城市轨道交通小净距隧道暗挖技术

沈 利

（中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海∥高级工程师）

城市轨道交通一般建于市中心，多为地下隧道形式，受布线条件的限制，两隧道的间距一般较小。小间距隧道是在特定地形条件下修建隧道的不得已的选择。研究表明，两隧道净距过小可能会造成岩柱主应力集中，导致失稳，而隧道中夹岩柱的稳定性是决定小净距隧道整体稳定性的关键因素。我国小间距隧道的应用和研究尚处于起步阶段，施工过程中的力学特性和规律、洞室之间的相互影响等问题还缺乏系统和全面的研究，其设计理论和施工方法远未成熟，无法满足工程的实际需要。

本文介绍了南京地铁3号线大明路站配线段小净距隧道的设计过程及施工方法，以期对将来类似条件下小净距隧道的设计施工提供参考。

1 工程项目介绍

南京地铁3号线D3－XK03标段大明路站位于宁溧公路（卡子门大街）和大明路的交叉路口处，为分离式小净距双洞结构，如图1所示。左洞为车站配线段，设2条单渡线和1条停车线，停车线与左线线间距为4.2 m，采用暗挖矿山法施工；右洞单线隧道，也采用暗挖矿山法施工。两正线线间距为13.7 m，左线与停车线为单洞双线隧道，隧道拱顶埋深11.3 m～16.0m，隧道主要穿越的地层为④－2b2层可塑粉质黏土、④－3b1层硬塑（局部可塑）黏土和粉质黏土、④－4e层含卵砾石粉质黏土层及K1g－3－2层强风化泥质粉砂岩，其中④－4e层可塑含卵砾石粉质黏土位于开挖范围，为承压含水层，围岩稳定性极差。暗挖配线段沿宁溧公路（卡子门大街）南北向设置，西侧位于卡子门高架桥边上，距离高架桥上匝道桥墩基础承台边最近处仅为3.4 m；大小两隧道衬砌间最小净距仅为1.96 m，且含有承压水的④－4e层位于隧道腰部，故设计施工的复杂程度非常高。

2 小净距隧道设计方案

对于小净距分离式隧道，施工方案的选择较多。不管采用什么施工方案，都存在着相邻隧道施工的相互影响问题，存在着二次沉降的问题。先开挖大洞还是小洞，以及大洞的开挖采用什么工法都是要慎重考虑的。选择的施工方案必须首先能满足对地质水文环境的控制要求，满足地面沉降的要求，然后再考虑施工工期、造价、难易程度等因素，通过综合比较确定最终的方案。通过有限元数值模拟计算，分析比较两种开挖顺序的沉降变形特征。两种方案开挖顺序如图2所示，计算结果如图3所示。

图1 双洞结构隧道断面图

图2 隧道施工顺序图

图3 隧道施工时拱顶及地面累计沉降仿真云图

通过有限元计算得到：

1）采用先开挖大洞再开挖小洞的方式，地面最大沉降出现在后挖小洞开挖完成时，其最大地面沉降为29.4 mm，双线隧道拱顶最大变形为36.45 mm，单线隧道拱顶最大变形为24.9 mm；

2）采用先开挖小洞再开挖大洞的方式，地面最大沉降出现在大洞开挖完成，其最大地面沉降为29.1 mm，双线隧道拱顶最大变形为35.63 mm，单线隧道拱顶最大变形为24.1 mm。

由以上计算结果可以看出，先开挖小洞引起的地面沉降和拱顶位移要比先开挖大洞引起的地面沉降和拱顶位移要小，而且以上比较是建立在大小洞的开挖方式一样的前提下，也就是说两种方案的造价、工期均不会有太大出入。先开挖小洞可以起到探明地质的作用，而且小洞封闭快、影响小，通过先施工小洞可以增强对地质条件和水文条件的了解，增强对施工地层的掌控性，降低了施工风险。综合上述的理由，设计采用的施工方法为先施工小洞，后施工大洞，大洞采用4步CRD法（中隔墙加台阶工法）施工。

3 微承压水层④－4e层的处理

根据地质资料，承压水含水层为④－4e含卵砾石粉质黏土，上覆④－3b1层黏土、粉质黏土为隔水顶板，隔水底板为下伏岩层。④－4e层承压水头埋深在地面下3.0～4.2 m，均位于开挖面内，承压水的涌出会造成基坑涌水，同时涌水极易夹带土颗粒，造成开挖面坍塌。若处理不当会造成开挖面大坍塌，衬砌止水或加固不及时，以及突发的涌水也会造成大坍塌，甚至工程事故。另外，隧道内出现涌水后的排水会导致坑外承压水头下降，对周边采用天然地基的建筑物会产生不利影响，故应对承压含水层进行预处理。

根据地面交通状况及周边建筑物情况，应优先考虑采取降水措施，但降水措施也会对周围环境产生一定的影响，特别是降承压水，会导致周边地面比较大的沉降，后果较为严重。因此，采用洞内注浆堵水。考虑到承压水含水层和基岩相通，含水层之间水力联系密切，为保证洞内注浆堵水加固的质量，本次设计拟在两方面采取加强措施：①优化超前注浆浆液配比，考虑到④－4e层水量较大，拟采用水泥＋水玻璃的双液注浆系统；②根据隧道开挖时洞内注浆效果，必要时在隧道开挖范围两侧地面打设咬合高压旋喷桩，桩长为④－4e层上下各5 m 长，与既有工作井及车站端头井的止水帷幕连成整体，以形成一个封闭的环境，隔断④－4e层承压水间的补给。洞内超前水平加固小导管平面布置如图4所示。

4 两隧间夹岩柱加固

图4 洞内超前水平加固小导管平面示意图

对于小净距分离隧道中夹岩柱的稳定性要求是隧道设计施工成功的关键。隧道中夹岩柱的破坏原因是因为两洞之间距离太近，后洞开挖时塑性区贯通，隧间土体形成滑动面，导致后洞侧壁塌方。小净距夹岩柱的加固方式主要分2种：一种是由地面设置隔离墙，切断两条隧道之间塑性区的连接，通常采用的是钻孔灌注桩，其优点是效果较稳定，缺点是工程造价较高，同时要利用地面作为施工场地，不能体现暗挖隧道的优势；另一种就是洞内加固，一般采用小导管注浆＋对拉锚杆，考虑到隧道夹岩柱主要为粉质黏土及部分强风化泥质粉砂岩，锚杆的效果不明显，因此仅采用小导管的注浆加固。小导管注浆加固技术作用机理如下：小导管注浆可以改变围岩的力学性能，提高围岩力学参数，主要通过小导管本身和浆液两方面来实现。小导管本身加固围岩的原理与锚杆加固围岩原理相似，可以分为联结、组合、整体加固等原理，而在小净距隧道中夹岩柱区域，主要以整体加固原理为主。通过小导管支持力作用，在小导管周围岩体形成压缩带，压缩带中岩体处于三向受压状态，使岩体强度大为提高，从而形成一个能承受一定荷载的稳定岩体，即承载环。而注入的浆液改变了岩体的力学参数值，使弹性模量、黏着系数、内摩擦角值提高，泊松比值减小，因此提高了围岩柱本身的自稳能力。通过两方面的加固作用，使得小净距隧道在双洞开挖施工时，中夹岩塑性区出现时间得到延缓，出现区域大大减小［1］。

夹岩柱的加固是在单线隧道开挖时进行，在靠近左侧双线隧道侧打孔，间距为50 cm×50 cm 梅花形布置，安装φ42 mm 无缝钢管，管上钻φ10 mm注浆孔，间距为10 mm×10 mm。对两隧道间所夹岩柱体全部注浆加固，钢管长度根据两隧道间净距确定，以不进入双线隧道内为原则。单线隧道初期支护封闭成环一定长度后，相邻侧隧道开挖之前，对注浆管进行注浆。浆液为水灰比1∶1的水泥浆，注浆压力为0.4～0.6 MPa。两隧道间的中夹岩柱加固如图5所示。

5 施工进程及监测数据

图5 中夹岩柱加固示意图

隧道于2012年7月由北端工作井往车站方向开挖施工。右线从工作井往车站方向开挖130 m左右，然后，右线开辟第二个工作面由车站往工作井方向开挖，同时左线隧道（大洞）从工作井往车站方向开挖；2013年11月右线隧道贯通，2014年3月左线隧道贯通。

隧道累计变形及地面、建筑物沉降数据分析如表1所示。

表1 隧道监测项目数据表

由表1可见，除DB5－2测点地面累计沉降超标外，其余监测项目均满足要求。DB5－2 测点地面沉降超标的主要原因在于为赶工期左线（大洞）在右线隧道贯通前就开始施工，并在中后段施工中采用了四步台阶法，提高了施工速度，但造成对地面沉降的控制不利。

6 结论

1）通过南京地铁3号线大明路站暗挖配线段隧道的设计及施工可知，在特质黏土地质条件下暗挖施工小净距浅埋隧道是可行的。

2）小净距隧道的施工，存在着相邻隧道施工的相互影响和二次沉降的问题，因此先开挖大洞还是小洞，以及大洞的开挖采用什么工法都是要慎重考虑的。先开挖小洞可以起到探明地质的作用，而且小洞封闭快、影响小，通过先施工小洞可以增强对地质条件和水文条件的了解，增强对施工地层的掌控性。而对于双线隧道，因隧道净跨大，分4步CRD法开挖增加了施工节点及施工的复杂性，减慢了隧道闭合的速度，而且二衬的施工难度大大增加，但对于地表的沉降控制相对有利；在工期受限的情况下，双线隧道采用4步台阶法施工，施工速度快，但是对于地表的沉降控制效果较差。

3）设计采用先小洞后大洞的施工顺序是安全可行的。小洞先行开挖起到地质超前探测的作用，尤其是对探测④－4e层含水量情况是非常有用的，一旦发生地质情况变化过大，小洞堵漏容易处理，而在大洞施工过程中可以采取针对性的措施，使施工更安全。

4）对小净距分离隧道隧间夹岩柱加固采用洞内小导管注浆方式，后挖隧道（大洞）变形收敛变小，可满足施工安全要求，因此对于小净距隧道隧间夹岩柱加固非常重要。

5）隧道开挖面有1～2 m 厚的含卵砾石粉质黏土层，为弱承压水层，其稳定性较差。在隧道开挖前对掌子面④－4e层断面进行注浆加固，经过加固后，效果较明显，使④－4e层稳定、无地下水渗漏，保证了隧道施工的安全。

［1］刘明高，高文学，刘冬.小净距隧道中夹岩加固技术研究［J］.施工技术，2006（增刊）：172.

［2］刘贵平.城市轨道交通小净距隧道支护结构设计与施工技术研究［J］.城市轨道交通研究，2012（6）：97.