富水砂卵石地层双层衬砌类圆形断面矿山法地铁隧道适应性研究 富水砂卵石地层双层衬砌类圆形断面矿山法地铁隧道适应性研究
康 华,戴志仁
(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)
摘 要：针对富水砂卵石地层条件下矿山法隧道下穿既有地铁盾构隧道,首先从工期要求与既有工程经验方面进行总体方案设计,明确矿山法隧道近距离下穿既有隧道的优势；随后基于规范要求与富水砂卵石地层特性,提出施工变形控制标准；最后对初期支护+双层衬砌结构型式下的沉降变形、结构内力等进行深入分析,并与常规初期支护+二衬结构型式进行对比分析,明确双层衬砌结构型式的优势。研究结果表明：类圆形断面在减小隧道开挖轮廓与改善结构受力性能等方面具有明显优势,同时本工程双层衬砌构造型式,围岩荷载主要由二次衬砌承担,永久结构(三次衬砌)承担的荷载较小,永久结构在承载力与稳定性,尤其是安全储备方面具有明显的优势。
关键词：富水砂卵石；矿山法；类圆形隧道；穿越施工；双层衬砌；地铁
目前，国内各大城市轨道交通项目大量开工建设，根据成都市轨道交通项目第一、二轮建设规划要求，成都市在建地铁项目总里程数将达到376 km，创历史新高。根据《成都市人民政府关于城市轨道交通加速成网的实施意见》，成都地铁建设项目，含轻轨在内，总目标为到，实现成都市地铁建设运营线路15条，共计650 km，其中开通运营线路13条，里程500 km，在建项目6个，里程150 km。至期间，每年至少开通运营2个项目[1]。
受到已建地铁线路的影响，后期地铁线路建设条件相对苛刻，在线路走向、工法选择与周边环境保护方面的要求更加严格。对于成都地区富水砂卵石地层条件下的地铁隧道而言，不可避免地出现了很多穿越既有线工程，如地铁4号线二期万年场站—东三环站区间下穿成绵乐高铁[2]、地铁4号线一期工程中医学院站—长顺街站区间下穿2号线工程[3]以及地铁5号线省骨科医院站—高升桥站区间下穿3号线工程[4]等。
受周边环境保护与地层沉降变形控制要求、盾构始发场地以及建设工期条件限制，富水砂卵石地层条件下新建隧道穿越既有线工程经常采用矿山法施工。特殊的穿越工程需要相应的设计方案进行支撑，对于矿山法隧道而言，除了常规的地层预加固措施外，特殊的结构构造形式也是确保工程风险可控的重要措施。如谢小玲等[5]对穿黄盾构隧道预应力双层复合式衬砌结构进行计算，发现插筋是实现内外衬砌联合承载的重要结构措施；司剑钧[6]对高地应力软岩条件下的兰渝铁路两水隧道，进行了双层初支与双层衬砌试验研究，发现双层初支不但可满足结构受力要求，同时施工工序与工期方面更具操作性；王朝晖[7]对双层钢拱架支护结构动力特性进行了研究，并提出了相应的最佳二衬厚度。然而，纵观国内外文献资料，鲜有关于特殊类圆形断面条件下的双层衬砌结构内力与变形方面的研究，针对穿越既有线工程总体方案设计、施工变形控制标准、类圆形矿山法隧道设计、双层衬砌结构内力与变形等方面进行了研究，并将双层衬砌与常规的初支+二衬结构型式进行了深入的对比分析。研究发现类圆形断面在减小隧道开挖轮廓与改善结构受力性能等方面具有明显优势，同时双层衬砌永久结构在承载力与稳定性，尤其是安全储备方面具有明显的优势，双层衬砌特殊构造型式可考虑在特定工程中推广应用。
1 工程概况
1.1 工程简介
成都地铁5号线某区间隧道主要走行于密实卵石土，上覆中密卵石、粉质黏土与杂填土(表1)，隧道底板埋深约27.8 m，区间隧道需要穿越既有地铁3号线盾构隧道，竖向结构净距不足3 m(图1)。按照整体工筹计划，立交点穿越工程计划于5月份实施，但地铁3号线需在5月中旬试运营，为确保3号线运营期间安全不受5号线工程影响，穿越工程需要在3月底前实施完成，经过综合比选，立交点工程最终采用竖井+矿山法隧道方案先期实施[8]。
另外，初期支护采用C25湿喷混凝土，二衬与三衬均采用C35防水混凝土，隧道内部临时型钢支撑采用Q235钢。
表1 工程地质条件
土层及其编号重度/(kN/m3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)侧压力系数压缩模量/MPa层厚/埋深/m1-2杂填土185108—6935/352-2粉质黏土1955045518/532-9-1松散卵石00332027/82-9-2稍密卵石21035030287/152-9-3中密卵石22040025379/242-9-4密实卵石2304502048>30
图1 新建矿山法隧道下穿既有盾构隧道总平面
1.2 总体方案设计与施工控制标准
(1)总体方案设计
基于成都地铁4号线二期万年场站—东三环站区间下穿成绵乐高铁，以及成都地铁4号线一期工程中医学院站—长顺街站区间下穿2号线工程经验，在工程地质条件基本类似的前提下，经综合比选，本工程采用上小下大的类圆形断面型式，同时考虑到工期要求，在上方地铁试运营前，尚无条件施做衬砌结构，因此本工程采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合式结构，二次衬砌与三次衬砌间设全断面防水层(图2)。
图2 类圆形矿山法隧道断面(单位：mm)
矿山法隧道是以盾构隧道建筑限界为基础，综合考虑施工工期、使用期结构的安全性、可行性，以及施工误差、测量误差、结构容许沉陷、结构受力、变形及盾构空推通过的需要确定结构横断面的合理拱轴线及结构尺寸，本工程隧道采用上小下大的类圆形断面型式，上下圆弧间采用直线段过渡，开挖高度为8 100 mm，开挖跨度为8 000 mm。
(2)施工控制标准
基于既有工程经验与相关规范[9]，考虑到3号线盾构隧道即将开通运营，且富水砂卵石中矿山法隧道工程经验相对欠缺，因此从严制定了矿山法隧道穿越既有3号线盾构隧道施工控制标准，具体如表2所示。
表2 穿越既有3号线施工控制标准
监测项目及范围安全控制指标既有3号线盾构隧道新建矿山法隧道隧道水平位移竖向位移、径向收敛/mm≤10≤20隧道变形曲率半径/mm≥15000—隧道变形相对曲率≤1/2500—管片接缝张开量/mm
2 类圆形矿山法隧道方案设计
矿山法隧道采用复合式衬砌结构，以锁脚锚管、钢筋网、喷射混凝土和格栅拱架为初期支护并辅以大管棚、自进式锚杆作为超前支护，以模筑钢筋混凝土衬砌为二次衬砌组成，初期支护与二次衬砌间设全封闭防水隔离层，结合隧道所处地层及施工工法，隧道全环每榀刚架设4根锁脚锚管，并且在全环设置注浆花管，对隧道围岩进行注浆加固。为避免产生涌水等事故，需伴随结构施工全过程进行降水。
矿山法隧道根据线路条件和工程地质及水文地质条件，以及与周边邻近建筑物的相互影响关系，按其围岩级别、跨度、结构形式进行支护参数设计，支护参数详见表3。
由表3可知，本工程矿山法隧道超前支护措施主要由φ146 mm超前大管棚与φ32 mm自进式锚杆组成，既有工程经验表明，第四纪松散地层中的浅埋暗挖
表3 矿山法隧道支护参数
项目材料及规格结构尺寸初期支护超前大管棚?146mm×60m，钢花管L=20/30m，环间距03m超前自进式锚杆?32mm×40m，自进式锚杆L=22m，间距03m×1m(环×纵)格栅钢架?25、?14、?8mm钢筋、Q235钢板纵向间距：05m，锁脚锚管钢筋网?8mm，150mm×150mm网格全环双层布置喷混凝土C25、P6喷射早强混凝土03m纵向连接筋?22mm环向间距：10m；内外侧布置钢支撑I22a二次衬砌C35防水钢筋混凝土，抗渗等级P10，厚02m三次衬砌C35防水钢筋混凝土，抗渗等级P10，厚03m施工方法CRD法预留变形量50mm备注大管棚沿拱部150°范围布置，外插角为1～2°，注水泥浆；自进式锚杆沿拱部150°范围布置，外插角10～15°，注水泥浆
法隧道工程，地层预加固措施将在一定程度上决定工程的成败。由于本工程隧道洞身主要位于3-9-3层密实卵石土，因此必须采取与设计理念相匹配的管棚与自进式锚杆施工工艺，确保地层预加固效果。
3 数值计算方法与关键技术
3.1 数值计算模型
本文借助于有限元软件MIDAS/GTS，对矿山法隧道下穿3号线施工过程进行计算分析，模型尺寸100 m×80 m×56 m(长×宽×高)，共包含35 096个单元，16 267个节点，采用位移边界条件，对于地表涉及低矮构筑物，计算中仅考虑地面以下结构，地面以上以地表附加荷载形式考虑，如图3所示。
图3 矿山法隧道与上方既有3号线隧道空间关系
3.2 数值计算关键技术
数值模拟计算主要涉及以下4项关键技术。
(1)地表超载一般按20 kPa均布荷载考虑，地表构筑物荷载以附加荷载形式考虑[10]。
(2)密实卵石土地层自稳性相对较好，每一步开挖中隧道开挖与初期支护施工对应的地层应力释放系数均取3∶7，模拟实际工程中开挖施工对地层的扰动与围岩应力的释放[11]。
(3)初期支护、内支撑与衬砌结构采用梁单元模拟，地层采用实体单元模拟[12]。
(4)施工顺序：左线隧道开挖与初支、右线隧道开挖与初支、左线隧道二衬、右线隧道二衬、左线隧道拆撑与三衬、右线隧道拆撑与三衬；左右线隧道开挖均严格按照CRD法施工顺序进行[13]。
4 穿越施工引起的位移规律研究
本项目主要目的是控制地层竖向沉降变形，确保满足上方既有盾构隧道变形要求，因此首先对施工过程中的竖向位移等值线图进行分析。
4.1 竖向位移等值线图分析
根据本工程CRD法开挖工序，以及二衬+三衬的特殊结构型式，各开挖工况下的竖向位移等值线图情况如图4所示。
图4 不同工况下竖向位移等值线图
根据以上计算结果，施工过程中的竖向沉降变形情况整理如图5所示。
图5 隧道拱顶与上方3号线拱底沉降变形情况
由图5可知，3号线左线拱底最大沉降值仅为-11.3 mm(略大于控制值-10.0 mm)，右线拱底最大沉降值为-9.3 mm，基本满足变形控制标准。
进一步观察可知，初始开挖阶段，矿山法隧道左右线拱顶沉降值分别为-7.6 mm与-10.1 mm，二衬施工后拆撑阶段，左右线拱顶沉降值分别为-12.3 mm与-17.7 mm，相应增幅分别为-4.7 mm与-7.6 mm。所以隧道拱顶的沉降变形主要集中在两个阶段：初始开挖扰动与拆撑阶段，相对而言，初始开挖扰动阶段引起的变形相对较大，而二衬施做后虽然对拆撑引起的应力释放有一定的抑制作用，但由于本工程二衬厚度仅为200 mm，因此抑制作用略显不足，可以考虑进一步增加二衬结构厚度或整体刚度，抑制临时支撑拆除阶段引起的应力重分布[14]。
4.2 衬砌结构内力分析
基于二衬+三衬的特殊结构型式，由于衬砌弯矩是影响结构配筋的主要因素，因此对不同阶段的衬砌弯矩进行计算，具体如图6～图9所示。
图6 左线二衬弯矩等值线图/左线二衬施工阶段
图7 左线二衬弯矩等值线图/左线拆撑阶段
图8 左线二衬弯矩等值线图/左线三衬施工阶段
图9 左线三衬弯矩等值线图/左线三衬施工阶段
由以上计算结果可知，左线二衬施工、临时支撑拆除与三衬施工阶段，左线二衬拱顶附近所受最大弯矩值分别为31、70 kN·m与71 kN·m，临时支撑拆除后，三衬拱顶处最大弯矩值仅为2.8 kN·m。由此可见，二衬承担了大部分荷载，作为永久结构的三衬，承载的荷载与结构内力很小，结构具有相对较大的安全储备，更有利于结构的长期稳定。
根据隧道拱顶弯矩与轴力值，进行结构内力与配筋计算，见表4(结构内侧裂缝宽度按0.3 mm控制，外侧裂缝宽度按0.2 mm控制)[15]。
表4 左线隧道衬砌结构内力与配筋计算
衬砌位置弯矩/(kN·m)轴力/kN配筋/mm2计算配筋实际配筋裂缝宽度/mm二衬厚200mm拱顶708-42123821609(8?16)0426>03拱腰-168-11456001609(8?16)001403三衬厚300mm拱顶28-296001609(8?16)0003
由表4可知，二衬结构拱顶与拱底处裂缝宽度均大于0.3 mm，但由于本工程中二衬结构为临时结构，裂缝宽度可不受0.3 mm控制。
由于二衬分担了较大荷载，因此三衬仅按照构造配筋即可满足受力要求，但考虑到后期初支、二衬结构劣化、承载力下降后，很大一部分荷载将转移到三衬结构上，因此三衬必须具备一定的安全储备。
4.3 常规初支+二衬结构型式位移与内力分析
为了进一步对比分析本工程初支+二衬+三衬结构型式与常规初支+二衬结构型式，在结构内力与变形方面的差异，基于常规工艺与施工顺序，对常规初支+二衬结构型式条件下的内力与变形情况进行分析。
(1)竖向位移等值线图分析
本工程与常规初支+二衬结构型式的差异，主要体现在临时支撑拆除与三衬施工阶段，隧道开挖阶段是一致的，根据计算结果，施工过程中的竖向沉降变形曲线如图10所示。
图10 隧道拱顶与3号线拱底沉降变形情况
由图10可知，常规初支+二衬结构型式，隧道左右线拱顶沉降值分别为-15.1 mm与-18.5 mm，与本工程初支+二衬+三衬型式相比，沉降值增量为-1.6 mm与+0.3 mm。对于3号线盾构隧道，左右线拱底沉降值分别为-9.9 mm与-8.2 mm，与本工程初支+二衬+三衬型式相比，沉降值变化量在1 mm左右。
由以上分析可见，本工程初支+二衬+三衬特殊型式对地层竖向位移趋势的抑制作用并不明显，这主要是由于临时支撑拆除与永久衬砌施做前，初支+临时支撑的受力体系是基本稳定的，同时密实卵石土地层自稳性相对较好，临时支撑的拆除虽会引起应力重分布，但尚不足以引起围岩明显的沉降趋势。
(2)衬砌结构内力分析
基于常规初支+二衬结构型式，对不同阶段的衬砌弯矩进行计算，如图11所示。由计算结果可知，左线二衬施工后，二衬拱顶所受弯矩值为188.7 kN·m。
图11 左线二衬弯矩等值线图
由表5可知，常规初支+二衬结构型式，二衬承担的荷载较大，因此配筋相对较大。同时从表4、表5对比可知，常规初支+二衬结构型式与本工程初支+二衬+三衬结构型式，衬砌结构总配筋量基本相当，即工程造价基本相当。
表5 左线隧道衬砌结构内力与配筋计算
衬砌位置弯矩/(kN·m)轴力/kN配筋/mm2计算配筋实际配筋裂缝宽度/mm二衬厚500mm拱顶1887-65713913041(8?22)0104
由此以上分析可知，密实卵石土地层条件下，两种隧道结构型式对地层沉降变形的控制效果相当，但常规初支+二衬结构型式，二衬承载了大部分围岩荷载，因此拱顶弯矩值较大，二衬结构具有相对较小的安全储备，而本工程初支+二衬+三衬结构型式，三衬承担的围岩荷载很小，更有利于结构的安全性与长期耐久性。
5 结论
本文通过实际工程条件下的双层衬砌类圆形断面矿山法隧道下穿既有盾构区间的计算分析，得出以下结论。
(1)富水密实卵石土地层条件下，基于大管棚+自进式锚杆的矿山法隧道工程是安全可行的；大管棚与自进式锚杆的超前支护作用必须得到切实的保障，承包商必须配备相应的技术力量与配套的机械设备，确保地层预加固效果。
(2)类圆形断面可有效避免常规马蹄形或直墙圆拱矿山法隧道开挖轮廓相对较大且受力性能相对较差的不利影响，同时可最大程度地减小结构净空高度并满足盾构空推要求，在穿越既有线工程中可推广应用。
(3)密实卵石土地层条件下，两种隧道结构型式对地层沉降变形的控制效果相当，配筋量与工程造价基本相当，但常规初支+二衬结构型式，二衬承载了大部分围岩荷载，因此拱顶弯矩值较大，是结构承载力与可靠度控制性断面，本工程初支+二衬+三衬结构型式，二衬作为临时结构承担了大部分围岩荷载，三衬承担的围岩荷载很小，安全储备较大，更有利于结构的稳定性与长期耐久性，可考虑在特定工程中推广应用。
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Feasibility Study of Round Cross-section Mining Tunnel with Double Lining in Water-rich Gravel Stratum
KANG Hua, DAI Zhi-ren
(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an, 710043, China)
Abstract：As for the tunnel mining beneath the existing shield tunnel in water-rich sandy gravel stratum, the overall design program is made based on construction period and relevant experiences, and the advantages of the tunnel mined beneath the exiting shield tunnel are made clear. The deformation control standard during tunneling is put forward based on the characteristics of sandy gravel stratum and relevant specifications. At last, the settlement and structure stresses of the double lining structure with primary support, second lining and third lining are analyzed and compared with those of the conventional structure with primary support and second lining. The advantages of double lining structure are justified. Research results show that round cross-section mining tunnel has obvious advantages in reducing excavation contour and improving mechanical performance; the formation load is mainly carried by the second lining and little load is acted on the third lining. The advantages of double lining structure in bearing capacity, maintaining stability and emergence capacity in particular are obvious.
Key words：Water-rich gravel stratum; Mining method; Round cross-section mining tunnel; Tunneling beneath existing shield tunnel; Double lining; Metro
收稿日期：-08-16；
修回日期：-08-31
作者简介：康 华(1976—)，男，高级工程师，主要从事城市轨道交通与地下工程方面的设计与研究工作。
文章编号：1004-2954()05-0114-05
中图分类号：U231+.3
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954..05.025
