地铁浅埋砂层大跨度、小净距多联隧道并行施工顺序研究

张文明

(中铁十七局集团第一工程有限公司，030032，太原//工程师)

石家庄地铁1号线中山广场站—解放广场站区间(以下简为“中—解区间”)横通道连接线路为左右线分离式双洞隧道(交叉渡线处为3洞并列)。该段隧道平面图见图1。其中，1号竖井进洞开挖断面为2-2断面，3孔联立的渡线交叉开挖断面为1-1断面。2-2断面为并行隧道，最大孔隧道跨度达到14.30 m，紧邻侧小断面断面跨度6.48～8.50 m，两隧道净距最小处只有0.6 m。大洞采用双侧壁9(6)导洞和CRD法(中隔墙加台阶工法)施工，小洞采用台阶法施工。1-1断面处隧道由2孔开挖变为3孔开挖。由于施工情况复杂，并行隧道的施工顺序对施工安全有较大影响。

1 研究现状

1.1 群洞隧道施工顺序的研究

2002年，文献[1]以软弱围岩隧道为研究对象，采用模型试验和有限元计算方法相结合的手段，对浅埋小间距3孔隧道平行施工进行了施工力学研究，提出：采用先边洞后中洞的工法时，中洞施工是关键工序；采用先中洞后边洞施工工法时，2个边洞施工是关键工序；中洞后挖工法受力比边洞后挖施工更为不利。

1.2 中夹土体岩性稳定性与加固措施研究

中间土体的完整性应力集中是引起隧道破坏的主要原因。文献[2]通过对招宝山隧道浅埋小净距隧道中夹土体岩受力特点研究，得出结论：中夹岩柱必须施加侧向约束，且中夹围岩土体必须进行注浆加固处理，以保证开挖初期支护施加前有足够时间支撑其顶部荷载。文献[3]论证了小净距隧道施工时采用三台阶预留核心土法的良好效果。

1.3 洞并列时开挖顺序的稳定性研究

群洞进洞顺序的研究是目前的热点。2010年文献[4]对平行三断面隧道以韩府山隧道为依托进行了数值模拟和实际比对，得出如下结论：①左右边导洞的错步先行开挖比同时开挖对中洞影响略有利，对隧道主应力的分布和大小影响不大。②中洞先行对隧道稳定性影响一般在8～12 m范围内，综合考虑围岩整体性及支护受力状态得出：先挖边导洞再施工中洞的方案比较合理。③双侧壁导坑法比其他工法更适宜在平行三导洞小净距施工应用。文献[5]采用二维数值模拟分析，发现采用CD(中隔墙)法进行小净距隧道开挖有利于控制围岩变形，且施工中应采用预注浆及施作中空注浆锚杆等方式加固。

图1 中—解区间横通道隧道平面设计

2 施工顺序分析

2.1 小净距双洞并联对向暗挖施工顺序

1-1断面与2-2断面应力变化非常复杂，空间结构模型模拟难度大。本文首先采用数值分析手段对地层沉降和塑性区分布进行探讨，并结合现场施工进行拱顶沉降分析。

方案1：横通道施工区间正线马头门先施作大断面区间，待大断面区间初期支护、二衬施工完成后，再施工临边小断面和对侧小断面。该方案优点是先难后易。但该隧道小断面全部集中在左线，先大后小的施工顺序制约了左线贯通，无法满足左线贯通的工期要求。

方案2：小断面初期支护先施作30 m，再施工临侧大断面和对侧大断面。该方案优点是既可先施工大断面又可先施工小断面，并且小断面先施工简单，可提前左洞贯通。但后续大洞开挖的难度增加，偏压的风险性相对增大。故从工期角度考虑，先大后小为最优施作方案，但安全风险大。

2.2 仿真模拟力学状态分析

先用FLAC3D软件对2-2断面施工过程模拟，再用MIDAS软件对1-1断面3孔并行隧道的施工进行二维分析计算。

2.2.1 围岩物理力学参数

围岩物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数

2.2.2 仿真计算结果分析

仿真计算工况有2个：①工况1：先施工大断面，二次衬砌完成后，再开始施工小断面。工况1的计算结果如图2所示。施工完成后拱顶沉降为33 mm。②工况2：先施工小断面，并做初期支护，不施工二次衬砌；待小断面施工完毕后，再施工大断面，最后得出大断面二次衬砌完成后的结构竖向位移。工况2计算结果如图3所示。施工完成后拱顶沉降37 mm。

图2 小断面初期支护完成后支护结构竖向位移

图3 大断面二衬完成后支护结构竖向位移

由通过数值模拟分析结果得到：按工况1施工顺序对控制拱顶沉降有利，如采用工况2沉降也可满足规范要求。根据本项目施工进度要求，如先开挖大断面，则其开挖和衬砌施作时间过长，会影响整体隧道施工工期。因此，采用先开挖小断面后施作大断面的施工顺序，并通过有限元模拟对结构的安全性进行验算。

2.3 对向进洞马头门的主要施工措施

采用二衬进洞方式，前期主要施工措施为：

(1) 为安全进正洞，在马头门破除前于横通道设置2道临时中隔板。

(2) 横通道初次衬砌施工完毕后，沿区间断面位置施作区间的深孔注浆工艺，并沿马头门外轮廓位置打设双排φ42超前导管。上下排导管错开布置，单根导管长度为4 m。导管完成后注浆加固地层。

(3) 待区间正线施工完毕后，方可破除横通道临时中隔板。区间初次衬砌的格栅钢筋要与横通道初衬格栅钢筋有效连接。横通道在开洞范围内应做好支撑，施工时加强监测。

2.4 1-1断面3洞开挖顺序及施工措施

2.4.1 开挖顺序及模拟分析

二次衬砌施工顺序①：左、右边洞顺次开挖，再施作左、右边洞二次衬砌，待二次衬砌稳定后进行中洞开挖支护施工。顺序②：3孔隧道先后开挖，并施工初期支护；待初期支护稳定后，按隧道开挖先后顺序施作二次衬砌。

文献[6]结合某大断面小净距隧道工程实际进行研究。研究结果表明：后施工洞宜在先施工的边导洞二次衬砌施作后开挖。本文重点研究3洞初期支护完成后再施作二次衬砌后的沉降情况，按中—解区间隧道现场实际施工顺序(先施工左右边隧道，后施工中间隧道)进行数值模拟。模拟结果见图4。

图4 MIDAS模拟计算(3洞开挖)

开挖支护后，仰拱出现了应力松弛区，其最大主应力为172 kPa，仰拱两侧出现应力集中，左侧最大主应力为593 kPa，右侧最大主应力为551 kPa。拆除临时支护后，拱顶和仰拱处最大主应力变小，边墙最大主应力变大(见图5)。可见，两边导洞实际施工难度不大，而中洞拱顶上方围岩是最主要的监控目标。

图5 中间洞开挖完成后的应力分布

2.4.2 开挖施工措施

根据工程经验，中—解区间暗挖隧道的主要施工控制措施为：边导洞先采用台阶法施工，其初期支护采用双排小导管加密布置方式；施工边导洞过程中对中间导洞采用注浆加固的方法(向土体施作φ42小导管径向注浆，长度与土体厚度相同”)；中间导洞施工时采用WSS(无收缩)超细水泥-水玻璃双液深孔注浆。隧道初期支护外2.0 m、初期支护内1.0 m注浆，形成3.0 m厚注浆带。3洞中间土体的加固如图6所示。

实际开挖过程中重点对左侧导洞和中间导洞的拱顶及侧墙进行监测。最大沉降值为2.94 cm，满足设计规范要求。

图6 中间土体加固断面

3 结论

(1) 在浅埋砂层施工中，小净距2孔隧道并行开挖时，须确定先施工小断面隧道还是大断面隧道。当两隧道距离较小(一般为0.5～2.0 m)时，按以往的研究结果，先开大断面隧道比较安全。本文通过对不同工况的研究发现，施工顺序对最终沉降基本无影响，现场大小断面隧道开挖顺序的选择需综合考虑隧道施工工期和出渣的便利。如先开挖小断面，则小断面初期支护应采用深孔注浆+工字钢格栅加固，以确保施工安全可行。

(2) 在砂质地层中，当马头门处开挖时，选择大断面隧道和对向交叉小断面隧道先行的方案安全性高。小断面隧道台阶法初期支护完成后，即可进行大断面隧道开挖施工，不需进行小断面隧道二次衬砌施工。采用双侧壁导坑开挖工法可同时开挖大断面隧道、远侧小导洞与小断面隧道，大大节约了工期。

(3) 小净距3洞开挖时，边导洞可先施工。先施工边洞完成初期支护后进行帷幕注浆，随后可施作中导洞。中隔壁岩土稳定采用超细水泥-深孔注浆加固工艺，可行性较强，注浆效果好。先边洞后中洞的开挖顺序安全性更高。

[1] 王明年，李志业，关宝树.3孔小间距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术研究[J].岩土力学，2002，23(6)：821.

[2] 刘艳青.小净距并行隧道力学状态试验研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19(5)：590.

[3] 张周平.软弱围岩区小净距隧道施工技术探讨[J].科技与创新，2016(4)：128.

[4] 马军秋.平行三孔大断面小净距施工技术与力学特性研究[D].长沙：中南大学，2010.

[5] 唐国军，陈人豪，周祥.高速公路小净距隧道施工技术研究[J].西部交通科技，2016(1)：41.

[6] 龚建伍，夏才初，朱合华，等.鹤上大断面小净距隧道施工方案优化分析[J].岩土力学，2009，30(1)：236.