近距離下穿既有隧道的礦山法隧道支護方案選擇

田 帥

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

在現代社會中，地下隧道建設已經成為城市基礎設施建設的重要組成部分。然而，地質條件復雜和既有隧道密集的城市環境下，隧道建設往往面臨著各種挑戰，采用礦山法隧道近距離下穿既有隧道的建設更是如此。在這種情況下，如何保證隧道建設的安全性和可行性，成為一個關鍵的技術難題。

為了解決這一難題，隧道工程師們不斷進行技術創新和實踐探索。鄧文亮等[1]對礦山法隧道下穿既有地鐵線的關鍵技術進行了分析研究。王美霞等[2]對小凈距隧道下穿既有隧道施工沉降規律進行了研究。王曉夫等[3]對泥質圍巖隧道工程的地址特性和主動支護技術進行了探討。

礦山法隧道近距離下穿既有隧道建設中涉及隧道的結構設計、支護措施、施工方案等多個方面。本文以貴陽某在建項目為例，從設計技術方案和施工要求入手，結合有限元分析和現場監控量測數據，探討如何在泥巖地層條件下安全施工近距離下穿既有小凈距隧道的問題，旨在為同類型工程提供參考和指導。

1 工程概況

貴陽蔡家關一號隧道為市政工程山嶺隧道，采用礦山法施工。隧道為雙向六車道小凈距隧道，左洞長度為1276 m，右洞長度為1243 m。隧道左線和右線平面設計進口段和出口段均位于直線上，中段位于圓曲線上，縱斷面設計為-2.95%與4.5%的V 字坡。

本項目隧道在MLK2+445～MLK2+480、MRK2+440～MRK2+470 處下穿既有隧道。該既有隧道采用雙向六車道小凈距礦山法隧道，兩隧道夾角約77°，平面位置關系見圖1。

圖1 蔡家關一號隧道與苗圃一號隧道的平面位置關系

由于道路縱坡的限制，蔡家關一號隧道左線隧道拱頂距離既有隧道仰拱底的距離約為6.3 m，蔡家關一號隧道右線隧道拱頂距離苗圃一號隧道仰拱底的距離約為5.2 m。此處隧道埋深約為68 m，屬于深埋隧道。由于新建隧道與苗圃一號隧道距離較近，為保證在下穿過程中苗圃一號隧道的安全，需要采取一定的工程措施。具體的豎向位置關系見圖2。

圖2 蔡家關一號隧道與苗圃一號隧道的豎向位置關系

2 工程地質與水文地質

此處下穿節點隧道洞身圍巖主要為灰巖、泥巖，巖層呈中風化，夾薄層粉砂質泥巖、碳質泥巖，巖體破碎- 較破碎，巖層產狀變化較大，節理、裂隙極發育，裂隙面及其組合雜亂，以泥質膠結為主，膠結很差，圍巖等級為V 級?？菁镜叵滤^貧乏，雨季含少量裂隙水，地下水呈潮濕狀或點滴狀滲出。

隧道開挖過程中，泥巖中的黏土礦物、其可溶性、裂縫結構的擴容和膨脹效應（碳質、鈣質、鐵、鋁質）等因素，均可導致巖體遇水快速崩解。其中，碳質泥巖地層的水穩定性最差，在開挖卸荷和干濕循環條件下，其力學強度急劇下降，其黏結力和內摩擦角最多可降至水軟化前的95%、26%以上[4-5]。因此，隧道施工過程容易發生坍塌風險，需加強支護措施以確保隧道施工的安全。

3 設計方案與施工要求

3.1 支護參數設計

本工程隧道的毛洞開挖跨度約為17 m，開挖高度約為11.5 m。相比于鄰近非下穿段落，在同等圍巖級別條件下，本工程對下穿段落的初期支護和二次襯砌都進行了加強。襯砌設計圖詳見圖3，主要加強措施如下：

圖3 下穿段落隧道襯砌設計（單位：mm）

（1）初期支護加強，原來的初支厚度為280 mm，采用I22b 工字鋼，間距為750 mm，現在加強到初支厚度為310 mm，采用I25b 工字鋼，間距為500 mm。

（2）二次襯砌厚度由原來的600 mm 加強到650 mm。

（3）由于隧道拱頂距離上方既有隧道距離僅5.2 m，取消拱頂范圍內的徑向錨桿。

（4）考慮到貴陽地區巖溶發育的特點，如果隧道下方存在溶洞等不良地質，會引起隧道沉降導致上方既有隧道開裂。因此，在仰拱底設置徑向φ25 中空注漿錨桿以充填加固可能存在的巖溶區域。

3.2 輔助工程措施設計

3.2.1 超前支護

此段隧道拱頂150°范圍內采用超前管棚結合超前小導管的超前支護措施，二者縱向間隔布置。管棚采用φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管，長度18 m，環向間距0.3 m，外插角2°～3°，縱向間距為14 m；兩環長管棚之間設置φ42×4 mm 熱軋無縫鋼管，長度3.5 m，環向間距0.3 m，外插腳10°～12°，縱向間距2 m。注漿材料均采用雙液漿以防止地下水對開挖范圍內圍巖造成影響。

為保證長管棚的施工空間，本工程采用漸變向前擴寬的形式施工管棚工作室。管棚工作室斷面比原斷面外擴50 cm，支護參數不變，同時在工作室端部密排兩榀I25b 工字鋼進行加強，防止開挖過程中管棚發生沉降變形。設計示意圖詳見圖4。

圖4 管棚工作室設計

3.2.2 掌子面注漿加固

采用掌子面注漿加固方法，旨在改善前方圍巖的物理力學性質，并封堵掌子面地下水，從而保證隧道開挖過程中掌子面的穩定性。

對于上臺階掌子面，采用φ50 高壓PVC 管進行注漿預加固，鉆孔直徑φ89，單循環加固長度為10 m，注漿前在掌子面端部埋φ89 無縫鋼管作為孔口管，孔口管長2～3 m，孔口外露200～300 mm。間距尺寸為1.5 m×1.5 m，梅花形布置，兩個循環間需搭接3.0 m。注漿材料采用雙液漿，注漿壓力控制在0.5～1 MPa。

3.3 施工工法及要求

本項目隧道在下穿隧道節點范圍內采用CRD工法施工。為保證施工的穩定性和安全性，左右導洞上臺階長度不得大于8 m，先行導洞下臺階掌子面距離后行導洞上臺階開挖面距離宜為6～8 m。初期支護應緊跟掌子面，二次襯砌距離上一步序開挖面的間距不大于6 m。單洞施工步序示意圖見圖5。

圖5 單洞施工工序示意圖

為保證整個隧道下穿施工的安全性，本項目對現場施工提出了一系列要求，具體如下：

（1）先行實施超前支護、掌子面加固。掌子面加固后，開挖前應對加固體強度（無側限抗壓強度qu不得低于0.3 MPa）、滲透系數（不得大于1×10-7cm/s）進行檢測，滿足要求后方可進行后續施工。

（2）現場施工應嚴格采用機械開挖方式，單次開挖進尺不得大于一榀鋼架間距，并及時支護。待初支強度達到設計要求后，通過預埋的注漿管及時回填注漿。注漿管可采用φ42×4 鋼花管，長度50 cm（可根據現場情況調整）。注漿采用雙液漿，注漿壓力0.3～0.5 MPa。并采用地質雷達對初支背后與圍巖間的密實性進行檢測，合格后方可開展后續施工。

（3）初期支護施作并達到設計強度后，及時跟進二次襯砌。二次襯砌與初期支護間通過預埋的注漿管及時回填水泥漿（摻入微膨脹劑），并采用地質雷達進行檢測以確保密實性。

（4）下穿苗圃隧道范圍內，嚴禁左右線隧道掌子面同時施工。應先完成一側隧道的下穿施工，且二次襯砌達到設計要求強度后，才能開始另外一側隧道的下穿施工。

（5）單洞二次襯砌與上一步序開挖面的間距不大于6 m。

（6）現場應加強超前地質預報和加強監控量測工作。當出現圍巖及支護變形情況異常時，應及時反饋，待各方制定合理的方案后，方可進行后續施工。

4 有限元計算分析

為驗證上述設計方案的合理性，本文利用Midas GTS NX 軟件建立了三維有限元模型，對本項目隧道開挖對既有隧道的影響進行了分析。主要分析了支護參數加強前后兩種計算工況，地層參數參考了地勘報告，并根據實際地形建立了模型，消除了邊界效應的影響。土體采用了摩爾庫倫本構模型。通過注漿圈的形式模擬大管棚、小導管和錨桿的支護效果。有限元模型見圖6。

圖6 有限元模型

4.1 支護參數加強前后計算結果分析

經過計算分析，支護未加強時，隧道開挖引起的苗圃一號隧道的最大沉降變形為25.9 mm；支護加強后隧道開挖引起的苗圃一號隧道的最大沉降變形為7.91 mm（見圖7）。加強后的支護方案對于苗圃一號隧道的變形控制顯著。

圖7 苗圃一號隧道仰拱拱底沉降變形圖（單位：m）

4.2 隧道開挖對下穿隧道影響規律分析

針對加強后的支護參數計算結果進行分析，根據圖7 可以看出，苗圃一號隧道仰拱沉降最大值發生在新建隧道和既有隧道的4 個相交點處，分別為7.19 mm、7.22 mm、7.79 mm、7.55 mm。隨著隧道開挖步驟的進行，各交點的沉降變形見圖8。以苗圃一號隧道左線為例，在施工步驟為19 步至55 步的過程中，觀測點1 和2 的沉降變形速率較大。因此，可以認為在此范圍內，隧道施工對苗圃一號隧道左線的開挖影響較大，大致影響范圍為既有隧道與新建隧道平面相交投影范圍前后各延伸10 m，共計50 m。在施工過程中，應特別注意此范圍內的影響。對于苗圃一號隧道右線的影響規律基本與左線相同。

圖8 交點位置沉降隨施工步驟變化

5 現場監測方案及結果分析

在下穿節點施工期間，采用全站儀對苗圃一號隧道的沉降和收斂變形進行了監測。為了全面掌握監測數據，沿著苗圃隧道軸線方向前后布置了共12個監測斷面，且監測斷面之間的間距設置為10 m。為確保監測工作的科學性和合理性，與管養單位進行了充分溝通和協商，并共同制定了下穿隧道的監測控制標準，具體內容見表1。

表1 監測控制指標 單位：mm

進入下穿區段影響區域開始施工開始時間為2021 年8 月，完成下穿段施工的時間是2022 年7月，耗時約11 個月。監測結果顯示，施工期間苗圃一號隧道的水平收斂變形偏小，最終累計收斂變形約2 mm，變化并不顯著，施工期間以沉降變形為主，監測數據顯示其最不利斷面的累計沉降變形約為6 mm，實際變形未超過預警值，處于安全狀態。與數值模擬分析相比，實際累計沉降變形約6 mm，實際累計沉降變形約比模擬值小1 mm。詳細數據見圖9。

圖9 苗圃一號隧道沉降變形監測數據

6 結語

本工程結合貴陽泥巖地層的特性，采取針對性的支護加強措施，通過數值模擬計算了支護參數加強前后對下穿隧道的變形影響結果，加強后的支護方案能夠顯著控制下穿隧道的變形?；诂F場監控數據的反饋，數值模擬結果與實際監測數據誤差較小，隧道施工期間各項變形指標均正常，成功地實現了對苗圃一號隧道的順利下穿，驗證了設計方案的合理性，確保了既有小凈距隧道施工期間的安全性，本項目的研究可以為類似項目提供有益參考。