莞惠城际铁路矿山法隧道各级围岩设计工法的适应性分析及调整建议

聂振宇

(中交集团第一公路工程局厦门工程有限公司， 广东 东莞　523400)



莞惠城际铁路矿山法隧道各级围岩设计工法的适应性分析及调整建议

聂振宇

(中交集团第一公路工程局厦门工程有限公司， 广东 东莞523400)

摘要：以莞惠城际铁路松山湖地下隧道(矿山法)施工为例，通过各综合围岩等级的工序分析、工法类比、稳定性与优势比较等，认为该隧道矿山法施工实际揭示围岩与设计工法存在一定的适应性问题，并提出以下建议： 1)Ⅵ级围岩隧道(第四、五、六类围岩)建议调整为三台阶七步法+拱部临时立柱法、Ⅵ级围岩隧道(第七、八类围岩)建议调整为三台阶七步法； 2)Ⅴ级围岩隧道(第二类围岩)建议调整为带临时仰拱台阶法或上下台阶法、Ⅴ级围岩隧道(第三、四、五类围岩)建议调整为上下台阶法； 3)Ⅳ级围岩隧道建议调整为上下台阶法； 4)其他未涉及的围岩情况，工法均不做调整。

关键词：莞惠城际地下铁路隧道； 矿山法； 综合围岩等级； 设计工法； 适应性分析

0引言

近年来，由于国民经济的迅猛发展，国内轨道交通的发展越来越快，相继涌现了一大批城际铁路，如京津、沪宁、宁杭、广珠城际铁路等。2015年1月6日，国家铁路局正式批准发布了铁道行业标准TB 10623—2014 《城际铁路设计规范》，自2015年3月1日起实施，这是国内第1部城际铁路建设的行业标准。在《城际铁路设计规范》颁布之前，国内城际铁路的设计主要参考铁路、客专和高铁相关设计规范，并且各城市也并不完全统一，但基本上都是以路基和高架铁路为主。莞惠城际铁路以铁建设[2005]140号《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定(上下)》[1]为主要设计规范，参考GB 50157—2003《地铁设计规范》[2]和TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》[3]，穿越城市繁华区以地下隧道为主，这同国内其他已建成的城际铁路在线路选型上存在较大差异。

当前，国内对城际铁路隧道施工工法的研究主要侧重于山岭隧道(或者说是陆地上隧道)，对类似于莞惠城际铁路松山湖这种大断面、长距离隧道施工工法的研究，还相对较少，为数不多；且城市地下隧道由于存在埋深小，受地表建筑荷载、管线和地下水位高等影响因素多的特点，在设计与施工上同普通铁路、高铁和地铁隧道相比，有很多不同之处。本文基于莞惠(东莞至惠州)城际铁路松山湖地下隧道工程，对传统矿山法在该隧道施工过程中存在的适应性问题进行详细分析，并分别提出适合于莞惠城际铁路松山湖隧道Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ级(围岩综合等级)的工法调整建议。

1工程概况

莞惠城际铁路(时速200 km)松山湖隧道为目前国内最长的在建地下隧道，全长38 813双延米，其中矿山法隧道长度为46 449单延米。隧道地处珠三角地区，经济发达，沿线多处下穿河流、铁路、公路、市政道路及房屋建筑密集区等，地下管线十分密集，施工难度较大。隧道地质条件复杂，断面较大，多处存在富水破碎围岩，掌子面岩层种类变化多、起伏大、地层差距大，同一断面地质上软下硬的情况较多[4]。隧道围岩以Ⅵ级和Ⅴ级围岩为主(以Ⅵ级居多)，少部分是Ⅳ级，Ⅲ级围岩除常平镇段山岭隧道外(累计约716 m)，城市地下段隧道基本没有。笔者大致统计了松山湖隧道各围岩等级的比例，Ⅵ级围岩约占45%，Ⅴ级围岩约占27%，Ⅳ级围岩约占8.3%，Ⅲ级围岩太少(不做统计)。隧道断面形式为单洞单线，二次衬砌内净空宽度为8 m，净高为7.3 m。Ⅵ级围岩采用CD法、Ⅴ级及Ⅳ级浅埋围岩采用带临时仰拱台阶法、Ⅳ级深埋采用上下台阶法、Ⅲ级围岩采用全断面法施工[5]。

本文主要介绍CD法、Ⅴ级及Ⅳ级浅埋围岩隧道工法适应性的问题。单侧壁导坑法(CD法)见图1。带临时仰拱台阶法见图2。松山湖隧道设计参数见表1。

图1　单侧壁导坑法(CD法)

图2　带临时仰拱台阶法

围岩等级工法初期支护喷射混凝土(拱墙)/mm喷射混凝土(仰拱)/mm钢架位置钢架规格钢架间距/m二次衬砌/mm拱墙/仰拱主筋纵筋箍筋Ⅵ级CD法300300全环I20a型钢0.5500/550ϕ25@150ϕ14@150Ⅴ级浅埋带临时仰拱台阶法250250全环I18型钢0.6450/500ϕ22@150ϕ14@150Ⅴ级深埋带临时仰拱台阶法250250全环ϕ22钢筋格栅0.6450/500ϕ20@150ϕ14@150Ⅳ级浅埋带临时仰拱台阶法220220全环ϕ20钢筋格栅0.8400/450ϕ20@150ϕ12@150Ⅳ级深埋上下台阶法220100拱墙ϕ20钢筋格栅1.0400/450ϕ18@150ϕ12@150ϕ8@300×150(加密区为ϕ8@150×150)梅花形布置

2隧道综合围岩等级的确定

铁路隧道围岩等级应该由拱顶、边墙、底板3处围岩决定，但基本上由隧道拱顶揭示围岩决定，即拱顶围岩等级决定着隧道洞身的围岩等级。隧道综合围岩等级需要依据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》附录A铁路隧道围岩基本分级中的表A.1围岩基本分级和A.2隧道围岩分级进行修正。隧道综合围岩级别应在围岩基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正。

2.1隧道埋深对围岩的分级修正

依据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》附录A，当隧道的洞身埋深较浅时，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。当围岩为风化层时，应按风化层的围岩基本分级考虑；围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1—2级。隧道埋深值H应根据下列计算式来确定。

1)当H≤2b时，为浅埋隧道(H为隧道埋深，b为隧道最大开挖宽度)；

2)当H>2b时，为深埋隧道。

一般情况下，松山湖隧道(城市地下地段)埋深为8～20 m，但以10～18 m的居多。按照上述计算公式，松山湖隧道埋深H值计算如表2所示。

表2松山湖隧道埋深划分表

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

围岩等级最大开挖宽度b/m埋深H/mⅥ级9.118.2Ⅴ级浅埋8.8617.72Ⅴ级深埋8.8617.72Ⅳ级浅埋8.6417.28Ⅳ级深埋8.5217.04Ⅲ级围岩8.2

通过计算分析发现，如果按照一般埋深为10～18 m计算，则松山湖隧道以浅埋围岩居多。按照围岩的分级修正要求，不论是按照风化层的围岩基本分级考虑，还是受地表构筑物的影响，其隧道综合围岩等级都应较相应围岩降低1—2级。

2.2地下水对围岩的分级修正

松山湖隧道沿线地下水主要为第四系松散沉积层中的孔隙潜水和基岩中赋存的裂隙水。第四系孔隙潜水，主要赋存于东江及其支流的漫滩及阶地上的第四系冲洪积地层中，埋深为0.2～6 m，水量较大，剥蚀丘陵区仅在沟谷两岸赋存有第四系孔隙潜水，埋深1～5 m，水量不大，主要靠大气降水补给，一部分通过蒸发排泄，一部分通过地下径流排泄；基岩裂隙水主要赋存于基岩的裂隙中，水量不大，透水性差，一般略具承压性，埋深较大。

松山湖隧道Ⅴ级和Ⅵ级围岩中，地下水以Ⅲ级居多(经常渗水)；Ⅳ级围岩中，地下水以Ⅱ级居多(偶有渗水)；Ⅲ级围岩，地下水以Ⅰ级居多(干燥或湿润)。调整后的松山湖隧道综合等级围岩以Ⅵ级和Ⅴ级围岩居多，少部分是Ⅳ级围岩，Ⅲ级围岩除了山岭地段外基本没有。这种围岩情况同样存在于珠三角城际轨道交通东江隧道(矿山法隧道全长17 286单延米)、太平隧道(矿山法隧道全长11 594单延米)和云山隧道(矿山法隧道全长7 700单延米)等。

3隧道施工存在的问题分析

3.1隧道围岩的不均匀性分析

松山湖隧道埋深较小，加上围岩面起伏变化较大，如果围岩分级前仅考虑岩性、岩体完整度、厚度、埋深及地下水状态等因素的影响，隧道掌子面围岩会出现很大程度的不均匀性。松山湖隧道Ⅵ级与Ⅴ级围岩可能存在围岩的不均匀情况分析，分别如表3和表4所示。

表3　隧道Ⅵ级围岩不均匀性的情况分析表

表4　隧道Ⅴ级围岩不均匀性的情况分析表

3.2CD法施工存在问题的分析

CD工法见图3。CD法竖撑变形见图4。

图3　CD工法

图4　CD法竖撑变形图

针对表3第四、五、六类围岩情况，隧道掌子面施工时由于需要爆破，临时竖撑无法支立和保留，甚至会因为竖撑严重变形而使得隧道钢拱架局部变形，产生破坏，严重影响隧道支护结构的安全(图4所示仅为实际变形曲线中的一种)，故采用CD法不合适。

3.3带临时仰拱台阶法施工中存在的困难

带临时仰拱台阶法如图5所示。临时仰拱变形图如图6所示。

图5　带临时仰拱台阶法

针对表4所示第三、四、五类围岩时，如果仅隧道底板处爆破，可以采取适当的覆盖措施，确保爆破产生的飞石不至于破坏临时仰拱，造成仰拱变形扭曲。如果隧道底板、边墙乃至拱顶都需要爆破，临时仰拱必定遭到破坏和扭曲，隧道钢拱架局部会变形，严重影响隧道的支护安全(图5所示仅为实际变形曲线中的一种)，故采用带临时仰拱台阶法不合适。

图6　临时仰拱变形图

4国铁、城际地下铁路、地铁隧道的设计类比

1)国铁(普通、客专、高速铁路的统称)隧道一般位于山区，修建时速为200 km的隧道，一般是单洞双线，隧道断面大；而城际地下铁路隧道，基本是单洞单线(类似于地铁隧道)，隧道断面大(相对于单洞单线隧道)，两者在隧道选型设计上存在很大差异[6]。

2)城际地下铁路隧道受水、浅埋、地表影响较大，围岩综合等级受很多因素的影响，工法以带临时仰拱法、CD法居多，少部分采用台阶法。山岭隧道受地下水、地表的影响较小，埋深较大(一般只有进、出洞段存在少部分浅埋段)，其围岩等级采用基本围岩等级的较多，工法以台阶法、全断面法居多[7]。

3)地铁隧道(单洞单线)断面面积较小，围岩等级以Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ级居多，工法以两台阶和预留核心土台阶法为主，少部分情况下Ⅵ级围岩采用CD法。地铁隧道断面小，遇见“上软下硬”地层情况时，可在设计阶段调整线路纵坡，确保隧道岩面的均匀性，工法尽可能与实际地质情况相匹配。

5工法调整的建议与讨论

由于地下水的状态和开挖后的围岩稳定状态在勘察阶段还难以判断，围岩分级的修正完全可以在施工阶段进行，以实际揭示围岩确定工法，以综合围岩等级确定超前预加固或辅助措施。设计阶段提出的应是推荐性工法，具体实施工法可以根据实际地质情况分段落进行调整[8]。

5.1Ⅵ级围岩工法的调整建议

针对表3第一、二、三类围岩不做讨论，采用CD法施工；第四、五、六类围岩仅仅是顶板以上土体可能稍差，洞身围岩相对较好，采用三台阶七步法+拱部临时立柱法开挖，考虑到隧道综合围岩等级为Ⅵ级，对隧道顶板土体可以适当采取超前辅助措施进行预加固；第七、八类围岩整个断面基本需要爆破的，采用三台阶七步法即可，考虑到隧道综合围岩等级为Ⅵ级，对隧道顶板土体应适当采取超前辅助措施进行预加固[9-10]。

5.2Ⅴ级围岩施工工法的调整建议

表4第一类围岩不做讨论，采用带临时仰拱台阶法是合适的；第二类围岩考虑到底板必须爆破，临时仰拱是否可以保留，建议工法调整为带临时仰拱台阶法或上下台阶法；第三、四、五类由于隧道洞身需要爆破，临时仰拱无法保留，建议工法调整为上下台阶法。

5.3Ⅳ级围岩施工工法的调整建议

依据文中的爆破分析，由于隧道掌子面各区爆破的需要，临时仰拱无法保留，将Ⅳ级浅埋围岩隧道施工工法由带临时仰拱台阶法建议调整为上下台阶法(即取消临时仰拱)。Ⅳ级深埋围岩按原要求采用上下台阶法施工，不做调整。

5.4各围岩建议工法的稳定性分析

5.4.1Ⅵ级围岩建议工法稳定性分析

三台阶七步法+拱部临时立柱见图7。三台阶七步法见图8。

图7　三台阶七步法+拱部临时立柱

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

5.4.1.1三台阶七步法+拱部临时立柱

1)对隧道①区进行开挖。根据围岩实际情况，若隧道顶板以上围岩较差，可分2步进行开挖。若围岩较好，可一次性开挖，但须及时架设临时竖撑。临时竖撑底部可以用槽钢垫底，已增大荷载的分布，及时完成喷射混凝土支护。

图8　三台阶七步法

2)按三台阶七步开挖法依次对隧道各部位进行开挖，及时完成钢架支护，确保隧道施工安全。隧道⑦区开挖之前，需要对监测数据进行稳定性分析。确定隧道基本稳定后(或是监测数值在设计及规范允许范围内变化)，即可挖除相应部分的核心土，拆除临时竖撑，完成⑦区仰拱施工。

3)若隧道拱顶存在软弱围岩、难以自稳的情况，可以考虑采取超前预注浆、双排小导管等辅助措施对顶板围岩预加固，确保隧道顶板土体开挖过程稳定。

4)若隧道顶板围岩急剧突变，或地表覆土沿隧道纵向有较大变化、隧道直接承受地面建筑物等较大局部荷载、隧道下穿河流、交通基础设施等，须考虑超前中管棚、长管棚等超前辅助措施。

5)对于拱顶围岩相对较好，如本文第七类及第八类围岩，建议隧道顶板处加强超前小导管支护，直接采用三台阶七步法开挖，因为顶板爆破开挖，临时竖撑无法预留。

6)各区掌子面预留核心土视实际围岩是否需要爆破等情况，不一定要保留。

5.4.1.2三台阶七步法+拱部临时立柱法稳定性分析

1)隧道①区开挖可视围岩情况分1步或2步进行，同时采取临时竖撑，有利于隧道顶板的稳定。

2)相比于CD法中①区开挖，本法在确定顶板支护稳定的前提下，相当于将原CD法①区开挖分2步进行，也就是本法中①区左侧和②区，且②区爆破开挖，不受竖撑的影响。因此，安全性肯定好于CD法。同理，本法中③区开挖的稳定性也好于CD法的③区。

3)由于隧道边墙和底板围岩条件相对好的多，且上、下台阶的支护结构基本得到稳定，所以隧道⑦区的仰拱开挖不会影响到隧道支护结构的稳定。

综上，这种围岩条件下采用三台阶七步法+拱部临时立柱法将优于CD法。

5.4.2Ⅴ级围岩建议工法稳定性分析

1)临时仰拱只是束缚钢拱架的水平移动，并不参与拱架竖向受力。由于隧道边墙和底板围岩相对较好，完全可以通过锚杆和锁脚锚管等措施将拱架固定于围岩中，束缚拱架水平方向的移动。

2)表4第二类围岩考虑底板爆破，临时仰拱是否可以保留，工法调整为带临时仰拱台阶法或上下台阶法；第三、四、五类由于隧道洞身需要爆破，临时仰拱无法保留，工法调整为上下台阶法。

3)由于隧道综合等级围岩为Ⅴ级，应采取必要的超前辅助加固措施对隧道拱顶进行加固等。

5.4.3Ⅳ级围岩建议工法稳定性分析

见表4第五类围岩工法的稳定性分析，受文章篇幅的限制，此处不再做详细分析。

6建议与探讨

针对莞惠城际铁路项目松山湖地下隧道的设计及施工工法，提出建议如表5—7所示。

表5隧道Ⅵ级围岩设计及施工工法调整建议表

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

围岩情况原设计工法调整建议工法第一类第二类第三类第四类第五类第六类第七类第八类CD法①①①②②②③③

注： ①代表CD法; ②代表三台阶七步法+拱部临时立柱; ③代表三台阶七步法； 辅助措施在表中则不做叙述。

表6隧道Ⅴ级围岩设计及施工工法调整建议表

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

围岩情况原设计工法调整建议工法第一类第二类第三类第四类第五类带临时仰拱台阶法①②③③③

注： ①代表带临时仰拱台阶法; ②代表带临时仰拱台阶法或上下台阶法; ③代表上下台阶法； 辅助措施在表中则不做叙述。

表7隧道Ⅳ级围岩设计及施工工法调整建议表

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

围岩情况原设计工法调整建议工法Ⅳ级浅埋围岩Ⅳ级深埋围岩带临时仰拱台阶法上下台阶法上下台阶法

注： 辅助措施在表中则不做叙述。

当前，国内关于铁路隧道施工工法方面的研究与相关资料较多，但大部分主要针对国铁和地铁隧道的，类似于城市地下大断面、长距离浅埋铁路隧道施工工法优化方面的资料还相对较少。受文章篇幅的限制，笔者只是简单将松山湖隧道上、中、下地层分别进行分类，提出相关的工法调整建议。若地层为倾斜层，或是还有上软、中硬、下软等特殊情况，还需要做进一步的研究，分析原理基本相同，主要还是根据岩层特性、围岩支护方式及相关的安全稳定性分析等。文中提出的工法调整建议是否适应国内其他地区城际地下铁路隧道，还需要做进一步的补充与完善，以便建立适合全国范围城际地下隧道施工工法的统一标准。

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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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0193-07

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

作者简介：聂振宇(1983—)，男，江西九江人，2006年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，工程师，现从事城市地铁施工工作。E-mail: 63063229@qq.com。

收稿日期：2014-12-21; 修回日期: 2015-03-20