上下層小凈距重疊隧道復(fù)合仰拱支護(hù)工法研究

曹林衛(wèi),曠文濤,楊 寶,劉保林

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,重慶 400023)

受工程條件制約，上下層重疊鐵路工程在交通建設(shè)中越來越頻繁的出現(xiàn)。新建鐵路重慶樞紐東環(huán)線工程明月峽長江大橋考慮上層預(yù)留時速250 km雙線高鐵通道，與東環(huán)線上下層布置。為避免預(yù)留工程滯后施工困難和對下層隧道運(yùn)營的不利影響，明月峽長江大橋及其兩端各約400 m范圍納入東環(huán)線工程同步實(shí)施，兩端預(yù)留高鐵隧道為雞公咀隧道(預(yù)留373 m)和芭蕉溝隧道(預(yù)留441 m)，其中上下層重疊隧道內(nèi)軌頂面最小距離為14 m，結(jié)構(gòu)凈距約2.5 m；全隧淺埋，洞身以泥巖夾砂巖為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，質(zhì)軟易風(fēng)化，遇水易軟化、崩解；地下水不發(fā)育，出水形式以滴水、小股狀出水為主。雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置詳見圖1，該重疊隧道為東環(huán)線控制性工程。

目前國內(nèi)外對于上下重疊隧道已經(jīng)開展了大量的研究工作，其研究方向主要集中在小凈距重疊隧道近接施工影響分區(qū)[1-5]、施工力學(xué)行為分析[6-8]、施工控制技術(shù)[9-10]及施工順序[11-16]等方面，其中對于重疊隧道施工順序的研究結(jié)論則主要為“先下后上”。但相關(guān)工程案例中，上層隧道均在下層隧道二襯達(dá)到強(qiáng)度后再施作，由于上層隧道施工對下層隧道的影響較大，因此為確保施工安全，下部隧道二襯通常需要進(jìn)行特殊加強(qiáng)，且上層隧道必須待下層隧道二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再掘進(jìn)。該施工方法的主要缺點(diǎn)為：下層隧道二襯后進(jìn)行上層隧道開挖，會使得下層隧道需承擔(dān)圍巖擾動的形變壓力及施工荷載，結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行特殊加強(qiáng)，并且工期較長，另外為減少上層隧道施工對下層隧道二襯的影響，上層隧道需要采用非爆或控爆措施，導(dǎo)致工程投資較大。

為滿足重慶樞紐東環(huán)線雞公咀、芭蕉溝上下層小凈距重疊隧道工程進(jìn)度與投資的要求，在充分保障上下層隧道施工安全的前提下，提出一種更加高效、經(jīng)濟(jì)的施工方法，即復(fù)合仰拱支護(hù)工法，并采用數(shù)值方法對其適用性展開討論。雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置示意見圖1。

圖1 雞公咀、芭蕉溝重疊隧道工程平面位置示意

1 工法技術(shù)要點(diǎn)

對于上下層均為新建的小凈距重疊隧道，為減小上下層隧道施工的相互干擾，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)適宜的原則，根據(jù)單洞隧道臺階仰拱工法原理，將上下層小凈距隧道視為整體，通過構(gòu)造措施將上層隧道仰拱初支、下層隧道拱部初支連接成為受力整體，作為施工上下層小凈距重疊隧道的復(fù)合仰拱。由上層隧道初期支護(hù)、型鋼鎖腳、型鋼豎撐、夾巖、下層隧道首層初期支護(hù)、自進(jìn)式錨桿及上下層隧道之間夾巖組成了“復(fù)合仰拱”。在復(fù)合仰拱的支撐下，先后完成下部隧道、上部隧道開挖及支護(hù)，最后上下層隧道同步施作二襯，該工法稱為“復(fù)合仰拱支護(hù)法”。

工法技術(shù)要點(diǎn)概括如下。

(1)通過復(fù)合仰拱，使上下層隧道形成受力整體，既增強(qiáng)了整個重疊隧道支護(hù)體系的穩(wěn)定性，也能更有效地傳遞上層荷載。

(2)下層隧道雙層支護(hù)實(shí)現(xiàn)了完全承載、安全施工、上下層隧道同步施作二次襯砌的目的，同時相較于二次襯砌，噴射型鋼混凝土支護(hù)能夠快速形成承載能力，對于工效的提高、工程進(jìn)度的加快都具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

(3)由于上下層隧道進(jìn)行爆破開挖時，二襯均未施作，上下層隧道施工不需針對既有結(jié)構(gòu)采用控爆、非爆等特殊開挖方式。

(4)隧道二襯施作時，上下層均已完成開挖，避免了二襯承受圍巖擾動引起的附加形變壓力，上下層隧道二襯不需要采取針對性的特殊加強(qiáng)措施，對降低工程投資有積極作用。

2 施工工序(圖2、圖3)

圖2 復(fù)合仰拱支護(hù)法施工工序橫斷面

圖3 復(fù)合仰拱支護(hù)法施工工序縱斷面

復(fù)合仰拱支護(hù)法施工順序主要包括以下工序。

(1)開挖下層隧道，下層隧道拱部豎向打入型鋼豎撐，施作下層隧道初期支護(hù)，型鋼豎撐穿入圍巖且與下層拱部型鋼鋼架焊接連接；在下層拱部型鋼鋼架兩側(cè)施作自進(jìn)式錨桿。

(2)下層隧道初期支護(hù)施作完成后，在下層隧道初期支護(hù)內(nèi)實(shí)施第二層全環(huán)初期支護(hù)。

(3)開挖上層隧道，施作上層隧道初期支護(hù)，上層隧道仰拱鋼架與豎向型鋼鋼架豎撐的另一端焊接在一起；同時于上層隧道仰拱鋼架兩側(cè)施作鎖腳型鋼鋼架。

(4)上下層隧道在復(fù)合式臺階仰拱支撐下并行掘進(jìn)，待隧道沉降穩(wěn)定后，同時施作上層隧道初期支護(hù)內(nèi)二襯及下層隧道雙層支護(hù)內(nèi)二襯。

施工注意事項(xiàng)如下。

(1)復(fù)合仰拱支護(hù)法強(qiáng)調(diào)上下層隧道型鋼鋼架的整體連接，因此實(shí)際施工中應(yīng)做好鋼架位置的定位復(fù)測，保證鋼架焊接的施工質(zhì)量。

(2)上層隧道開始施工時，下層隧道還未施作二襯，考慮到上層隧道施工附加荷載等不利因素的影響，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對上下層隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，及時反饋設(shè)計(jì)，調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)重疊隧道采用復(fù)合仰拱支護(hù)法時，理論上可以采用爆破開挖，但實(shí)際施工條件復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)爆破振速監(jiān)測，結(jié)合現(xiàn)場情況及時調(diào)整開挖方式。

3 安全分析

復(fù)合仰拱支護(hù)法強(qiáng)調(diào)上下層小凈距隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，并應(yīng)重點(diǎn)考慮施工期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。以重慶鐵路樞紐東環(huán)線雞公咀、芭蕉溝小凈距重疊隧道為工程依托，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示，分析隧道支護(hù)位移、安全程度及夾巖力學(xué)特性。

圖4 重疊隧道數(shù)值分析模型

上下層隧道系統(tǒng)錨桿參數(shù)為：拱部A25中空注漿錨桿，邊墻C22砂漿錨桿，長度4 m，環(huán)縱間距為1.2 m×1.0 m；下層?xùn)|環(huán)線隧道取消拱部系統(tǒng)錨桿，首層拱部鋼架拱腳位置每側(cè)設(shè)置2根A32中空注漿自進(jìn)式錨桿，長度6 m；雙層支護(hù)均采用I20b鋼架、27 cm厚噴射混凝土，首層支護(hù)拱墻設(shè)置，第二層支護(hù)全環(huán)設(shè)置；上層預(yù)留高鐵隧道初支采用I22b鋼架、28 cm厚噴射混凝土；鎖腳型鋼與型鋼豎撐均采用I20b，縱向間距與上下層隧道支護(hù)鋼架間距一致，均為0.6 m。

3.1 隧道位移分析

隧道初期支護(hù)位移最為直接地反映了支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性。通過對上下層隧道支護(hù)特征點(diǎn)變形的全過程監(jiān)測，根據(jù)上下層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形最不利工況繪制隧道初期支護(hù)的收斂變形包絡(luò)圖，如圖5、圖6所示。

圖5 上層隧道支護(hù)收斂變形包絡(luò)圖(單位：mm)

圖6 下層隧道支護(hù)收斂變形包絡(luò)圖(單位：mm)

結(jié)合圖5～圖6所示的變形結(jié)果，可以計(jì)算得到上下層隧道初支的相對位移值，并參考Q/R 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》中支護(hù)相對位移確定基準(zhǔn)值，對比結(jié)果統(tǒng)計(jì)于表1。從表1可以看到，上下層隧道初支的相對位移值均滿足規(guī)范要求。

表1 隧道初期支護(hù)相對位移

3.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

小凈距重疊隧道采用復(fù)合仰拱支護(hù)法施工時，上下層隧道的承載主體是型鋼噴射混凝土支護(hù)，依據(jù)《型鋼混凝土組合技術(shù)規(guī)程》對其正截面承載能力進(jìn)行檢算[17-18]，檢算結(jié)果如表2所示。

表2 上下層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)安全系數(shù)

從支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力來看，上下層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)以承載軸向壓力為主，上層隧道初期支護(hù)最大彎矩出現(xiàn)在仰拱處，下層隧道雙層支護(hù)拱頂位置彎矩最大，這是型鋼豎撐與上下層隧道加強(qiáng)支護(hù)剛性連接所引起的。從支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性來看，上下層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)安全系數(shù)均大于1，且最小值為1.35。因此從數(shù)值計(jì)算的角度看，上下層隧道支護(hù)體系能夠滿足基本承載能力要求，且具有一定的安全儲備。

3.3 重疊隧道間夾巖力學(xué)狀態(tài)分析

在上下層隧道反復(fù)的施工擾動下，重疊隧道間夾巖應(yīng)力狀態(tài)變化過程變得十分復(fù)雜，而夾巖作為復(fù)合式臺階仰拱承載體系中重要的一環(huán)，其力學(xué)特性直接影響著隧道的穩(wěn)定性。因此在數(shù)值計(jì)算時對夾巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測斷面為y=20 m，測點(diǎn)布置見圖7。

圖7 重疊隧道間夾巖單元

本次數(shù)值模擬中巖土材料服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，材料達(dá)到破壞條件時的表達(dá)式為[19-20]：

(3)

p=(σ1+σ2+σ3)/3

(4)

(5)

通過對上下層隧道施工全過程夾巖單元的應(yīng)力監(jiān)測，獲取各夾巖單元屈服函數(shù)值達(dá)到最大F2時的應(yīng)力情況，并與初始應(yīng)力狀態(tài)F1進(jìn)行對比，詳見表3。

表3 施工前后夾巖單元屈服函數(shù)值對比

從表3可見，在施工過程中，各監(jiān)測夾巖單元屈服函數(shù)最大值F2<0，依據(jù)屈服條件判定夾巖單元均未達(dá)到屈服狀態(tài)，但相較于初始應(yīng)力狀態(tài)，夾巖單元屈服函數(shù)值更大，更接近屈服狀態(tài)。因此，復(fù)合仰拱一定程度上改善了夾巖的受力狀態(tài)，更有利于維持隧道的整體穩(wěn)定，但從實(shí)際施工角度看，下層隧道開挖后應(yīng)及時施作支護(hù)，并應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨管、鎖腳型鋼、型鋼豎撐連接等關(guān)鍵點(diǎn)的施工質(zhì)量管理。

4 結(jié)論

結(jié)合重慶鐵路樞紐東環(huán)線雞公咀、芭蕉溝隧道工程，提出一種適用于上下層小凈距重疊隧道工程的復(fù)合仰拱支護(hù)工法，并采用數(shù)值模擬對其安全性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)小凈距重疊隧道復(fù)合仰拱支護(hù)工法，通過特殊的連接構(gòu)造使得上下層隧道初期支護(hù)形成共同承載體，加強(qiáng)了隧道支護(hù)體系的整體性和穩(wěn)定性，改善了夾巖的受力條件；并于下層隧道采用雙層支護(hù)，在提高支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的同時實(shí)現(xiàn)了上下層隧道二襯同步施工，有效地縮短了工期、降低了投資。

(2)從數(shù)值分析的角度分析，上下層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的相對位移值能夠滿足規(guī)范要求，支護(hù)正截面承載能力具有一定的安全儲備。

(3)復(fù)合式臺階仰拱一定程度上改善了夾巖的受力條件，計(jì)算結(jié)果顯示夾巖在整個施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。但考慮到實(shí)際工程中地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，施工過程中應(yīng)結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果，適宜增加夾巖注漿加固的輔助措施。