复杂地质条件下单洞双层隧道修建技术研究

李 强

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 国内外研究现状

国外采用暗挖法修建单洞双层隧道并不多见，日本仅有一例一座单洞双层隧道，另外俄罗斯采用盾构法修建了双洞双层8车道隧道，日本在经历了大量地铁修建成功与失败的经验和教训后，通过总结形成了“近接施工的设计、施工指南”；国内整座隧道采用重叠结构还没有，但局部出现重叠的情况也有一些，如重庆轻轨区间隧道、福（州）厦（门）高速公路与泉（州）厦（门）高速公路的交叉点大坪山隧道为四隧道相交。但受地形、地质、周边构筑物等条件的影响，单洞双层隧道结构的选择是必然的，因此，开展单洞双层隧道修建技术的研究显得尤为重要。

2 研究工点概况

研究工点位于深圳地铁一期工程罗湖站至大剧院站，经金利华商业广场、地王大厦，区间隧道范围内上覆第四系全新统人工堆积层、海冲积层及第四系中更新统残积层，下覆基岩为燕山期花岗岩，基岩裂隙水较丰富，地下水主要来自布吉河河水补给，基底稳定，为V级围岩。地质情况见图1。

图1 地质纵断面图

3 数值模拟

3.1 支护参数

初期支护为30 cm厚C20网喷混凝土，全环格栅钢架、0.5 m／榀，φ22砂浆锚杆长 3 m、间距0.8 m×1.0 m，拱部长4 m的φ42超前小导管预支护、环向0.35m、纵向2.4 m一环，二次衬砌为50 cm厚C30钢筋混凝土［1-3］。具体见图2。

3.2 开挖工法

采用预留核心土五台阶分部开挖法，具体见图3。

图2 支护结构（单位：cm）

图3 开挖支护工法（单位：cm）

3.3 计算模型

采用有限元计算软件ANSYS9.0进行数值模拟分析，计算范围选取上部至地表、下部至隧道仰拱以下40 m、横向总宽70 m，左右有水平约束、下部有垂直约束、地表为自由边界，计算中，用平面四边形实体单元模拟围岩、初期支护和二次衬砌，用杆单元模拟锚杆，计算模型总单元数为6 347个，总节点数为6 350个［4-7］。材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

3.4 计算结果

（1）初期支护内力及安全性评价

初期支护内力及安全系数见表2。

表2 初期支护内力及安全系数

分析结果如下：

①初期支护最大轴力为5 071 kN，出现在拱顶；最大弯矩为332.6 kN·m，出现在隧底。

②初期支护未封闭成环之前，内力变化幅度不大，一旦封闭成环后，内力有较大幅度的增长，为有效控制围岩变形，应及时封闭初期支护。

③由于边墙上设置了临时支撑，初期支护的内力有较大改善，除个别点外，安全系数均大于1，应及时施作二次衬砌，确保施工安全。

（2）二次衬砌内力及安全性评价

二次衬砌最大轴力为4 918 kN（对应弯矩为302.1 kN·m），出现在隧底；最大弯矩为340.1 kN·m（对应轴力为434 kN），出现在上洞起拱线处；每延米配置8根φ22的受力钢筋，最小安全系数为2.03，二次衬砌是安全的。

（3）钢支撑内力（见表3）

表3 钢支撑轴力 kN

施工中钢支撑采用外径159 mm（壁厚10 mm）的钢管，纵向间距0.5 m，根据压杆稳定理论，单根横撑临界承载力为660 kN，完全采用钢管作横撑，将导致横撑失稳，为增加钢管稳定性，应在钢管中灌注高强度混凝土，并加强纵向、竖向及与初期支护的连接。

（4）锚杆轴力

从图4可以得出：从拱部向边墙方向，锚杆轴力依次呈递增趋势，且锚杆中部为轴力最大的部位，最大轴力为62 kN。根据现场试验及测试，锚杆的抗拉拔力不小于50 kN，仅个别锚杆轴力超过50 kN，锚杆能够起到控制围岩变形的作用，另一方面也证明取消拱部系统锚杆的合理性。

（5）洞周位移及地表沉降

从图5、图6可以得出：

①拱顶下沉随开挖施工的推进，呈递增趋势，但变化幅度较平缓，最大拱顶下沉为26.4 mm。

图4 锚杆轴力分布

图5 洞周位移、地表沉降变化曲线

图6 最终地表沉降曲线

②水平收敛随施工推进的变化幅度不大，基本在10 mm以内，说明：钢支撑和临时仰拱起到了控制变形的作用。

③地表沉降随开挖施工的推进，呈递增趋势，但变化幅度较平缓，最大地表沉降为12.7 mm；地表沉降槽沿隧道中心对称，两侧影响宽度不超过20 m。

4 试验研究

在研究范围内布置了3个洞周收敛断面、3个拱顶下沉断面、1个围岩接触压力断面；收敛测点布置在边墙中部，拱顶下沉测点布置在拱部中央，围岩接触压力布置在拱顶及拱顶两侧各2 m处［8］。测试结果及分析如下。

4.1 拱顶下沉

根据图7，分析结果如下：

图7 典型断面拱顶下沉曲线

（1）拱顶下沉曲线符合y＝aLnx+b，为一对数曲线，x为时间，y为拱顶下沉值。

（2）研究范围内拱顶最大下沉为20 mm，与数值计算的拱顶最大下沉26.4 mm相比，基本上吻合。

（3）拱顶下沉速度均在2 mm／d以内，随时间的推移，拱顶下沉逐渐趋于稳定。

（4）拱顶下沉量在开挖后30～40 d后趋于稳定。

4.2 水平收敛

根据图8，分析结果如下：

图8 典型断面水平收敛曲线

（1）水平收敛曲线符合y＝aLnx+b，为一对数曲线，x为时间，y为拱顶下沉值。

（2）研究范围内水平收敛最大值为5.5 mm，与数值模拟计算的8.1 mm基本吻合，采用图3的施工方法，可以有效地控制洞周围岩变形。

（3）收敛速度均在1 mm／d以内，随时间的推移，水平收敛逐渐趋于稳定，说明：施工方案和措施是合理的，施工过程也是安全的。

（4）水平收敛在开挖后20～30 d趋于稳定。

4.3 围岩接触压力

根据图9，分析结果如下：

图9 典型断面围岩接触压力曲线

（1）接触压力基本上呈上升趋势，符合对数曲线y＝aLnx+b，x为时间，y为接触压力值。

（2）最大接触压力为0.14 MPa，相当于8 m的土柱高度，围岩与初期支护的接触压力得到了有效的控制，可以保证开挖支护安全。

（3）洞室支护后20～30 d后，围岩与喷层间的接触应力基本趋于稳定。

5 施工过程控制

5.1 施工方法

遵循“先上后下、边挖边衬”的原则，施工前，首先对拱部进行超前小导管注浆预支护，然后采用多台阶五步开挖法，由上至下分部开挖、支护，台阶长度控制在3～5 m范围内，循环进尺控制在0.5～0.75 m，特殊地段开挖进尺为0.25 m，拱部采用弧形导坑预留核心土法开挖。对土层及软岩采用人工开挖，对中等风化、微风化基岩采用微差微振动控制爆破技术进行光面爆破或预裂爆破［9-12］。

5.2 技术措施

（1）锚杆

按图纸将锚杆孔准确定位后，采用YT-28凿岩机钻孔、清孔，并将安装好锚头的WTD25中空注浆锚杆插入锚孔，然后在锚杆尾端安装止浆塞、垫板和螺母，通过快速注浆接头将锚杆尾端和高压力注浆泵联接进行注浆，锚杆安装后端部应与钢拱架焊接在一起。

（2）钢拱架

钢拱架紧贴初喷混凝土面安装，在拱脚设置10 mm×400 mm的钢板作为钢架基础，并与锚杆焊成整体，当钢架和围岩之间间隙过大时，设置混凝土垫块。

（3）喷混凝土

喷射混凝土应分段、分片由下而上顺序进行，每段长度不超过6 m，一次喷射混凝土厚度控制在6～8 cm，后一层喷射在前层混凝土终凝后进行。

（4）二次衬砌

二次衬砌分4次浇筑，分别为下洞仰拱、下洞边墙及顶板、中隔板、上洞边墙及拱部，并紧跟掌子面。为防止二次衬砌与防水层之间形成空隙，沿拱顶预留压浆孔，3 m一个，压浆孔底部紧贴防水层，并在接触部位加设一层防水板，确保压浆孔不堵塞及不穿破防水层，二次衬砌浇筑28 d后，逐孔压注1∶1的水泥浆液，注浆压力控制在0.8～0.9 MPa。

6 结论

通过以上分析，可以得出：

（1）通过数值模拟计算得出：30 cm厚网喷混凝土（内嵌全环钢架、0.5 m／榀）初期支护是安全的，但应及时封闭成环，并设置必要的临时支护；50 cm厚C30钢筋混凝土（每延米配置8根φ22的受力钢筋）二次衬砌最小安全系数为2.03，能够保证隧道施工及运营安全；拱部向边墙方向，锚杆轴力依次呈递增趋势，且锚杆中部为轴力最大的部位；拱顶下沉、水平收敛、地表沉降未超过控制标准，能够保证施工及地表构筑物的安全。

（2）通过现场试验研究得出：拱顶下沉、水平收敛、围岩接触压力曲线符合y＝aLnx+b，在洞室支护20～30 d后趋于稳定，其数值与数值模拟计算结果基本吻合。

（3）暗挖单洞双层隧道遵循“先上后下、边挖边衬”的原则，采用多台阶五步开挖法，由上至下分部开挖、支护，二次衬砌紧跟掌子面的工法是合理有效的，但应严格施工过程控制。