鄰近既有線新云居山隧道群施工設(shè)計

李樹鵬

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430061

隨著隧道修建數(shù)量不斷增加，受地理環(huán)境、地形條件、鐵路線路規(guī)劃等因素限制，隧道群工程愈發(fā)常見［1-5］。新建小凈距隧道間相互影響、新建隧道開挖對既有線的影響均不可忽視，采用合理設(shè)計方案降低不利影響至關(guān)重要［6］。目前對地下近接工程的研究集中于圍巖加固、影響段加強措施［7-9］。本文以福州市新云居山隧道群為工程背景，針對直立邊坡條件下特大斷面隧道與兩側(cè)隧道并行進(jìn)洞、新建隧道小凈距上跨既有隧道、新建隧道群小凈距立體交叉施工等難題提出解決方案。

1 工程概況

1.1 線路情況

新建福廈鐵路（福州—廈門）位于福建省沿海地區(qū)，由福廈鐵路正線、福州南動走1 線和動走2 線三條線路組成，設(shè)計時速350 km。在既有杭深鐵路福州南—福清區(qū)間并行建設(shè)福廈鐵路。該鐵路穿越云居山共修建五座隧道，見圖1。新云居山隧道（雙線，長1 669.82 m）位于福廈鐵路正線上。新云居山1#隧道（單線，長619.24 m，簡稱1#隧道）、新云居山2#隧道（單線，長580.77 m，簡稱2#隧道）、新云居山4#隧道（雙線，長219.19 m，簡稱4#隧道）位于福州南動走2 線上，新云居山3#隧道（單線，長1 421.27 m，簡稱3#隧道）位于福州南動走1線上。

圖1 線路平面

新云居山隧道進(jìn)口處（DK3+308.18）與1#隧道、3#隧道最小線間距分別為17.7、15.3 m，且進(jìn)口處為高路塹直立邊坡。該隧道在DK3+960 —DK4+080 段上跨既有清涼山雙線大跨公路隧道，線路平面交角62°；在DK4+430 —DK4+470段下穿3#隧道，平面交角23°，最小凈距4.53 m。新建隧道群關(guān)系復(fù)雜。

1.2 地形地質(zhì)條件

隧址區(qū)屬剝蝕丘陵區(qū)，丘間沖溝較發(fā)育，地勢起伏較大，自然坡度20°～ 45°。植被發(fā)育，灌木雜草叢生。

隧道穿越地層以第四系殘坡積粉質(zhì)黏土和侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰?guī)r為主。粉質(zhì)黏土層含有大量植物根系及腐殖質(zhì)，局部地段含15%～ 35%的碎石，厚1.0～ 4.0 m。凝灰?guī)r分為全風(fēng)化、強風(fēng)化和弱風(fēng)化三種。根據(jù)風(fēng)化程度將圍巖級別分為Ⅳ～Ⅴ級。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，結(jié)合TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》確定隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

1.3 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地表水主要以地表洼地匯水為主。地下水類型主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。受大氣降雨影響較大，局部淺埋段直接受附近地表溪流短距離補給。

2 新云居山隧道與兩側(cè)動走線1#隧道、3#隧道進(jìn)洞并行段施工設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

新云居山隧道、1#隧道、3#隧道的進(jìn)口位于既有福州南動車所咽喉區(qū)高路塹邊坡直立面上。新云居山隧道進(jìn)口斷面為256 m2，屬于特大斷面。其左側(cè)為3#隧道，右側(cè)為1#隧道。位置關(guān)系和錨固樁布置見圖2。

圖2 新云居山隧道、1#隧道、3#隧道進(jìn)口位置關(guān)系及錨固樁布置示意（單位：cm）

新云居山隧道、1#隧道、3#隧道的進(jìn)口邊坡設(shè)置7 根錨固樁加固。1 號錨固樁截面為2.00 m × 2.25 m，樁長16 m；2 號—7 號錨固樁截面為2.50 m × 2.50 m，2 號、3 號、6 號和7 號樁長均為20 m，4 號和5號樁長均為24 m。錨固樁采用C35 鋼筋混凝土，樁間直立面采用噴錨網(wǎng)防護(hù)，噴層采用厚10 cm 的C25 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。樁間直立面的錨桿采用長4 m、間距1.5 m ×1.5 m 的?22 砂漿錨桿，梅花形布置。新云居山隧道采用加強型襯砌。初期支護(hù)：鋼架為I22b，間距為0.5 m；錨桿長4.5 m，間距為1.0 m（環(huán)向）× 0.8 m（縱向）；噴層采用厚30 cm 的C25 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。二次襯砌為厚75 cm的C35鋼筋混凝土。

2.2 進(jìn)洞并行段施工數(shù)值模擬

考慮到小凈距隧道群并行施工相互影響較大，通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析。計算模型見圖3。模型底部及四周采用法向位移約束，頂部為自由面。進(jìn)洞并行段圍巖級別為Ⅴ級，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型模擬。圍巖計算參數(shù)參見表1。初期支護(hù)采用彈性本構(gòu)模型模擬。后續(xù)計算分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的本構(gòu)模型與本節(jié)一致。

圖3 進(jìn)洞并行段計算模型（單位：m）

新云居山隧道采用三臺階臨時仰拱法開挖，兩側(cè)1#隧道、3#隧道采用兩臺階法開挖。先開挖1#隧道，然后開挖新云居山隧道，最后開挖3#隧道。

隧道開挖支護(hù)后圍巖位移見圖4。可知：最大整體位移出現(xiàn)在新云居山隧道拱頂，其值約6.3 mm；地表最大位移約4.6 mm。這說明隧道群設(shè)計凈距、隧道開挖方法對圍巖位移影響較小。

圖4 隧道開挖完成后圍巖位移（單位：m）

新云居山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力見表2。其中，應(yīng)力受拉為正，受壓為負(fù)。監(jiān)測斷面A、B、C 位置參見圖3。

表2 新云居山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力 MPa

由表2 可知：斷面A 和B 均是仰拱拉應(yīng)力最大，其值分別約1.95、1.38 MPa；斷面C 拱頂拉應(yīng)力最大，其值為0.41 MPa。各部位所受拉應(yīng)力均小于TB 10003—2016抗拉極限強度2.0 MPa，滿足要求。

3 新云居山隧道小凈距上跨既有清涼山隧道施工設(shè)計

3.1 施工參數(shù)

新云居山隧道上跨既有清涼山隧道影響段長90 m，隧道開挖跨度13.8 m，開挖高度12.3 m。新云居山隧道按Ⅴ級圍巖偏壓設(shè)計，采用?89長管棚+?42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，采用三臺階臨時仰拱法施工。初期支護(hù)：鋼架為I20a，間距0.6 m；錨桿長3.5 m，間距為1.0 m × 1.0 m；噴層采用厚27 cm 的C25鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。二次襯砌為厚55 cm的C35鋼筋混凝土。

新云居山隧道與既有清涼山隧道右洞的最小凈距僅1.78 m，與左洞的最小凈距為2.05 m。隧道凈距小于1.5D（D為新建隧道外徑13.8 m），屬于強影響［10］，須要采取措施。根據(jù)工程實際情況，對既有清涼山隧道影響段采取拆除原有襯砌、重新施作加強型襯砌的措施。超前支護(hù)采用環(huán)向間距40 cm、長10 m的?89 管棚。初期支護(hù)：邊墻采用長度4.5 m、間距1.2 m × 1.2 m 的中空注漿錨桿；鋼架采用HW175 型鋼，間距0.6 m；噴層采用厚28 cm 的C25 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。二次襯砌采用厚70 cm的C30鋼筋混凝土。

3.2 施工方法

按右下→上→左下的順序施工。先拆換下部既有清涼山隧道右洞影響段的初期支護(hù)和二次襯砌，擴挖至加強型襯砌的設(shè)計輪廓，施作加強型襯砌；待加強型襯砌的混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度后再對上部新云居山隧道進(jìn)行開挖，施作初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌。等監(jiān)控量測數(shù)據(jù)無異常后，再按同樣方法對下部既有清涼山隧道左洞影響段進(jìn)行拆換施工。

3.3 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強效果數(shù)值模擬分析

既有清涼山隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強前是初期支護(hù)厚10 cm，二次襯砌厚40 cm；加強后初期支護(hù)厚28 cm，二次襯砌厚70 cm。按照加強型襯砌設(shè)計參數(shù)建立數(shù)值計算模型，見圖5。模型尺寸為200 m（長）× 154 m（寬）× 135 m（高）。模型約束條件同2.2 節(jié)。圍巖級別為Ⅴ級。相關(guān)參數(shù)的取值參見表1。

圖5 上跨影響段計算模型

上部新云居山隧道開挖過程中既有清涼山隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強前后拱頂位移對比見圖6。可知：①加強前后立交斷面附近z方向位移均比x和y方向明顯；既有隧道向上隆起，且距立交斷面越近，隆起量越大。②加強前后，既有隧道右洞最大隆起量分別為2.54、0.57 mm，加強后降低了77.56%；既有隧道左洞最大隆起量分別為2.69、1.39 mm，加強后降低了48.33%。這說明對既有隧道襯砌采取拆換加強措施明顯減小了隧道隆起量，有效降低了結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險。

圖6 既有清涼山隧道襯砌結(jié)構(gòu)加強前后拱頂位移對比

4 新云居山隧道與3#隧道小凈距立體交叉段先上后下施工設(shè)計

4.1 設(shè)計技術(shù)參數(shù)

新云居山隧道與3#隧道立體交叉段最小凈距4.53 m，其相對位置如圖7所示。

圖7 立體交叉段兩隧道相對位置示意（單位：cm）

3#隧道初期支護(hù)：噴射混凝土厚10 cm，拱部打設(shè)?25 中空注漿錨桿，邊墻打設(shè)?22 砂漿錨桿。兩種錨桿長均為2.5 m，間距均為1.2 m × 1.2 m，梅花形布置。二次襯砌采用厚30 cm的C30素混凝土。

新云居山隧道超前支護(hù)采用?89 管棚+?42 超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。初期支護(hù)：鋼架采用I20 型鋼，間距0.6 m；噴層采用27 cm 厚網(wǎng)噴混凝土。二次襯砌采用厚75 cm的C35鋼筋混凝土。

考慮到立體交叉段開挖順序為先上后下，3#隧道施工進(jìn)度遠(yuǎn)快于新云居山隧道，3#隧道及中夾巖采用加強型技術(shù)參數(shù)。即全環(huán)增設(shè)I16型鋼鋼架，間距0.8 m；仰拱鋼架采用?25、間距50 cm 的鋼筋通長連接；中夾巖垂向打設(shè)長5 m 砂漿錨桿，間距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置；錨桿與仰拱鋼架焊接，錨桿鉆孔直徑不小于60 mm，插入錨桿前向錨桿孔內(nèi)灌注M30水泥砂漿。

4.2 立體交叉段先上后下施工數(shù)值模擬

為驗證先上后下開挖時3#隧道及中夾巖所采用加強型技術(shù)參數(shù)的可行性，建立三維數(shù)值模型（圖8）進(jìn)行計算分析。模型約束條件同2.2 節(jié)，圍巖級別為Ⅳ級。相關(guān)參數(shù)取值參見表1。上部3#隧道采用兩臺階法開挖，下部新云居山隧道采用三臺階法開挖。

圖8 立體交叉段三維數(shù)值模型

模擬工況分為兩種。工況1：3#隧道初期支護(hù)按照原設(shè)計（無鋼架），中夾巖不設(shè)垂直砂漿錨桿；工況2：采用加強型技術(shù)參數(shù)對3#隧道初期支護(hù)進(jìn)行加強，且采用垂直砂漿錨桿對中夾巖進(jìn)行加強。

不同工況下兩隧道開挖完成后z方向的最大位移對比見表3。可知：先上后下施工，工況1、工況2 兩隧道位移差分別為2.305、1.378 mm，工況2 比工況1 位移差降低了40.22%，說明采用加強型技術(shù)參數(shù)能夠明顯降低施工對圍巖的擾動。

表3 不同工況下兩隧道開挖完成后z方向最大位移對比

5 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場施工過程中對關(guān)鍵點進(jìn)行了監(jiān)測，分別在三條隧道進(jìn)洞并行段的地表布設(shè)11個位移監(jiān)測點，在上跨影響段既有清涼山隧道YK3+506 斷面的拱頂、拱腰、邊墻以及仰拱共布設(shè)8個結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測點，在立體交叉段3#隧道的FZNDZ1DK1+313 和FZNDZ1DK1+318 斷面的拱頂、拱腰、拱腳、邊墻以及仰拱共布設(shè)16個結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測點。

監(jiān)測結(jié)果最大值統(tǒng)計見表4。其中，受拉為正，受壓為負(fù)。可知：各監(jiān)測部位最大位移僅為6.3 mm；鋼架均受壓，最大應(yīng)力為58.7 MPa，小于鋼材屈服強度235 MPa；混凝土最大拉應(yīng)力為1.5 MPa，小于TB 10003—2016 規(guī)定的極限強度2.0 MPa。這表明新云居山隧道與兩側(cè)動走線隧道直立邊坡進(jìn)口并行段地表、上跨影響段襯砌加強后的清涼山隧道和立體交叉段3#隧道位移均較小，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好，提出的設(shè)計參數(shù)和施工方法合理可靠。

表4 監(jiān)測結(jié)果最大值統(tǒng)計

6 結(jié)語

本文依托新云居山隧道群，提出新云居山隧道與兩側(cè)動走線隧道直立邊坡進(jìn)洞并行段、新云居山隧道小凈距上跨既有清涼山隧道影響段、新云居山隧道與3#隧道小凈距立體交叉段先上后下施工設(shè)計方案。采用數(shù)值模擬方法對各方案進(jìn)行分析，得到進(jìn)口并行段設(shè)計參數(shù)和開挖方法對圍巖位移影響較小，上跨影響段既有清涼山隧道采用加強型襯砌明顯減小了隧道隆起量，降低了結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險，立體交叉段3#隧道采用加強型技術(shù)參數(shù)能夠明顯降低施工對圍巖的擾動。

目前本設(shè)計方案已在依托工程中應(yīng)用，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明設(shè)計參數(shù)和施工方法合理可靠。