邻近既有线新云居山隧道群施工设计

李树鹏

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430061

随着隧道修建数量不断增加，受地理环境、地形条件、铁路线路规划等因素限制，隧道群工程愈发常见［1-5］。新建小净距隧道间相互影响、新建隧道开挖对既有线的影响均不可忽视，采用合理设计方案降低不利影响至关重要［6］。目前对地下近接工程的研究集中于围岩加固、影响段加强措施［7-9］。本文以福州市新云居山隧道群为工程背景，针对直立边坡条件下特大断面隧道与两侧隧道并行进洞、新建隧道小净距上跨既有隧道、新建隧道群小净距立体交叉施工等难题提出解决方案。

1 工程概况

1.1 线路情况

新建福厦铁路（福州—厦门）位于福建省沿海地区，由福厦铁路正线、福州南动走1 线和动走2 线三条线路组成，设计时速350 km。在既有杭深铁路福州南—福清区间并行建设福厦铁路。该铁路穿越云居山共修建五座隧道，见图1。新云居山隧道（双线，长1 669.82 m）位于福厦铁路正线上。新云居山1#隧道（单线，长619.24 m，简称1#隧道）、新云居山2#隧道（单线，长580.77 m，简称2#隧道）、新云居山4#隧道（双线，长219.19 m，简称4#隧道）位于福州南动走2 线上，新云居山3#隧道（单线，长1 421.27 m，简称3#隧道）位于福州南动走1线上。

图1 线路平面

新云居山隧道进口处（DK3+308.18）与1#隧道、3#隧道最小线间距分别为17.7、15.3 m，且进口处为高路堑直立边坡。该隧道在DK3+960 —DK4+080 段上跨既有清凉山双线大跨公路隧道，线路平面交角62°；在DK4+430 —DK4+470段下穿3#隧道，平面交角23°，最小净距4.53 m。新建隧道群关系复杂。

1.2 地形地质条件

隧址区属剥蚀丘陵区，丘间冲沟较发育，地势起伏较大，自然坡度20°～ 45°。植被发育，灌木杂草丛生。

隧道穿越地层以第四系残坡积粉质黏土和侏罗系上统南园组凝灰岩为主。粉质黏土层含有大量植物根系及腐殖质，局部地段含15%～ 35%的碎石，厚1.0～ 4.0 m。凝灰岩分为全风化、强风化和弱风化三种。根据风化程度将围岩级别分为Ⅳ～Ⅴ级。根据地质勘探报告，结合TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》确定隧道围岩物理力学参数，见表1。

表1 围岩物理力学参数

1.3 水文地质条件

隧址区地表水主要以地表洼地汇水为主。地下水类型主要为基岩裂隙水和构造裂隙水。受大气降雨影响较大，局部浅埋段直接受附近地表溪流短距离补给。

2 新云居山隧道与两侧动走线1#隧道、3#隧道进洞并行段施工设计

2.1 设计方案

新云居山隧道、1#隧道、3#隧道的进口位于既有福州南动车所咽喉区高路堑边坡直立面上。新云居山隧道进口断面为256 m2，属于特大断面。其左侧为3#隧道，右侧为1#隧道。位置关系和锚固桩布置见图2。

图2 新云居山隧道、1#隧道、3#隧道进口位置关系及锚固桩布置示意（单位：cm）

新云居山隧道、1#隧道、3#隧道的进口边坡设置7 根锚固桩加固。1 号锚固桩截面为2.00 m × 2.25 m，桩长16 m；2 号—7 号锚固桩截面为2.50 m × 2.50 m，2 号、3 号、6 号和7 号桩长均为20 m，4 号和5号桩长均为24 m。锚固桩采用C35 钢筋混凝土，桩间直立面采用喷锚网防护，喷层采用厚10 cm 的C25 钢筋网喷射混凝土。桩间直立面的锚杆采用长4 m、间距1.5 m ×1.5 m 的ϕ22 砂浆锚杆，梅花形布置。新云居山隧道采用加强型衬砌。初期支护：钢架为I22b，间距为0.5 m；锚杆长4.5 m，间距为1.0 m（环向）× 0.8 m（纵向）；喷层采用厚30 cm 的C25 钢筋网喷射混凝土。二次衬砌为厚75 cm的C35钢筋混凝土。

2.2 进洞并行段施工数值模拟

考虑到小净距隧道群并行施工相互影响较大，通过数值模拟进行分析。计算模型见图3。模型底部及四周采用法向位移约束，顶部为自由面。进洞并行段围岩级别为Ⅴ级，采用Mohr-Coulomb 本构模型模拟。围岩计算参数参见表1。初期支护采用弹性本构模型模拟。后续计算分析围岩和支护结构采用的本构模型与本节一致。

图3 进洞并行段计算模型（单位：m）

新云居山隧道采用三台阶临时仰拱法开挖，两侧1#隧道、3#隧道采用两台阶法开挖。先开挖1#隧道，然后开挖新云居山隧道，最后开挖3#隧道。

隧道开挖支护后围岩位移见图4。可知：最大整体位移出现在新云居山隧道拱顶，其值约6.3 mm；地表最大位移约4.6 mm。这说明隧道群设计净距、隧道开挖方法对围岩位移影响较小。

图4 隧道开挖完成后围岩位移（单位：m）

新云居山隧道支护结构所受应力见表2。其中，应力受拉为正，受压为负。监测断面A、B、C 位置参见图3。

表2 新云居山隧道支护结构所受应力 MPa

由表2 可知：断面A 和B 均是仰拱拉应力最大，其值分别约1.95、1.38 MPa；断面C 拱顶拉应力最大，其值为0.41 MPa。各部位所受拉应力均小于TB 10003—2016抗拉极限强度2.0 MPa，满足要求。

3 新云居山隧道小净距上跨既有清凉山隧道施工设计

3.1 施工参数

新云居山隧道上跨既有清凉山隧道影响段长90 m，隧道开挖跨度13.8 m，开挖高度12.3 m。新云居山隧道按Ⅴ级围岩偏压设计，采用ϕ89长管棚+ϕ42超前小导管预支护，采用三台阶临时仰拱法施工。初期支护：钢架为I20a，间距0.6 m；锚杆长3.5 m，间距为1.0 m × 1.0 m；喷层采用厚27 cm 的C25钢筋网喷射混凝土。二次衬砌为厚55 cm的C35钢筋混凝土。

新云居山隧道与既有清凉山隧道右洞的最小净距仅1.78 m，与左洞的最小净距为2.05 m。隧道净距小于1.5D（D为新建隧道外径13.8 m），属于强影响［10］，须要采取措施。根据工程实际情况，对既有清凉山隧道影响段采取拆除原有衬砌、重新施作加强型衬砌的措施。超前支护采用环向间距40 cm、长10 m的ϕ89 管棚。初期支护：边墙采用长度4.5 m、间距1.2 m × 1.2 m 的中空注浆锚杆；钢架采用HW175 型钢，间距0.6 m；喷层采用厚28 cm 的C25 钢筋网喷射混凝土。二次衬砌采用厚70 cm的C30钢筋混凝土。

3.2 施工方法

按右下→上→左下的顺序施工。先拆换下部既有清凉山隧道右洞影响段的初期支护和二次衬砌，扩挖至加强型衬砌的设计轮廓，施作加强型衬砌；待加强型衬砌的混凝土强度达到设计强度后再对上部新云居山隧道进行开挖，施作初期支护、仰拱和二次衬砌。等监控量测数据无异常后，再按同样方法对下部既有清凉山隧道左洞影响段进行拆换施工。

3.3 既有隧道衬砌结构加强效果数值模拟分析

既有清凉山隧道衬砌结构加强前是初期支护厚10 cm，二次衬砌厚40 cm；加强后初期支护厚28 cm，二次衬砌厚70 cm。按照加强型衬砌设计参数建立数值计算模型，见图5。模型尺寸为200 m（长）× 154 m（宽）× 135 m（高）。模型约束条件同2.2 节。围岩级别为Ⅴ级。相关参数的取值参见表1。

图5 上跨影响段计算模型

上部新云居山隧道开挖过程中既有清凉山隧道衬砌结构加强前后拱顶位移对比见图6。可知：①加强前后立交断面附近z方向位移均比x和y方向明显；既有隧道向上隆起，且距立交断面越近，隆起量越大。②加强前后，既有隧道右洞最大隆起量分别为2.54、0.57 mm，加强后降低了77.56%；既有隧道左洞最大隆起量分别为2.69、1.39 mm，加强后降低了48.33%。这说明对既有隧道衬砌采取拆换加强措施明显减小了隧道隆起量，有效降低了结构开裂风险。

图6 既有清凉山隧道衬砌结构加强前后拱顶位移对比

4 新云居山隧道与3#隧道小净距立体交叉段先上后下施工设计

4.1 设计技术参数

新云居山隧道与3#隧道立体交叉段最小净距4.53 m，其相对位置如图7所示。

图7 立体交叉段两隧道相对位置示意（单位：cm）

3#隧道初期支护：喷射混凝土厚10 cm，拱部打设ϕ25 中空注浆锚杆，边墙打设ϕ22 砂浆锚杆。两种锚杆长均为2.5 m，间距均为1.2 m × 1.2 m，梅花形布置。二次衬砌采用厚30 cm的C30素混凝土。

新云居山隧道超前支护采用ϕ89 管棚+ϕ42 超前小导管预支护。初期支护：钢架采用I20 型钢，间距0.6 m；喷层采用27 cm 厚网喷混凝土。二次衬砌采用厚75 cm的C35钢筋混凝土。

考虑到立体交叉段开挖顺序为先上后下，3#隧道施工进度远快于新云居山隧道，3#隧道及中夹岩采用加强型技术参数。即全环增设I16型钢钢架，间距0.8 m；仰拱钢架采用ϕ25、间距50 cm 的钢筋通长连接；中夹岩垂向打设长5 m 砂浆锚杆，间距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置；锚杆与仰拱钢架焊接，锚杆钻孔直径不小于60 mm，插入锚杆前向锚杆孔内灌注M30水泥砂浆。

4.2 立体交叉段先上后下施工数值模拟

为验证先上后下开挖时3#隧道及中夹岩所采用加强型技术参数的可行性，建立三维数值模型（图8）进行计算分析。模型约束条件同2.2 节，围岩级别为Ⅳ级。相关参数取值参见表1。上部3#隧道采用两台阶法开挖，下部新云居山隧道采用三台阶法开挖。

图8 立体交叉段三维数值模型

模拟工况分为两种。工况1：3#隧道初期支护按照原设计（无钢架），中夹岩不设垂直砂浆锚杆；工况2：采用加强型技术参数对3#隧道初期支护进行加强，且采用垂直砂浆锚杆对中夹岩进行加强。

不同工况下两隧道开挖完成后z方向的最大位移对比见表3。可知：先上后下施工，工况1、工况2 两隧道位移差分别为2.305、1.378 mm，工况2 比工况1 位移差降低了40.22%，说明采用加强型技术参数能够明显降低施工对围岩的扰动。

表3 不同工况下两隧道开挖完成后z方向最大位移对比

5 现场监测

现场施工过程中对关键点进行了监测，分别在三条隧道进洞并行段的地表布设11个位移监测点，在上跨影响段既有清凉山隧道YK3+506 断面的拱顶、拱腰、边墙以及仰拱共布设8个结构受力监测点，在立体交叉段3#隧道的FZNDZ1DK1+313 和FZNDZ1DK1+318 断面的拱顶、拱腰、拱脚、边墙以及仰拱共布设16个结构受力监测点。

监测结果最大值统计见表4。其中，受拉为正，受压为负。可知：各监测部位最大位移仅为6.3 mm；钢架均受压，最大应力为58.7 MPa，小于钢材屈服强度235 MPa；混凝土最大拉应力为1.5 MPa，小于TB 10003—2016 规定的极限强度2.0 MPa。这表明新云居山隧道与两侧动走线隧道直立边坡进口并行段地表、上跨影响段衬砌加强后的清凉山隧道和立体交叉段3#隧道位移均较小，结构受力状态良好，提出的设计参数和施工方法合理可靠。

表4 监测结果最大值统计

6 结语

本文依托新云居山隧道群，提出新云居山隧道与两侧动走线隧道直立边坡进洞并行段、新云居山隧道小净距上跨既有清凉山隧道影响段、新云居山隧道与3#隧道小净距立体交叉段先上后下施工设计方案。采用数值模拟方法对各方案进行分析，得到进口并行段设计参数和开挖方法对围岩位移影响较小，上跨影响段既有清凉山隧道采用加强型衬砌明显减小了隧道隆起量，降低了结构开裂风险，立体交叉段3#隧道采用加强型技术参数能够明显降低施工对围岩的扰动。

目前本设计方案已在依托工程中应用，现场监测结果表明设计参数和施工方法合理可靠。