岩性接触带地层小净距城际隧道施工技术研究*

潘 茜，陈相宇

(佛山轨道交通设计研究院有限公司，广东 佛山 528200)

0 引言

随着城市的发展，出现越来越多城际铁路隧道穿越城市中心地带，部分隧道需考虑行车配线设置，如折返线、越行线、停车线等，导致暗挖隧道断面大、断面之间的转换工序复杂。部分隧道面临如岩性破碎带、地下水丰富等地质风险，进一步加大了暗挖隧道的技术难度及施工风险[1-3]。吴全立等[4]介绍富水砂质粉土地层中浅埋、近距离双洞大跨度隧道，通过全断面预注浆结合超前大管棚等辅助措施，解决了富水砂质粉土层的液化与管涌问题；刘彤等[5]针对单洞四车道公路隧道在Ⅱ，Ⅲ类围岩的施工方案，进行了有限元数值分析，提供了合理的施工开挖步序；茶增云等[6]利用FLAC3D进行数值分析，研究浅埋富水全风化花岗岩公路隧道的施工灾害问题；罗文静等[7]结合南宁地铁3号线青秀山站，采用数值分析与现场监测相结合的方法，解决半成岩地层明暗挖地铁车站施工存在的问题。从以上研究可知，大部分研究并未针对不同岩性接触带下暗挖隧道小净距施工提出相应的技术措施。

广州白云山脉地质条件复杂，断裂带分布范围广，不同岩性接触带下存在潜在滑动面，且基岩裂隙水存在承压性，矿山法施工存在较大的施工风险。本文依托某城际隧道车站项目，对在不同岩性接触带下小净距施工遇到的问题进行深入探讨，并提出解决方法，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

某城际车站与已运营地铁车站换乘，同时需与远期规划车站换乘。站位设置在道路口东侧，沿东西向敷设，为地下3层岛式车站，车站总长约443.8m，标准段宽34.7m，站台宽12.0m，车站左右线暗挖段长156.8m，里程范围为DK73+653.184—DK73+809.984，暗挖段进入有效站台37.4m。本工程隧道结构断面形式不一，车站为换乘站，空间布局设计复杂，为实现工程参数化、智能化、智慧化发展，本工程采用BIM技术进行设计(见图1)。

图1 车站及隧道BIM模型

2 工程地质与水文地质条件

2.1 工程地质条件

本场地地貌属于冲积平原到丘陵的过渡位置，车站由西向东，从冲积平原过渡为低丘，地势整体呈西低东高、北低南高分布，暗挖段起始点位于山脚下，地表标高29.500～56.400m。山顶标高85.000m，山脚标高30.000m，整个场地存在约55m高差，隧址地形存在约25m高差。暗挖区域地层为强风化变质砂岩、中风化变质砂岩、微风化角岩及微风化花岗岩，如图2所示，岩土层参数如表1所示。

表1 岩土参数

图2 地质纵剖面

2.2 水文地质条件

勘察范围内地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水。本场地属于冲积平原到低丘地貌的过渡，地下水位埋深不一，稳定水位埋深0.50～37.80m。夏季大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降，水位年变化幅度为1.0～3.0m。

3 结构设计关键技术问题

3.1 不同岩性接触带下地下水处理难点分析

暗挖隧道范围山体变质砂岩和花岗岩为侵入接触关系，岩性接触带范围，尤其是中风化角岩和中风化变质砂岩与强风化接触带，是地下水渗透通道，容易发生突水事故。

基岩裂隙水主要赋存于强、中、微风化带中，且地下水赋存不均[8]。基岩裂隙水在不同岩性接触带地段水量较丰富，具承压性。根据地区经验，渗透系数一般为1～5m/d。基岩风化裂隙水为承压水，多个含水层之间存在一定的水力联系。

本区间隧道穿越范围西侧为平地，东侧为低丘，东西侧地形高差约55m。场地内的承压基岩裂隙水大体上自东侧低丘向西侧平地位置渗透，地下水流速6.20～21.31m/d，流向主要为278.52°～323.56°，在变质砂层中风化带中和微风化花岗岩结合面流速较快，流量较大。西侧的基岩裂隙水可能接受场地东侧基岩裂隙水的渗流补给，造成场地中部个别钻孔存在钻孔内水头高出地面的情况。

基岩裂隙水水量较丰富，具有承压性等特点，对矿山法隧道施工构成较大的风险。因此，开挖前需要提前对隧道围岩进行处理，可采取地面注浆加固、洞内全断面注浆加固、降水等方法。合理有效的围岩提前处理措施是降低暗挖隧道施工风险的关键。岩性接触带如图3所示。

图3 岩性接触带示意

3.2 不同岩性接触带小净距隧道施工相互影响分析

车站站台受到周边环境影响，无法西移，因此靠近车站明挖段端部约37.4m长范围的暗挖隧道内需要设置侧站台。根据要求侧站台净宽最小为3.1m，因此两隧道之间的水平净距仅有2.4m，如图4所示。

图4 小净距隧道横断面

根据勘察资料揭示，花岗岩与变质砂岩接触带范围，除了受侵入构造影响，同时也受断裂多期构造活动影响节理片理发育，岩芯较破碎，接触带范围也是相对软弱带。

隧道穿越接触带段施工过程中多发围岩失稳与大变形现象[9-10]，且小净距隧道属于近接工程，后建隧道开挖步序将对位于接触带的中夹岩产生多次扰动，致使围岩应力多次重分布，同时对先建隧道结构产生不利影响。因此，确定合理的施工工序及保护措施是不同岩性接触带小净距隧道施工的关键[11]。

4 解决方案

岩性接触带动水处理思路主要为“堵”和“排”。“堵”即通过施作全环注浆加固圈，形成加固隔水圈，严格控制地下水排放量；“排”则是在形成全环隔水圈的条件下仍设置具有足够排水能力的排导系统，将围岩渗水畅通排出，以缓解甚至消除作用在衬砌上的水压力。

4.1 承压水加固处理措施

4.1.1地面加固及洞内加固措施

本工程拟采用对衬砌全周一定范围内进行注浆加固的措施，形成防渗圈，加大水头损失而减小开挖时掌子面的渗透力，降低作用于衬砌的外水压力，并辅以降水及回灌措施，如图5,6所示。

图5 地面注浆加固剖面

图6 洞内全断面注浆加固剖面

暗挖平面位于山脚线以下，且掌子面位于强风化变质砂岩中，采用地面注浆加固，左线加固长度52.9m，右线加固长度18.0m。断面加固范围：洞顶以上6m至洞底以下2m，侧面初支外扩3m。地面注浆采用分区域施工，每个区域内均进行双液浆封边止水加固，区域内采用单液浆加固，实现地面注浆加固效果。有地面加固条件的情况下，优先考虑地面注浆加固措施。

暗挖平面位于山脚线以上，开挖掌子面位于强(中)风化变质砂岩，采用后退式钻注一体机全断面注浆加固，以控制地下水流失和加固掌子面地层。断面加固范围：扩散半径1.0m，环向及径向间距0.8m，单次注浆长度25m，止浆墙厚度3m。采用信息化施工，以便随时掌握隧道围岩水量动态，确保注浆质量。

当各孔段注浆压力达到设计终压(一般大于静水压力1～2MPa)并应稳定10min，且进浆速度小于开始进浆速度的1/4时，且加固体的无侧限抗压强度≥1.0MPa，渗透系数<1.0×10-6cm/s时，认为注浆结束。

4.1.2降水及回灌措施

暗挖段左右线隧道外侧设置2排大口径降水井进行辅助降水，降水井间距为20m，降深为暗挖隧道底以下1m。降水期间对降水影响区域树木需加强养护管理及保护，降水影响范围内建(构)筑物需设置回灌井进行回灌保护。

降水及回灌措施作为辅助措施，宜根据现场监测结果信息化施工。

4.2 小净距隧道数值分析

模型取小净距隧道断面实际几何尺寸，隧道埋深35m，单洞开挖宽度16.6m。模型选取地层范围较广，在应力影响范围外，模型底部采用固定铰支座，两侧受到法向约束而采用水平连杆支座，顶面地表为自由面，符合地层的边界约束条件。岩土体选用莫尔-库伦本构模型，隧道结构为钢筋混凝土结构，初支、临时中隔墙、中隔板采用梁单元[12]模拟，符合隧道结构的受力条件。

围岩压力释放比例按开挖施工40%，初支施工60%；注浆加固区参数按初始围岩等级提高一级考虑，即按Ⅳ级围岩参数计算；超前支护管棚及超前小导管加固，在数值计算中采取提高洞周一定范围内围岩参数的方法进行模拟。有限元计算模型如图7所示，模型参数如表2所示。

图7 小净距隧道有限元计算模型

表2 模型参数

4.2.1隧道初支内力位移分析

计算结果显示，右线隧道(先行洞)开挖并完成初支施工后，初支最大弯矩发生在左侧临时中隔墙与拱底交接处，最大值354kN·m；初支最大位移发生在右侧拱腰附近，最大值为51mm；拱顶位移仅15mm，说明超前支护形成的拱圈，对拱顶拱肩处围岩及初支的变形起到了很好的控制作用。

左线隧道(后行洞)开挖并完成初支施工后，初支最大弯矩发生在左线隧道左侧临时中隔墙与拱底交接处，最大值399kN·m；初支最大位移仍发生在右线隧道右侧拱腰附近，最大值为59mm；应力重分布后拱顶位移有所降低。

4.2.2隧道围岩应力分析

分别提取隧道施工各阶段中夹岩上、中、下部3个点的Mises应力值，对各开挖分步过程的中夹岩应力变化进行分析。

右线隧道分6步开挖并初支闭合后，左右线隧道之间岩体的Mises应力值为上672kPa、中975kPa、下2 132kPa；左线隧道分6步开挖并初支闭合后，左右线隧道之间岩体的Mises应力值为上473kPa、中924kPa、下1 625kPa。

受超前支护加固的影响，隧道洞周塑性区主要分布在拱腰范围；左线隧道初支施工后，中夹岩受到左右线隧道初支结构的侧向约束，中夹岩区域应力值有所下降，塑性区面积相应减小[13]。

左右线隧道共24个施工步序(见图8)，围岩受到多次扰动，应力多次重分布：右线右上导洞开挖后，中夹岩应力达到最大，后续随右下导洞开挖支护，中夹岩应力明显下降；左线左上、右上导洞开挖支护过程，中夹岩应力值再次明显上升，做下导洞开挖支护后，应力值降低(见图9)。

图8 施工步序示意

图9 中夹岩应力变化曲线

左右线施工过程中，中夹岩应力整体呈上升→下降→稳定的台阶式变化曲线。靠近中夹岩侧的上导洞13步序施工，对中夹岩应力影响较为明显，因此施工中应尽快进行初支支护。靠近中夹岩侧的下导洞17步序施工，中夹岩应力呈下降趋势。

建议在中夹岩范围内设置对拉锚杆，可降低中夹岩的应力值及塑性区分布范围。对拉锚杆采用L=3.5m，φ25螺纹钢，环向间距800mm，纵向间距与格栅钢架间距一致，为500mm。锚杆两端与格栅钢架做好连接。

5 结语

1)基岩裂隙水在不同岩性接触带地段，水量较丰富，具承压性，多个含水层之间存在一定的水力联系。该工程采取了地面注浆加固和洞内全断面注浆加固相结合，同时采取了降水井及回灌井的辅助措施，可有效控制地下水的水量及流动速率，确保隧道施工安全可控。

2)为解决岩性接触带小净距隧道施工引起中夹岩的围岩应力多次重分布等影响，采取了数值模拟分析，经过分析，左右线施工过程中，中夹岩应力整体呈上升、下降再趋于稳定的变化过程。靠近中夹岩侧的上导洞施工，对中夹岩应力影响较为明显。初支开挖过程中，两侧隧道的变形及位移计算结果均可满足要求。

3)可采取对拉锚杆等辅助措施降低影响，同时保证右侧隧道完成初支开挖及二衬施工后，方可进行左侧隧道开挖。