泥质砂岩地层下穿运营线小净距大断面隧道开挖技术研究

李 静，唐忠林，郭爱国

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2.中铁二局第四工程有限公司，四川 成都 610306；3.长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410000）

1 研究背景

随着国家城市化的发展，城市人口不断增多，地面交通压力也愈发增大。地铁具有运量大、准时、速度快、污染小等诸多优点。随着地铁建设越来越多，新建地铁下穿既有运营地铁线路隧道工程也愈来愈多。地铁车站设停车线的区间隧道设计断面较大，常采用中洞法（连拱隧道）、双线双洞的方式，但中洞法的造价、工期、施工难度均比双线双洞隧道大得多，为此，在工程实践中衍生出一种新的结构形式——小净距隧道。小净距隧道双洞间的岩柱宽度一般小于1.5倍隧道开挖断面的宽度，先行洞和后行洞的开挖方法、爆破设计和爆破震动控制、开挖错开距离、隧道间岩墙的保护方法、既有线隧道的变形控制等都直接影响到隧道开挖期间隧道自身以及既有运营地铁隧道的结构安全。

目前，针对不同地质条件下的小净距、大断面隧道施工技术研究很多：邬建华[1]、秦峰等[2]对小净距隧道开挖方法工法进行了研究，运用数值模拟对小净距隧道开挖方法的选择进行了分析和介绍；方飞龙[3]、邓文亮等[4]对矿山法隧道下穿既有运营地铁爆破开挖技术进行了详细介绍与探讨；汪超[5]以深圳地铁12号线太子湾站—海上世界站区间下穿深圳地铁2号线施工实例，总结了下穿既有线隧道采用悬臂掘进机开挖隧道的优缺点；庞拓等[6]、刘敦文等[7]、张前进等[8]利用三维数值计算分析方法研究了矿山法爆破震动的施工力学机理，揭示了下穿既有线隧道爆破震动对新建地铁隧道和既有地铁隧道应力、应变的影响。可见，研究矿山法隧道下穿既有线隧道施工技术的较多，而小净距、大断面隧道近距离下穿既有运营地铁隧道的研究还鲜有案例。

本文以广州地铁11号线广州火车站—流花路站区间小净距、大断面、近距离下穿既有线盾构隧道开挖方法为研究对象，通过对泥质砂岩地层条件下小净距隧道开挖方法优化及施工工艺的研究，重点介绍了隧道开挖的方法、技术参数的选定及施工工艺与技术要求等，以期对类似工程的设计与施工提供借鉴。

2 工程概况

2.1 工程简介

广州地铁11号线广州火车站—流花路站区间A型断面隧道为双线双洞小净距隧道，左线隧道长104 m，右线隧道长106 m，线路为单向坡，最大坡度20.01‰，最小坡度为2‰，隧道单洞断面宽11.1～12.6 m、高9.05～10.62 m，隧道间岩柱宽2.2～2.5 m，隧道埋深22.4～28.2 m。隧道下穿广州地铁2号线盾构隧道，与广州地铁2号线斜交，与既有地铁二号线隧道最小垂直净距约9.2 m。

隧道初期支护采用300 mm厚C25 P6混凝土，格栅钢架间距750 mm，Φ22 mm纵向连接筋间距750 mm，沿隧道环向打设环×纵间距1 m×0.75 m、3.5 m长Φ22 mm砂浆锚杆。隧道间岩柱采用Φ25 mm对拉锚杆（环×纵间距1.5 m×1.5 m梅花形布置）及小导管注浆（Φ42 mm，t=3.5 mm，外插角度45°，环×纵间距1.5 m×1.5 m梅花形布置）加固。隧道二次衬砌采用C35 P12模筑钢筋混凝土。广流区间小净距隧道结构断面及平面图如图1所示，广流区间小净距隧道与地铁2号线结构关系BIM图如图2所示。

图1 广流区间小净距隧道结构断面及平面图

图2 广流区间小净距隧道与地铁2号线结构关系BIM图

2.2 工程地质情况及水文地质条件

根据勘测资料，本工程主要属珠江三角洲冲洪积平原地貌。地层主要有<1-2>填土、<5N-2>粉质黏土（硬塑）、<7-1>强风化粗砂岩、<8-1>中风化粗砂岩、<9-1>微风化粗砂岩。<9-1>地层天然单轴抗压强度标准值为15.1 MPa，饱和为14.1 MPa。区间隧道主要穿越<8-1>、<9-1>层，左线隧道围岩等级为Ⅲ级，右线隧道围岩等级为Ⅳ级。

工程范围内的地下水按赋存方式划分，主要为第四系上层滞水、松散层孔隙水、层状基岩裂隙水类型。勘察范围内所有钻孔均遇见地下水。勘察时根据抽水试验孔测得的地下水稳定水位，层状基岩裂隙水稳定水位埋深2.50 m，高程5.91 m，具承压性，为承压水；根据抽水试验成果，基岩承压水水头高度2.00 m，砂层主要为潜水类型，勘察时测得钻孔中混合水稳定水位埋深为2.30～5.00 m，高程3.97～5.97 m。

3 小净距隧道施工工艺

3.1 隧道开挖方法

左线隧道（Ⅲ级围岩）采用台阶法施工，右线隧道（Ⅳ级围岩）采用CD法施工。左右线隧道上台阶均采用悬臂掘进机机械开挖，下台阶采用爆破开挖。为减小隧道开挖期间双洞隧道间岩柱变形，先开挖左线隧道（台阶法）及右线隧道（CD法）远离岩柱侧的导坑，右线隧道靠近岩柱侧的导坑在左线隧道二次衬砌施做后开挖。

左线隧道及右线隧道上台阶每循环开挖进尺均为1～2榀（0.75 m/榀），下台阶每循环开挖进尺2～3榀（0.75 m/榀），上台阶掌子面超前下台阶不大于30 m。台阶法下台阶爆破开挖时需错幅开挖，即将下台阶均分为左右两幅，远离岩柱侧下台阶超前岩柱侧下台阶2～3榀开挖，避免下台阶开挖后上台阶初期支护拱架同时悬空，同时可达到增加爆破凌空面，减小爆破震速的目的。广流区间小净距隧道施工步序示意如图3所示，广流区间小净距隧道施工工法示意图如图4所示。

图3 广流区间小净距隧道施工步序示意

图4 广流区间小净距隧道施工工法示意图（单位：mm）

3.2 隧道开挖爆破设计

采用台阶法开挖方式时，对于下台阶爆破施工炮孔的布置为：在既有线保护内开挖进尺控制在每循环进尺2～3榀，每榀格栅间距0.75 m，辅助孔采用梅花状均匀布孔，间距500～600 mm。周边孔间距取400～500 mm，采取加密周边孔作为减震措施，即周边孔间距加密为200～250 mm，间隔跳孔装药，最小抵抗线取400～450 mm。采用CD法开挖方式时，应最后开挖隧道间岩柱侧导洞，以缩短岩柱的暴露时间，左右线同时开挖时，隧道洞室间岩柱厚度较大，可有效减小小净距隧道开挖风险。采用CD法开挖岩柱侧导洞应在左线隧道二次衬砌施做后进行，且爆破应在相邻隧道二衬混凝土龄期达到相应规范要求后进行，以减小爆破施工对相邻隧道二衬结构影响。采用CD法时，下台阶爆破布孔及装药参数与台阶法相同。

为避免既有线散杂电流影响，选用国产非电毫秒雷管；结合炮孔直径和防水要求选用Φ32 mm的乳化炸药。掏槽孔、辅助孔爆破的所有炮孔均采用反向耦合连续装药，周边孔采用空气不耦合间隔装药。为了确保爆破效果，炮孔的填塞长度一般不得小于炮孔长度的1/3，堵塞材料采用炮泥堵塞。具体爆破效果图如图5、图6所示。

图5 爆破实景效果图1

图6 爆破实景效果图2

设计爆破网络为孔内微差，导爆管雷管跳段使用，使段间间隔时间大于50 ms，防止地震波相叠加而产生较大的震动。控制爆破单段最大药量不超过7.2 kg，起爆采用非电雷管起爆。起爆网络示意图如图7所示。

图7 起爆网络示意图

爆破受多种因素影响，包括围岩节理、整体性、上循环爆破影响等因素，每循环隧掌子面围岩情况千变万化，现场应根据岩性变化，由有资质的爆破工程师根据上循环爆破效果及既有线结构自动化监测震速数据调整布孔参数和装药量，选择出最佳技术参数，视变化情 况修改爆破设计和指导施工。爆破参数如表1所示。

表1 爆破参数表

3.3 小净距隧道间岩柱加固

隧道开挖过程中对隧道间岩柱进行加固，加固采用Φ25 mm对拉锚杆+Φ42 mm小导管注浆方式。对拉锚杆在隧道拱架安装时，采用相同规格的7字形钢筋与左右线隧道拱架主筋或纵向连接筋牢固焊接。小导管岩柱加固注浆在隧道初期支护喷射混凝土强度达到70%以上进行，注浆从下往上进行，注浆量以相邻导管冒出水泥浆为宜。结合合理的施工步序，先进行隧道二衬仰拱施做且衬砌混凝土强度达到100%后，采用CD法开挖隧道靠近岩柱侧的导坑，以达到抑制隧道初支结构变形的目的。岩柱对拉锚杆焊接示意图如图8所示。

图8 岩柱对拉锚杆焊接示意图

3.4 监控量测

对隧道开挖影响范围内的既有运营地铁盾构隧道变形采取自动化监测，对隧道的自身变形、周边建构筑物变形及开裂、土体分层、管线沉降及变形、地下水位等进行施工全过程监测。监测技术人员根据每天的监测变形数据绘制位移-时间图，根据位移变化规律，分析推算出最终位移。当位移监测数据突变时，表明围岩和支护结构处于不稳定状态，必须停止开挖，分析监测数据突变原因并制定相应处置措施，优化设计参数。对隧道开挖每次爆破震速进行监测，根据监测数据优化和确定爆破施工参数，确保隧道开挖爆破震速值在规范允许范围内。小净距隧道及既有线隧道监测点布设图如图9所示。

图9 小净距隧道及既有线隧道监测点布设图

隧道开挖开始日期为2019-08-16，完成日期2022-04-29。截至2022-07-06，隧道初期支护结构拱顶最大沉降累计值﹣11.9 mm，净空收敛累计最大值﹣6.6 mm，地面沉降最大累计值﹣11.84 mm。隧道上方既有运营地铁2号线高程最大累计位移量为﹣5.65 mm，横向变形最大累计位移量为﹣4.36 mm，纵向变形累计最大位移量为﹣2.05 mm。隧道开挖过程中测得最大爆破震速为1.46 cm/s，小于设计要求2 cm/s控制值。

3.5 隧道堵漏及既有线隧道沉降跟踪注浆

本工程施工实例证明，砂岩地层中小净距隧道开挖，地下水流失对既有线隧道结构变形影响显著。因此，在隧道开挖过程中应加强对隧道围岩及掌子面堵漏工作。开挖前可采取掌子面超前钻孔取芯、地质雷达等技术手段结合地面钻孔取芯勘察报告综合研判隧道掌子面前方地质及地下水情况。当地质较差，存在风化深槽、土洞、围岩破碎等不良地质时，可采取隧道掌子面钻注一体化超前注浆处理措施。注浆采取前孔注浆后孔钻孔的方式验证注浆效果方式，注浆时段应尽量选择在既有线列车夜间停运期间进行，注浆过程中应加强对既有线隧道变形的监测及巡视。隧道不良地质超前注浆加固示意图如图10所示。

图10 隧道不良地质超前注浆加固示意图（单位：mm）

当隧道开挖过程中出现面状、裂隙少量渗水情况时，应在拱架安装时，对渗水部位打设注浆管，注浆管在初支结构封闭前可做引流管使用，初支结构封闭且喷射混凝土强度达到75%以上时，通过注浆管对渗漏部位进行注浆堵漏。

当既有线隧道沉降监测值较大时，应停止开挖，可在既有线沉降较大部位下方采取钻注一体化跟踪注浆措施，可有效避免既有线隧道继续沉降，甚至可以将既有线结构沉降区段抬升一定高度，减小沉降累计值。在现场施工实例中，既有地铁2号线部分区段位于风化深槽，因区间隧道开挖失水，导致该区段盾构隧道不同程度下沉，隧道轨面高程最大沉降值达﹣8.5 mm左右，现场在既有线沉降区段下方采取钻注一体化跟踪注浆方式对既有线下方岩体进行注浆加固，注浆先注单液浆再注双液浆（水玻璃+水泥）。注浆过程中对既有线盾构隧道变形进行全过程监测，加固结束后，该区段既有线隧道最大沉降值减小至﹣5 mm左右，后续隧道开挖过程中及隧道施做完成，该区段既有线隧道最大沉降值稳定在﹣5.5 mm左右，验证了此方案的有效性。隧道注浆孔布设平面图如图11所示，既有线隧道沉降跟踪注浆孔布设平面图如图12所示。

图11 隧道注浆孔布设平面图

图12 既有线隧道沉降跟踪注浆孔布设平面图

4 结语

本文基于广州地铁11号线广州火车站—流花路站区间隧道小净距、大断面、下穿运营地铁盾构隧道工程，对泥质砂岩地层小净距、大断面隧道开挖方法展开研究，重点介绍了小净距隧道的开挖施工方案、各项施工技术参数和施工措施等。得出如下结论：①小净距、大断面隧道开挖采用CD法+台阶法（上台阶悬臂掘进机机械+下台阶爆破）同向开挖，先开挖隧道（台阶法）及隧道远离岩柱侧的导坑（CD法），待隧道二次衬砌（台阶法）施做后再开挖隧道岩柱侧导坑（CD法）的施工方案，可成功应用于砂岩地层近距离下穿既有运营地铁盾构隧道工程。②隧道间岩柱保护、渗漏水堵漏、爆破震速控制是小净距隧道下穿既有线施工的关键。应针对性地制定相应施工技术措施，保证隧道初期支护结构稳定，避免隧道上方土体失水沉降，确保既有运营地铁线隧道结构安全。③隧道施工步序是施工的重点，合理控制小净距隧道双洞的开挖、支护的步距及顺序，尽量减小小净距隧道开挖对围岩的扰动及变形，以保障隧道施工安全。④监控量测及既有线隧道沉降跟踪注浆是保证工程质量和安全的重要措施。监控量测也是判断隧道自身及既有线隧道结构是否稳定、保障施工安全、指导施工、反馈设计信息的重要手段。