結果分析

由計算結果可得如下規律：

1) 上洞隧道施工完成后，地表沉降、拱頂沉降及拱底隆起量分別為10.1、18.3、25.3 mm，滿足變形要求。下洞隧道開挖時造成了上洞隧道結構的整體下沉，地表沉降增加2.1 mm，上洞拱頂下沉2.4 mm，拱底下沉2.7 mm。

2) 隨著下洞隧道的開挖，上下洞之間的土體受到擾動，向開挖方向發生明顯位移，上洞隧道的結構隨之下沉。

在開挖過程中，上洞左線隧道的二襯環向彎矩和環向軸力分別如圖9、10所示；環向彎矩MZ以內側受拉為正，外側受壓為負，軸力以受拉為正，受壓為負。

圖9 上洞左線隧道襯砌環向彎矩的變化Figure 9 The moment of upper tunnel lining on the left

圖10 上洞左線隧道襯砌環向軸力的變化Figure 10 The axial force of upper tunnel lining on the left

由計算結果可知：下洞開挖造成了一定的卸載作用，引起上洞結構所受的土壓力重分布。環向彎矩呈拱頂減小、底板增大的趨勢，且彎矩圖明顯偏轉，增幅最大處位于右拱腳，達92 kN·m，右拱肩處彎矩減小最顯著，為49 kN·m。從軸力變化情況來看，右線隧道開挖時，左線隧道的右半斷面的軸力明顯增大；下洞隧道開挖時，上洞隧道整個斷面軸力均減小，該過程對上洞左線隧道的右拱腳影響最大。就整體的受力情況而言，先修的隧道結構是安全的。

5 結語

1) 對于采用礦山法施工的城市地鐵平行疊落隧道，可采用已有的礦山法隧道近接度標準對其進行分區劃分，確定不同的支護等級。

2) 在地質條件較好的情況下，上下平行疊落隧道的方案是可行的。根據現階段國內地鐵的運營經驗，當軌道的沉降不大于3.0 mm時，可保證運營不受影響。根據筆者的調研及分析結果，對于小凈距的疊落隧道，可借鑒同類工程的做法，采取針對性措施，以保證隧道結構及運營期間的安全。

3) 對于疊落礦山法隧道，后建的下洞隧道開挖掘進過程對先建的上洞隧道影響顯著。必須采取針對性的加強措施：一是先修的上洞隧道應預留結構加強條件，以保證后修隧道穿越時的受力及穩定性；二是對后修隧道周邊的土層應進行必要的超前加固。隧道間所夾的土層穩定性差，極易因多次擾動成為薄弱環節，是加固的重點區域；三是后建隧道的支護等級應提高，并采取分步開挖的方式，減小施工過程的擾動。

4) 后建隧道開挖對上洞隧道起著卸載的作用，隧道間所夾土體壓力被部分釋放，易造成上洞隧道結構的整體下沉。施工中應特別注意該土層的狀態，防止過多擾動發生拱頂塌落，影響上洞結構安全。同時，先建隧道結構所受的土壓力重分布，橫斷面設計時應注意不同開挖階段的內力變化。