小间距高速铁路隧道群设计技术

王旭

（中国铁路设计集团有限公司，天津300308）

1 引言

随着铁路网的完善，隧道大规模建设，小间距隧道群也越来越多，但目前还没有较明确的规范和控制标准，仍处于边施工边探讨的总结阶段，设计技术滞后于工程建设需求的发展[1～3]。近年来，国内学者对此做了大量的研究工作，如文献[4]以京-福高速公路三明-福州段的小间距隧道为工程背景，对Ⅱ类围岩隧道的不同施工过程进行了弹塑性数值仿真研究，给出了不同施工方法及支护措施对围岩变形规律的影响；文献[5]数值模拟研究了3 车道小间距隧道采用双侧导坑法的开挖施工过程，为小间距隧道的发展和设计施工提供了较确切的参考数据和理论依据。尽管如此，对小间距问题目前仍然处于探索研究阶段。本文针对机械开挖与控制爆破相结合的开挖方式，探讨了不同线间距段落的开挖方法及控制标准，为今后类似隧道的勘测设计及施工提供借鉴。

2 隧道概况

赤喀客专北京联络线分为上、下行2 条单线，其中上行线孙家沟1 号隧道、下行线孙家沟2 号隧道分别位于京沈客专正线孙家沟隧道右侧及左侧，三隧道洞口等高，两单线隧道小间距并行后分别跨越及远离孙家沟隧道，鉴于京沈客专已经开工，赤喀铁路建设相对滞后，为减少对京沈客专在建隧道的影响，需确定出联络线隧道与京沈客专同期施工段落，即联络线隧道需在京沈客专联调联试之前建成，避免出现邻近既有线施工等问题。

2.1 隧道群相对位置关系

在京沈客专孙家沟隧道进口里程DK341+587 处，北京方向上行联络线距离京沈客专正线右线线间距为13.22m，在孙家沟1 号隧道出口处，距离京沈客专正线左线线间距为18.87m；北京方向下行联络线距离京沈客专正线左线线间距为13.29m，并采用半径为1400m 的左偏曲线大角度偏离京沈客专正线。联络线与京沈客专正线平面关系见图1。洞口从左向右分别为孙家沟2 号隧道（下行）、孙家沟隧道（正线）、孙家沟1 号隧道（下行），横断面相对位置关系见图2。

图1 联络线与京沈客专平面关系图

图2 孙家沟2 号、孙家沟、孙家沟1 号横断面关系图

2.2 联络线隧道

孙家沟1 号隧道全长803m，最大埋深约58.95m；隧道整体位于半径R=1400m 的左偏曲线上，隧道纵坡为21.5‰的上坡。

孙家沟2 号隧道全长1303m，最大埋深约78.65m。隧道进口25m 长直线，其余地段位于R=1400m 的左偏曲线上，隧道内纵坡为4.5‰的上坡。

2.3 隧道建筑限界及设计原则

联络线的隧道设计时速160km，单线隧道，隧道建筑限界按高速铁路建筑限界轮廓及基本尺寸设计，隧道内轮廓在考虑电气化接触网悬挂设备布置要求、养护维修及其他使用要求，以及考虑结构受力条件及施工运营等因素的前提下，尽量降低结构高度，轨面以上净空设计面积为45.79m2。

京沈客专正线隧道设计为时速350km 的双线隧道，隧道建筑限界按高速铁路建筑限界轮廓及基本尺寸设计，轨面以上净空横断面面积为100m2。

2.4 工程地质及水文地质

隧址区最冷月平均气温-9.1℃，土壤最大冻结深度1.05m，隧道区地震动峰值加速度0.05g（地震基本烈度Ⅵ度）。隧道范围揭示地层，第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）新黄土，侏罗系上统金刚山组凝灰质砂岩、凝灰岩，侏罗系吐呼噜组凝灰质砂岩、凝灰岩。全风化的凝灰质砂岩、凝灰岩，强风化的凝灰质砂岩、凝灰岩具强膨胀性。围岩存在微量基岩裂隙水。

2.5 地形地貌

地形起伏比较大，沟谷较多，存在多处长段落的浅埋偏压地段，为工程实施带来很大的工程风险。

3 技术措施及控制标准

本项目技术措施主要需解决的问题分2 个方面：一方面是控制后行隧道施工爆破振动对先行隧道结构安全的影响；另一方面控制围岩变形，防止后行隧道施工引起的围岩变形过大，影响先行隧道的结构安全以及相互影响后自身受力体系的改变。为保证孙家沟隧道的安全，孙家沟隧道与孙家沟1 号、2 号隧道距离较近地段二次衬砌采用钢筋混凝土衬砌结构，其中Ⅳ级、Ⅴ级围岩地段拱墙进行径向注浆加固围岩。

3.1 围岩松动相互影响区域分析

为了探究3 座相邻隧道开挖对彼此之间的相互影响，分别对3 种工况进行建模数值模拟分析：一是仅开挖中间的双线隧道，模拟分析地层的位移变化情况，如图3 所示；二是开挖完双线隧道后再开挖右侧的单线隧道，模拟分析地层及2 座隧道的位移变化，如图4 所示；三是开挖完双线隧道后同时开挖两侧的单线隧道，模拟分析地层及3 座隧道间的位移变化情况，如图5 所示。

工况一：仅开挖孙家沟隧道。

图3 工况一竖向位移云图

工况二：开挖孙家沟隧道后，再开挖孙家沟1 号隧道。

图4 工况二竖向位移云图

工况三：开挖孙家沟隧道后，同时开挖两侧孙家沟1 号、2 号隧道。

图5 工况三竖向位移云图

表1 孙家沟隧道变形统计表mm

从表1 计算可以看出，后期施工对于先期隧道开挖影响比较大，必须采取控制性措施减少对既有隧道的影响。

3.2 同期施工段落的确定

根据工程的进展，要求京沈客专正线隧道在联调联试之前，联络线隧道需要施工完成或初期支护能够完成，避免在联调联试期间爆破开挖对其造成影响。根据隧道开挖松动圈影响范围，同期施工段落划分原则为联络线隧道与京沈客专在建隧道同侧线间距小于45m 的段落。根据开挖影响程度，小于25m 的范围为重点控制变形范围，其主要考虑原则为两洞之间的净土柱大于正线毛洞的跨度。

3.3 联络线主要工程措施

根据隧道间线间距不同设计分别采用非爆破法开挖、非爆与控制爆破组合法开挖。根据以往国内外对减振技术的研究成果，非爆开挖和数码电子雷管爆破技术是减振的有效措施。针对孙家沟1 号、2 号隧道浅埋、偏压、邻近既有隧道采用“非爆破”切削法进行施工，其中，单臂掘进机是一种比较好的施工机械。在中低硬度及以下的岩层中，单臂掘进机可以直接用于隧道的快速掘进施工。本隧道单臂掘进机开挖是将掌子面分为6 个部分依次切削。

鉴于京沈客专正线隧道施工在先，相应同期施工段落采用以下主要工程措施。

赤喀客专北京联络线隧道与京沈客专同期施工需采用单臂掘进机开挖，上行线孙家沟1 号隧道与正线同侧线间距（d）全部位于0＜d≤25m 范围，总长763m，全断面采用掘进机法开挖。下行线孙家沟2 号隧道与正线同侧线间距位于0＜d≤25m范围，全断面采用掘进机法开挖；位于25＜d≤45m 范围，上半断面采用掘进机法开挖，下半断面采取适当控制措施。其爆破震动安全允许标准根据GB 6722—2014《爆破安全规程》相关要求，同期施工段爆破控制标准确定为10cm/s。

联络线隧道超前支护措施进行细化设计，隧道洞口拱部采用φ108mm 大管棚+小导管超前支护，其余Ⅴ级围岩地段采用φ89mm 中管棚+小导管超前支护，Ⅳ级围岩地段采用φ42mm 密排小导管超前支护。

相互干扰段采用全环径向注浆措施加固地层，兼顾寒区隧道防寒堵水作用。

4 施工监控量测

隧道群施工相互影响较大，在施做二次衬砌之前，应全过程对衬砌进行监控量测，积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据。实时验证支护结构效果，确认或调整支护参数和施工方法，以及确定二次衬砌施作时间；确保施工安全及结构的长期稳定性。两侧单线隧道的外侧壁、拱顶点、小间距岩柱侧壁及与底板的连接处，还有施工过程中的临时岩柱，这些部位在施工过程中必须重点监控，以指导信息化施工。

5 结论与体会

从京沈客专与赤喀客专北京联络线小间距隧道的设计与施工过程中所表现出的特殊情况以及采取的应对措施，进一步认识小间距隧道施工的技术要点与难点，同时也积累了一些实践经验，为同类工程建设，特别是对小间距隧道的开挖方式、支护具有实际的指导作用，对降低工程安全风险也有重大借鉴意义。

1）先行开挖的隧道需要加强支护措施，通过径向注浆加固洞顶围岩及中间岩柱，使隧道的支护结构与围岩形成稳定的支护体系。

2）后行开挖的隧道加强超前支护措施，使两侧单线隧道的拱部形成棚架支护效应，通过机械开挖以后，迅速采取全环径向注浆措施，加固隧道周边的围岩，尤其小间距隧道中间的临时岩柱。

3）隧道同侧线间距小于25m，即相邻隧道间净土柱小于大断面的最大跨度时，隧道全断面采用单臂掘进机机械开挖，最大限度减少对周边岩体的扰动，降低对相邻已成型隧道支护结构的不利影响。隧道同侧线间距介于25～45m 时，即相邻隧道间净土柱介于大跨度隧道1～2 倍跨径时，可以采取机械开挖与控制爆破相结合的施工方法。