小净距平行叠落矿山法隧道设计与施工技术研究

贾 霄，冯 欣，郑 杰，夏瑞萌，赵伶杰

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

1 研究背景

近年来，在城市的繁华地段或老旧城区修建地铁时，常受到既有建构筑物间距过小的限制，隧道间净距变得越来越小，甚至出现区间平面重合、竖向平行叠落的隧道。对于小净距的水平平行隧道，研究成果已较为完善，施工经验也趋于成熟。但是，针对平行叠落的矿山法隧道的研究较少，因为国内外已建成的多孔叠落隧道大多采用盾构法或明挖法施工，采用矿山法施工的实例较为罕见[1]。目前已开展系统性研究的主要有：日本根据实际工程经验及研究成果，于上世纪80年代出版了《近接施工的设计指南》，按结构物间的位置关系来划分相互影响范围；我国西南交通大学等单位基于深圳地铁老街—大剧院区间，制定了针对矿山法施工的叠落隧道近接度标准。

基于在建的北京地铁19号线工程，笔者开展了平行叠落矿山法隧道的相关技术研究，力求为该类工程的设计和施工提供技术支持，也为将来制定规范、标准等指导性文件提供一定的理论和实践依据。

2 工程概况

北京地铁19号线金融街站—平安里站区间(简称“金—平区间”)与3号线阜成门站—平安里站区间叠落段，位于西城区赵登禹路。赵登禹路宽21～30 m，两侧建构筑物密集，且存在文物保护院落，保护等级要求高。该段区间线路在平面范围内重叠，如图1所示。

图1 区间叠落段平面Figure 1 Site plan of the overlapped tunnels

受老城区内场地条件限制，区间两端的4座车站均不具备明挖条件，且金融街站、平安里站均无盾构施工条件，盾构过站方案则受工期制约，故19号线区间采用矿山法施工。目前3号线西段尚处于前期规划阶段，线站位及施工方案尚未确定，需考虑预留远期矿山法的实施条件。综上，本段隧道采用上下叠落的4孔矿山法隧道平行敷设的方案，叠落段长约780 m。

19号线金—平区间受平安里站(地下 2层站)埋深、已运营地铁6号线区间隧道的制约，无条件加大线路埋深，形成19号线隧道在上，3号线隧道在下的布置形式，如图2所示。地下水埋深22.60～26.80 m，为尽可能减小下部隧道的入水深度，隧道间最小竖向净距按2.0 m控制。19号线区间隧道开挖范围内主要为卵石⑤层，3号线区间隧道主要穿越卵石⑦层、粉质黏土⑧层，最大入水深度约5 m。

图2 叠落隧道地质剖面Figure 2 Geological section of overlapped tunnels

3 调研结果

3.1 日本研究成果

根据在地下工程修建过程中的经验和教训，日本于1987年内部出版了《近接施工的设计指南》，指出不同隧道结构间的相互影响按结构物间的位置关系进行分类，相互影响范围可分为3个区域，即无影响区、要注意的影响区和必须采取措施的影响区，如图3所示[2]。在必须采取措施的影响区内修建隧道时，应根据隧道的位移、变形影响程度，采取相应的施工技术措施，并进行全过程施工监测。

图3 接近度的划分Figure 3 Partition of the neighboring extent

不同的相互影响范围对应采取不同的措施，分为以下3种。

1) 针对先建隧道的措施：增加衬砌的整体刚度及承载能力，衬砌背后回填注浆等。

2) 针对后建隧道的措施：通过改变开挖方式、优化分部尺寸、改变支护结构及衬砌形式等，控制开挖引起的围岩变形。

3) 针对中间地层的措施：通过注浆、冻结等手段，强化、改良地层；通过施作管棚等，隔断影响。

3.2 国内研究成果

西南交通大学等单位依托深圳地铁一期工程的老街—大剧院区间叠落隧道工程，开展了一系列研究，针对矿山法施工的叠落隧道工程，制定了两隧道的近接度标准(见表1)[3]，两隧道的位置分布如图4所示。

表1 近接度标准Table 1 Standard of the neighboring extent

图4 两隧道的位置分布Figure 4 Location distribution of the bored tunnel

根据该近接度标准，将叠落隧道分为3个区域：强影响区、弱影响区和无影响区(见图5)。进行支护结构设计时，强影响区的支护参数加强两级，弱影响区的支护参数加强一级，无影响区按一般隧道设计。

图5 叠落隧道近接分区Figure 5 Neighboring extent of the overlapped tunnel

3.3 国内工程案例

对国内部分已建成的平行叠落矿山法隧道进行调研，如表2所示。

表2 矿山法叠落隧道工程汇总Table 2 Statistics for overlapped tunnels built by the mining method

3.4 工程借鉴意义

调研结果表明：在地质较好的地层中修建地铁区间隧道，采用上下平行叠落的方案是完全可行的。通过采取一定的工程措施，能保证叠落隧道上下洞结构的安全，对环境造成的影响可控制在允许范围之内(见图6)。设计、施工时可借鉴同类工程，采用以下对策：

图6 叠落隧道断面Figure 6 Sections of the overlapped tunnels

1) 选择合理的开挖顺序至关重要，已有学者开展了深入研究[13]。在调研的工程案例中，大多数叠落隧道工程采取“先下洞后上洞”的开挖顺序，仅重庆6号线光电园站大跨区间、大龙山站—花卉园站区间采用“先上洞后下洞”的开挖顺序。无论采取何种开挖顺序，通过采取相应的施工技术措施，均能保证工程的安全实施。

2) 先建隧道的初支可按一般隧道进行设计，二衬结构予以加强。

3) 对隧道周围的土层进行加固，重点加固隧道间所夹土体。

4) 提高后建隧道的支护等级，保证施工过程无水作业，适当加强二衬结构。

5) 施工过程管控要严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”的原则和方针。为尽量减小对先建隧道结构及中间所夹围岩的扰动，后建隧道施工要采用非爆破、微震动的开挖方式。

4 设计方案

4.1 设计参数及工程措施

如前所述，受复杂的环境条件制约，形成19号线隧道在上、3号线隧道在下的竖向布置。根据北京地铁的建设时序，19号线拟于2021年开通，3号线西段为远期线路。故本工程先施工19号线区间的两条单洞隧道，并为远期3号线的实施预留条件，隧道的设计参数如表3所示。

表3 隧道的设计参数Table 3 Design parameters of tunnels

叠落隧道初支最小竖向净距仅2.0m，远小于常规的2倍洞跨弱影响范围，属于“强影响区”。隧道间所夹土体为卵石，黏聚力小，自稳能力差，施工时极易发生塌落，所以必须采取加强措施，确保隧道间土体的稳定和工程安全。针对本工程特殊的结构形式及地层特点，采取的如下技术措施：

1) 针对上洞隧道的措施：隧道的初支结构，按普通单线隧道进行设计；二衬厚度加大，提高整体刚度，采用平底直墙拱断面，提高自身的稳定性。

2) 超前加固措施：上洞隧道施工时，沿底部环向120°施作深孔注浆，加固隧道间的夹层土；沿下洞隧道初支轮廓线及地下水位以下的掌子面进行深孔注浆，形成止水帷幕，保证无水作业；在下洞隧道拱顶180°范围打设超前小导管，插入已加固的土体中。

3) 下洞隧道结构加强措施：下洞的初期支护等级提高两级，采用 CRD(交叉中隔壁法)开挖，尽可能减小分步开挖的断面尺寸，进而减少对上洞隧道的扰动；减小格栅钢架的间距并加大其厚度，设置纵向连接筋，提高整体的受力性能。

4) 施工过程的管理与控制：严格控制开挖进尺，下洞土体开挖后，初支及时封闭成环；在格栅拱脚处，打设锁脚锚管且用木块垫实，以防止钢架下沉；初支与围岩之间、二衬与初支之间，以密贴为原则进行填充注浆；建立完善的监控测量系统，及时反馈施工中的各项参数。

4.2 施工过程数值模拟

笔者采用有限元软件MADIS-GTS建立数值模型，对上下叠落4孔隧道施工过程的沉降变形及内力变化的规律进行研究[14-15]。

4.2.1 模型基本假定

1) 岩土材料采用摩尔-库仑准则计算，钢筋混凝土按弹性材料计算，土层的物理力学参数如表4所示。

表4 土层力学参数Table 4 Mechanical parameters of soil

2) 初支、二衬采用梁单元模拟，地层采用面单元模拟；注浆加固体采用弹性单元等效模拟，在相应的分析步骤中通过改变加固区域单元的材料属性来实现。

3) 不考虑隧道开挖对土体力学指标的影响，以及地下水渗流的影响。

4) 模型上表面自由，侧面及下表面约束法线方向的位移。

5) 为尽可能消除边界影响，模型左右及下部边界距离隧道均大于3倍洞径，上部取至地表；整个模型计算范围为80 m(宽)×60 m(高)，网格划分如图7所示。

图7 有限元计算模型Figure 7 The finite element model

6) 考虑地应力的释放为缓慢过程，开挖过程中土体应力分3个阶段释放，土体开挖阶段、施作初支阶段、施作二衬阶段的荷载释放系数分别取0.4、0.3和0.3。

模拟的施工工况为先开挖上洞隧道，再对下洞隧道的各导洞依次开挖支护。选取隧道周边的关键点进行位移分析，结果如表5所示。

表5 竖向位移计算结果Table 5 Results of vertical displacement mm

上洞隧道施工完成、沉降及变形稳定后，选取下洞隧道施工引起周围地层及上洞隧道结构变形的矢量图，如图8所示。

图8 土体位移矢量图Figure 8 Displacement vector of soil

4.2.2 计算结果分析

由计算结果可得如下规律：

1) 上洞隧道施工完成后，地表沉降、拱顶沉降及拱底隆起量分别为10.1、18.3、25.3 mm，满足变形要求。下洞隧道开挖时造成了上洞隧道结构的整体下沉，地表沉降增加2.1 mm，上洞拱顶下沉2.4 mm，拱底下沉2.7 mm。

2) 随着下洞隧道的开挖，上下洞之间的土体受到扰动，向开挖方向发生明显位移，上洞隧道的结构随之下沉。

在开挖过程中，上洞左线隧道的二衬环向弯矩和环向轴力分别如图9、10所示；环向弯矩MZ以内侧受拉为正，外侧受压为负，轴力以受拉为正，受压为负。

图9 上洞左线隧道衬砌环向弯矩的变化Figure 9 The moment of upper tunnel lining on the left

图10 上洞左线隧道衬砌环向轴力的变化Figure 10 The axial force of upper tunnel lining on the left

由计算结果可知：下洞开挖造成了一定的卸载作用，引起上洞结构所受的土压力重分布。环向弯矩呈拱顶减小、底板增大的趋势，且弯矩图明显偏转，增幅最大处位于右拱脚，达92 kN·m，右拱肩处弯矩减小最显著，为49 kN·m。从轴力变化情况来看，右线隧道开挖时，左线隧道的右半断面的轴力明显增大；下洞隧道开挖时，上洞隧道整个断面轴力均减小，该过程对上洞左线隧道的右拱脚影响最大。就整体的受力情况而言，先修的隧道结构是安全的。

5 结语

1) 对于采用矿山法施工的城市地铁平行叠落隧道，可采用已有的矿山法隧道近接度标准对其进行分区划分，确定不同的支护等级。

2) 在地质条件较好的情况下，上下平行叠落隧道的方案是可行的。根据现阶段国内地铁的运营经验，当轨道的沉降不大于3.0 mm时，可保证运营不受影响。根据笔者的调研及分析结果，对于小净距的叠落隧道，可借鉴同类工程的做法，采取针对性措施，以保证隧道结构及运营期间的安全。

3) 对于叠落矿山法隧道，后建的下洞隧道开挖掘进过程对先建的上洞隧道影响显著。必须采取针对性的加强措施：一是先修的上洞隧道应预留结构加强条件，以保证后修隧道穿越时的受力及稳定性；二是对后修隧道周边的土层应进行必要的超前加固。隧道间所夹的土层稳定性差，极易因多次扰动成为薄弱环节，是加固的重点区域；三是后建隧道的支护等级应提高，并采取分步开挖的方式，减小施工过程的扰动。

4) 后建隧道开挖对上洞隧道起着卸载的作用，隧道间所夹土体压力被部分释放，易造成上洞隧道结构的整体下沉。施工中应特别注意该土层的状态，防止过多扰动发生拱顶塌落，影响上洞结构安全。同时，先建隧道结构所受的土压力重分布，横断面设计时应注意不同开挖阶段的内力变化。