泥質(zhì)砂巖地層下穿運營線小凈距大斷面隧道開挖技術(shù)研究

李 靜，唐忠林，郭愛國

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000；2.中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610306；3.長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410000）

1 研究背景

隨著國家城市化的發(fā)展，城市人口不斷增多，地面交通壓力也愈發(fā)增大。地鐵具有運量大、準(zhǔn)時、速度快、污染小等諸多優(yōu)點。隨著地鐵建設(shè)越來越多，新建地鐵下穿既有運營地鐵線路隧道工程也愈來愈多。地鐵車站設(shè)停車線的區(qū)間隧道設(shè)計斷面較大，常采用中洞法（連拱隧道）、雙線雙洞的方式，但中洞法的造價、工期、施工難度均比雙線雙洞隧道大得多，為此，在工程實踐中衍生出一種新的結(jié)構(gòu)形式——小凈距隧道。小凈距隧道雙洞間的巖柱寬度一般小于1.5倍隧道開挖斷面的寬度，先行洞和后行洞的開挖方法、爆破設(shè)計和爆破震動控制、開挖錯開距離、隧道間巖墻的保護(hù)方法、既有線隧道的變形控制等都直接影響到隧道開挖期間隧道自身以及既有運營地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全。

目前，針對不同地質(zhì)條件下的小凈距、大斷面隧道施工技術(shù)研究很多：鄔建華[1]、秦峰等[2]對小凈距隧道開挖方法工法進(jìn)行了研究，運用數(shù)值模擬對小凈距隧道開挖方法的選擇進(jìn)行了分析和介紹；方飛龍[3]、鄧文亮等[4]對礦山法隧道下穿既有運營地鐵爆破開挖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹與探討；汪超[5]以深圳地鐵12號線太子灣站—海上世界站區(qū)間下穿深圳地鐵2號線施工實例，總結(jié)了下穿既有線隧道采用懸臂掘進(jìn)機開挖隧道的優(yōu)缺點；龐拓等[6]、劉敦文等[7]、張前進(jìn)等[8]利用三維數(shù)值計算分析方法研究了礦山法爆破震動的施工力學(xué)機理，揭示了下穿既有線隧道爆破震動對新建地鐵隧道和既有地鐵隧道應(yīng)力、應(yīng)變的影響。可見，研究礦山法隧道下穿既有線隧道施工技術(shù)的較多，而小凈距、大斷面隧道近距離下穿既有運營地鐵隧道的研究還鮮有案例。

本文以廣州地鐵11號線廣州火車站—流花路站區(qū)間小凈距、大斷面、近距離下穿既有線盾構(gòu)隧道開挖方法為研究對象，通過對泥質(zhì)砂巖地層條件下小凈距隧道開挖方法優(yōu)化及施工工藝的研究，重點介紹了隧道開挖的方法、技術(shù)參數(shù)的選定及施工工藝與技術(shù)要求等，以期對類似工程的設(shè)計與施工提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程簡介

廣州地鐵11號線廣州火車站—流花路站區(qū)間A型斷面隧道為雙線雙洞小凈距隧道，左線隧道長104 m，右線隧道長106 m，線路為單向坡，最大坡度20.01‰，最小坡度為2‰，隧道單洞斷面寬11.1～12.6 m、高9.05～10.62 m，隧道間巖柱寬2.2～2.5 m，隧道埋深22.4～28.2 m。隧道下穿廣州地鐵2號線盾構(gòu)隧道，與廣州地鐵2號線斜交，與既有地鐵二號線隧道最小垂直凈距約9.2 m。

隧道初期支護(hù)采用300 mm厚C25 P6混凝土，格柵鋼架間距750 mm，Φ22 mm縱向連接筋間距750 mm，沿隧道環(huán)向打設(shè)環(huán)×縱間距1 m×0.75 m、3.5 m長Φ22 mm砂漿錨桿。隧道間巖柱采用Φ25 mm對拉錨桿（環(huán)×縱間距1.5 m×1.5 m梅花形布置）及小導(dǎo)管注漿（Φ42 mm，t=3.5 mm，外插角度45°，環(huán)×縱間距1.5 m×1.5 m梅花形布置）加固。隧道二次襯砌采用C35 P12模筑鋼筋混凝土。廣流區(qū)間小凈距隧道結(jié)構(gòu)斷面及平面圖如圖1所示，廣流區(qū)間小凈距隧道與地鐵2號線結(jié)構(gòu)關(guān)系BIM圖如圖2所示。

圖1 廣流區(qū)間小凈距隧道結(jié)構(gòu)斷面及平面圖

圖2 廣流區(qū)間小凈距隧道與地鐵2號線結(jié)構(gòu)關(guān)系BIM圖

2.2 工程地質(zhì)情況及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘測資料，本工程主要屬珠江三角洲沖洪積平原地貌。地層主要有<1-2>填土、<5N-2>粉質(zhì)黏土（硬塑）、<7-1>強風(fēng)化粗砂巖、<8-1>中風(fēng)化粗砂巖、<9-1>微風(fēng)化粗砂巖。<9-1>地層天然單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為15.1 MPa，飽和為14.1 MPa。區(qū)間隧道主要穿越<8-1>、<9-1>層，左線隧道圍巖等級為Ⅲ級，右線隧道圍巖等級為Ⅳ級。

工程范圍內(nèi)的地下水按賦存方式劃分，主要為第四系上層滯水、松散層孔隙水、層狀基巖裂隙水類型。勘察范圍內(nèi)所有鉆孔均遇見地下水。勘察時根據(jù)抽水試驗孔測得的地下水穩(wěn)定水位，層狀基巖裂隙水穩(wěn)定水位埋深2.50 m，高程5.91 m，具承壓性，為承壓水；根據(jù)抽水試驗成果，基巖承壓水水頭高度2.00 m，砂層主要為潛水類型，勘察時測得鉆孔中混合水穩(wěn)定水位埋深為2.30～5.00 m，高程3.97～5.97 m。

3 小凈距隧道施工工藝

3.1 隧道開挖方法

左線隧道（Ⅲ級圍巖）采用臺階法施工，右線隧道（Ⅳ級圍巖）采用CD法施工。左右線隧道上臺階均采用懸臂掘進(jìn)機機械開挖，下臺階采用爆破開挖。為減小隧道開挖期間雙洞隧道間巖柱變形，先開挖左線隧道（臺階法）及右線隧道（CD法）遠(yuǎn)離巖柱側(cè)的導(dǎo)坑，右線隧道靠近巖柱側(cè)的導(dǎo)坑在左線隧道二次襯砌施做后開挖。

左線隧道及右線隧道上臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺均為1～2榀（0.75 m/榀），下臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺2～3榀（0.75 m/榀），上臺階掌子面超前下臺階不大于30 m。臺階法下臺階爆破開挖時需錯幅開挖，即將下臺階均分為左右兩幅，遠(yuǎn)離巖柱側(cè)下臺階超前巖柱側(cè)下臺階2～3榀開挖，避免下臺階開挖后上臺階初期支護(hù)拱架同時懸空，同時可達(dá)到增加爆破凌空面，減小爆破震速的目的。廣流區(qū)間小凈距隧道施工步序示意如圖3所示，廣流區(qū)間小凈距隧道施工工法示意圖如圖4所示。

圖3 廣流區(qū)間小凈距隧道施工步序示意

圖4 廣流區(qū)間小凈距隧道施工工法示意圖（單位：mm）

3.2 隧道開挖爆破設(shè)計

采用臺階法開挖方式時，對于下臺階爆破施工炮孔的布置為：在既有線保護(hù)內(nèi)開挖進(jìn)尺控制在每循環(huán)進(jìn)尺2～3榀，每榀格柵間距0.75 m，輔助孔采用梅花狀均勻布孔，間距500～600 mm。周邊孔間距取400～500 mm，采取加密周邊孔作為減震措施，即周邊孔間距加密為200～250 mm，間隔跳孔裝藥，最小抵抗線取400～450 mm。采用CD法開挖方式時，應(yīng)最后開挖隧道間巖柱側(cè)導(dǎo)洞，以縮短巖柱的暴露時間，左右線同時開挖時，隧道洞室間巖柱厚度較大，可有效減小小凈距隧道開挖風(fēng)險。采用CD法開挖巖柱側(cè)導(dǎo)洞應(yīng)在左線隧道二次襯砌施做后進(jìn)行，且爆破應(yīng)在相鄰隧道二襯混凝土齡期達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求后進(jìn)行，以減小爆破施工對相鄰隧道二襯結(jié)構(gòu)影響。采用CD法時，下臺階爆破布孔及裝藥參數(shù)與臺階法相同。

為避免既有線散雜電流影響，選用國產(chǎn)非電毫秒雷管；結(jié)合炮孔直徑和防水要求選用Φ32 mm的乳化炸藥。掏槽孔、輔助孔爆破的所有炮孔均采用反向耦合連續(xù)裝藥，周邊孔采用空氣不耦合間隔裝藥。為了確保爆破效果，炮孔的填塞長度一般不得小于炮孔長度的1/3，堵塞材料采用炮泥堵塞。具體爆破效果圖如圖5、圖6所示。

圖5 爆破實景效果圖1

圖6 爆破實景效果圖2

設(shè)計爆破網(wǎng)絡(luò)為孔內(nèi)微差，導(dǎo)爆管雷管跳段使用，使段間間隔時間大于50 ms，防止地震波相疊加而產(chǎn)生較大的震動。控制爆破單段最大藥量不超過7.2 kg，起爆采用非電雷管起爆。起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖7所示。

圖7 起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

爆破受多種因素影響，包括圍巖節(jié)理、整體性、上循環(huán)爆破影響等因素，每循環(huán)隧掌子面圍巖情況千變?nèi)f化，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)巖性變化，由有資質(zhì)的爆破工程師根據(jù)上循環(huán)爆破效果及既有線結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測震速數(shù)據(jù)調(diào)整布孔參數(shù)和裝藥量，選擇出最佳技術(shù)參數(shù)，視變化情 況修改爆破設(shè)計和指導(dǎo)施工。爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)表

3.3 小凈距隧道間巖柱加固

隧道開挖過程中對隧道間巖柱進(jìn)行加固，加固采用Φ25 mm對拉錨桿+Φ42 mm小導(dǎo)管注漿方式。對拉錨桿在隧道拱架安裝時，采用相同規(guī)格的7字形鋼筋與左右線隧道拱架主筋或縱向連接筋牢固焊接。小導(dǎo)管巖柱加固注漿在隧道初期支護(hù)噴射混凝土強度達(dá)到70%以上進(jìn)行，注漿從下往上進(jìn)行，注漿量以相鄰導(dǎo)管冒出水泥漿為宜。結(jié)合合理的施工步序，先進(jìn)行隧道二襯仰拱施做且襯砌混凝土強度達(dá)到100%后，采用CD法開挖隧道靠近巖柱側(cè)的導(dǎo)坑，以達(dá)到抑制隧道初支結(jié)構(gòu)變形的目的。巖柱對拉錨桿焊接示意圖如圖8所示。

圖8 巖柱對拉錨桿焊接示意圖

3.4 監(jiān)控量測

對隧道開挖影響范圍內(nèi)的既有運營地鐵盾構(gòu)隧道變形采取自動化監(jiān)測，對隧道的自身變形、周邊建構(gòu)筑物變形及開裂、土體分層、管線沉降及變形、地下水位等進(jìn)行施工全過程監(jiān)測。監(jiān)測技術(shù)人員根據(jù)每天的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)繪制位移-時間圖，根據(jù)位移變化規(guī)律，分析推算出最終位移。當(dāng)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)突變時，表明圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須停止開挖，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)突變原因并制定相應(yīng)處置措施，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。對隧道開挖每次爆破震速進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化和確定爆破施工參數(shù)，確保隧道開挖爆破震速值在規(guī)范允許范圍內(nèi)。小凈距隧道及既有線隧道監(jiān)測點布設(shè)圖如圖9所示。

圖9 小凈距隧道及既有線隧道監(jiān)測點布設(shè)圖

隧道開挖開始日期為2019-08-16，完成日期2022-04-29。截至2022-07-06，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降累計值﹣11.9 mm，凈空收斂累計最大值﹣6.6 mm，地面沉降最大累計值﹣11.84 mm。隧道上方既有運營地鐵2號線高程最大累計位移量為﹣5.65 mm，橫向變形最大累計位移量為﹣4.36 mm，縱向變形累計最大位移量為﹣2.05 mm。隧道開挖過程中測得最大爆破震速為1.46 cm/s，小于設(shè)計要求2 cm/s控制值。

3.5 隧道堵漏及既有線隧道沉降跟蹤注漿

本工程施工實例證明，砂巖地層中小凈距隧道開挖，地下水流失對既有線隧道結(jié)構(gòu)變形影響顯著。因此，在隧道開挖過程中應(yīng)加強對隧道圍巖及掌子面堵漏工作。開挖前可采取掌子面超前鉆孔取芯、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)手段結(jié)合地面鉆孔取芯勘察報告綜合研判隧道掌子面前方地質(zhì)及地下水情況。當(dāng)?shù)刭|(zhì)較差，存在風(fēng)化深槽、土洞、圍巖破碎等不良地質(zhì)時，可采取隧道掌子面鉆注一體化超前注漿處理措施。注漿采取前孔注漿后孔鉆孔的方式驗證注漿效果方式，注漿時段應(yīng)盡量選擇在既有線列車夜間停運期間進(jìn)行，注漿過程中應(yīng)加強對既有線隧道變形的監(jiān)測及巡視。隧道不良地質(zhì)超前注漿加固示意圖如圖10所示。

圖10 隧道不良地質(zhì)超前注漿加固示意圖（單位：mm）

當(dāng)隧道開挖過程中出現(xiàn)面狀、裂隙少量滲水情況時，應(yīng)在拱架安裝時，對滲水部位打設(shè)注漿管，注漿管在初支結(jié)構(gòu)封閉前可做引流管使用，初支結(jié)構(gòu)封閉且噴射混凝土強度達(dá)到75%以上時，通過注漿管對滲漏部位進(jìn)行注漿堵漏。

當(dāng)既有線隧道沉降監(jiān)測值較大時，應(yīng)停止開挖，可在既有線沉降較大部位下方采取鉆注一體化跟蹤注漿措施，可有效避免既有線隧道繼續(xù)沉降，甚至可以將既有線結(jié)構(gòu)沉降區(qū)段抬升一定高度，減小沉降累計值。在現(xiàn)場施工實例中，既有地鐵2號線部分區(qū)段位于風(fēng)化深槽，因區(qū)間隧道開挖失水，導(dǎo)致該區(qū)段盾構(gòu)隧道不同程度下沉，隧道軌面高程最大沉降值達(dá)﹣8.5 mm左右，現(xiàn)場在既有線沉降區(qū)段下方采取鉆注一體化跟蹤注漿方式對既有線下方巖體進(jìn)行注漿加固，注漿先注單液漿再注雙液漿（水玻璃+水泥）。注漿過程中對既有線盾構(gòu)隧道變形進(jìn)行全過程監(jiān)測，加固結(jié)束后，該區(qū)段既有線隧道最大沉降值減小至﹣5 mm左右，后續(xù)隧道開挖過程中及隧道施做完成，該區(qū)段既有線隧道最大沉降值穩(wěn)定在﹣5.5 mm左右，驗證了此方案的有效性。隧道注漿孔布設(shè)平面圖如圖11所示，既有線隧道沉降跟蹤注漿孔布設(shè)平面圖如圖12所示。

圖11 隧道注漿孔布設(shè)平面圖

圖12 既有線隧道沉降跟蹤注漿孔布設(shè)平面圖

4 結(jié)語

本文基于廣州地鐵11號線廣州火車站—流花路站區(qū)間隧道小凈距、大斷面、下穿運營地鐵盾構(gòu)隧道工程，對泥質(zhì)砂巖地層小凈距、大斷面隧道開挖方法展開研究，重點介紹了小凈距隧道的開挖施工方案、各項施工技術(shù)參數(shù)和施工措施等。得出如下結(jié)論：①小凈距、大斷面隧道開挖采用CD法+臺階法（上臺階懸臂掘進(jìn)機機械+下臺階爆破）同向開挖，先開挖隧道（臺階法）及隧道遠(yuǎn)離巖柱側(cè)的導(dǎo)坑（CD法），待隧道二次襯砌（臺階法）施做后再開挖隧道巖柱側(cè)導(dǎo)坑（CD法）的施工方案，可成功應(yīng)用于砂巖地層近距離下穿既有運營地鐵盾構(gòu)隧道工程。②隧道間巖柱保護(hù)、滲漏水堵漏、爆破震速控制是小凈距隧道下穿既有線施工的關(guān)鍵。應(yīng)針對性地制定相應(yīng)施工技術(shù)措施，保證隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免隧道上方土體失水沉降，確保既有運營地鐵線隧道結(jié)構(gòu)安全。③隧道施工步序是施工的重點，合理控制小凈距隧道雙洞的開挖、支護(hù)的步距及順序，盡量減小小凈距隧道開挖對圍巖的擾動及變形，以保障隧道施工安全。④監(jiān)控量測及既有線隧道沉降跟蹤注漿是保證工程質(zhì)量和安全的重要措施。監(jiān)控量測也是判斷隧道自身及既有線隧道結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、保障施工安全、指導(dǎo)施工、反饋設(shè)計信息的重要手段。