上下层小净距重叠隧道复合仰拱支护工法研究

曹林卫,旷文涛,杨 宝,刘保林

(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 400023)

受工程条件制约，上下层重叠铁路工程在交通建设中越来越频繁的出现。新建铁路重庆枢纽东环线工程明月峡长江大桥考虑上层预留时速250 km双线高铁通道，与东环线上下层布置。为避免预留工程滞后施工困难和对下层隧道运营的不利影响，明月峡长江大桥及其两端各约400 m范围纳入东环线工程同步实施，两端预留高铁隧道为鸡公咀隧道(预留373 m)和芭蕉沟隧道(预留441 m)，其中上下层重叠隧道内轨顶面最小距离为14 m，结构净距约2.5 m；全隧浅埋，洞身以泥岩夹砂岩为主，泥质结构，中～厚层状构造，质软易风化，遇水易软化、崩解；地下水不发育，出水形式以滴水、小股状出水为主。鸡公咀、芭蕉沟重叠隧道工程平面位置详见图1，该重叠隧道为东环线控制性工程。

目前国内外对于上下重叠隧道已经开展了大量的研究工作，其研究方向主要集中在小净距重叠隧道近接施工影响分区[1-5]、施工力学行为分析[6-8]、施工控制技术[9-10]及施工顺序[11-16]等方面，其中对于重叠隧道施工顺序的研究结论则主要为“先下后上”。但相关工程案例中，上层隧道均在下层隧道二衬达到强度后再施作，由于上层隧道施工对下层隧道的影响较大，因此为确保施工安全，下部隧道二衬通常需要进行特殊加强，且上层隧道必须待下层隧道二衬达到设计强度后再掘进。该施工方法的主要缺点为：下层隧道二衬后进行上层隧道开挖，会使得下层隧道需承担围岩扰动的形变压力及施工荷载，结构需要进行特殊加强，并且工期较长，另外为减少上层隧道施工对下层隧道二衬的影响，上层隧道需要采用非爆或控爆措施，导致工程投资较大。

为满足重庆枢纽东环线鸡公咀、芭蕉沟上下层小净距重叠隧道工程进度与投资的要求，在充分保障上下层隧道施工安全的前提下，提出一种更加高效、经济的施工方法，即复合仰拱支护工法，并采用数值方法对其适用性展开讨论。鸡公咀、芭蕉沟重叠隧道工程平面位置示意见图1。

图1 鸡公咀、芭蕉沟重叠隧道工程平面位置示意

1 工法技术要点

对于上下层均为新建的小净距重叠隧道，为减小上下层隧道施工的相互干扰，本着安全可靠、经济适宜的原则，根据单洞隧道台阶仰拱工法原理，将上下层小净距隧道视为整体，通过构造措施将上层隧道仰拱初支、下层隧道拱部初支连接成为受力整体，作为施工上下层小净距重叠隧道的复合仰拱。由上层隧道初期支护、型钢锁脚、型钢竖撑、夹岩、下层隧道首层初期支护、自进式锚杆及上下层隧道之间夹岩组成了“复合仰拱”。在复合仰拱的支撑下，先后完成下部隧道、上部隧道开挖及支护，最后上下层隧道同步施作二衬，该工法称为“复合仰拱支护法”。

工法技术要点概括如下。

(1)通过复合仰拱，使上下层隧道形成受力整体，既增强了整个重叠隧道支护体系的稳定性，也能更有效地传递上层荷载。

(2)下层隧道双层支护实现了完全承载、安全施工、上下层隧道同步施作二次衬砌的目的，同时相较于二次衬砌，喷射型钢混凝土支护能够快速形成承载能力，对于工效的提高、工程进度的加快都具有较大的现实意义。

(3)由于上下层隧道进行爆破开挖时，二衬均未施作，上下层隧道施工不需针对既有结构采用控爆、非爆等特殊开挖方式。

(4)隧道二衬施作时，上下层均已完成开挖，避免了二衬承受围岩扰动引起的附加形变压力，上下层隧道二衬不需要采取针对性的特殊加强措施，对降低工程投资有积极作用。

2 施工工序(图2、图3)

图2 复合仰拱支护法施工工序横断面

图3 复合仰拱支护法施工工序纵断面

复合仰拱支护法施工顺序主要包括以下工序。

(1)开挖下层隧道，下层隧道拱部竖向打入型钢竖撑，施作下层隧道初期支护，型钢竖撑穿入围岩且与下层拱部型钢钢架焊接连接；在下层拱部型钢钢架两侧施作自进式锚杆。

(2)下层隧道初期支护施作完成后，在下层隧道初期支护内实施第二层全环初期支护。

(3)开挖上层隧道，施作上层隧道初期支护，上层隧道仰拱钢架与竖向型钢钢架竖撑的另一端焊接在一起；同时于上层隧道仰拱钢架两侧施作锁脚型钢钢架。

(4)上下层隧道在复合式台阶仰拱支撑下并行掘进，待隧道沉降稳定后，同时施作上层隧道初期支护内二衬及下层隧道双层支护内二衬。

施工注意事项如下。

(1)复合仰拱支护法强调上下层隧道型钢钢架的整体连接，因此实际施工中应做好钢架位置的定位复测，保证钢架焊接的施工质量。

(2)上层隧道开始施工时，下层隧道还未施作二衬，考虑到上层隧道施工附加荷载等不利因素的影响，在施工过程中应加强对上下层隧道的支护结构变形监测，及时反馈设计，调整优化设计参数。

(3)重叠隧道采用复合仰拱支护法时，理论上可以采用爆破开挖，但实际施工条件复杂，应加强爆破振速监测，结合现场情况及时调整开挖方式。

3 安全分析

复合仰拱支护法强调上下层小净距隧道支护结构的整体性，并应重点考虑施工期支护结构的安全性。以重庆铁路枢纽东环线鸡公咀、芭蕉沟小净距重叠隧道为工程依托，建立数值计算模型，如图4所示，分析隧道支护位移、安全程度及夹岩力学特性。

图4 重叠隧道数值分析模型

上下层隧道系统锚杆参数为：拱部A25中空注浆锚杆，边墙C22砂浆锚杆，长度4 m，环纵间距为1.2 m×1.0 m；下层东环线隧道取消拱部系统锚杆，首层拱部钢架拱脚位置每侧设置2根A32中空注浆自进式锚杆，长度6 m；双层支护均采用I20b钢架、27 cm厚喷射混凝土，首层支护拱墙设置，第二层支护全环设置；上层预留高铁隧道初支采用I22b钢架、28 cm厚喷射混凝土；锁脚型钢与型钢竖撑均采用I20b，纵向间距与上下层隧道支护钢架间距一致，均为0.6 m。

3.1 隧道位移分析

隧道初期支护位移最为直接地反映了支护结构和围岩的稳定性。通过对上下层隧道支护特征点变形的全过程监测，根据上下层隧道支护结构变形最不利工况绘制隧道初期支护的收敛变形包络图，如图5、图6所示。

图5 上层隧道支护收敛变形包络图(单位：mm)

图6 下层隧道支护收敛变形包络图(单位：mm)

结合图5～图6所示的变形结果，可以计算得到上下层隧道初支的相对位移值，并参考Q/R 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中支护相对位移确定基准值，对比结果统计于表1。从表1可以看到，上下层隧道初支的相对位移值均满足规范要求。

表1 隧道初期支护相对位移

3.2 隧道支护结构受力分析

小净距重叠隧道采用复合仰拱支护法施工时，上下层隧道的承载主体是型钢喷射混凝土支护，依据《型钢混凝土组合技术规程》对其正截面承载能力进行检算[17-18]，检算结果如表2所示。

表2 上下层隧道支护结构特征点安全系数

从支护结构内力来看，上下层隧道支护结构以承载轴向压力为主，上层隧道初期支护最大弯矩出现在仰拱处，下层隧道双层支护拱顶位置弯矩最大，这是型钢竖撑与上下层隧道加强支护刚性连接所引起的。从支护结构安全性来看，上下层隧道支护结构各特征点安全系数均大于1，且最小值为1.35。因此从数值计算的角度看，上下层隧道支护体系能够满足基本承载能力要求，且具有一定的安全储备。

3.3 重叠隧道间夹岩力学状态分析

在上下层隧道反复的施工扰动下，重叠隧道间夹岩应力状态变化过程变得十分复杂，而夹岩作为复合式台阶仰拱承载体系中重要的一环，其力学特性直接影响着隧道的稳定性。因此在数值计算时对夹岩应力进行监测，监测断面为y=20 m，测点布置见图7。

图7 重叠隧道间夹岩单元

本次数值模拟中岩土材料服从Mohr-Coulomb屈服准则，材料达到破坏条件时的表达式为[19-20]：

(3)

p=(σ1+σ2+σ3)/3

(4)

(5)

通过对上下层隧道施工全过程夹岩单元的应力监测，获取各夹岩单元屈服函数值达到最大F2时的应力情况，并与初始应力状态F1进行对比，详见表3。

表3 施工前后夹岩单元屈服函数值对比

从表3可见，在施工过程中，各监测夹岩单元屈服函数最大值F2<0，依据屈服条件判定夹岩单元均未达到屈服状态，但相较于初始应力状态，夹岩单元屈服函数值更大，更接近屈服状态。因此，复合仰拱一定程度上改善了夹岩的受力状态，更有利于维持隧道的整体稳定，但从实际施工角度看，下层隧道开挖后应及时施作支护，并应加强锁脚锚管、锁脚型钢、型钢竖撑连接等关键点的施工质量管理。

4 结论

结合重庆铁路枢纽东环线鸡公咀、芭蕉沟隧道工程，提出一种适用于上下层小净距重叠隧道工程的复合仰拱支护工法，并采用数值模拟对其安全性进行了分析，得到以下结论。

(1)小净距重叠隧道复合仰拱支护工法，通过特殊的连接构造使得上下层隧道初期支护形成共同承载体，加强了隧道支护体系的整体性和稳定性，改善了夹岩的受力条件；并于下层隧道采用双层支护，在提高支护结构安全性的同时实现了上下层隧道二衬同步施工，有效地缩短了工期、降低了投资。

(2)从数值分析的角度分析，上下层隧道支护结构的相对位移值能够满足规范要求，支护正截面承载能力具有一定的安全储备。

(3)复合式台阶仰拱一定程度上改善了夹岩的受力条件，计算结果显示夹岩在整个施工过程中处于稳定状态。但考虑到实际工程中地质条件的复杂多变，施工过程中应结合监控量测结果，适宜增加夹岩注浆加固的辅助措施。