小間距高速鐵路隧道群設(shè)計技術(shù)

王旭

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300308）

1 引言

隨著鐵路網(wǎng)的完善，隧道大規(guī)模建設(shè)，小間距隧道群也越來越多，但目前還沒有較明確的規(guī)范和控制標(biāo)準(zhǔn)，仍處于邊施工邊探討的總結(jié)階段，設(shè)計技術(shù)滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展[1～3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此做了大量的研究工作，如文獻[4]以京-福高速公路三明-福州段的小間距隧道為工程背景，對Ⅱ類圍巖隧道的不同施工過程進行了彈塑性數(shù)值仿真研究，給出了不同施工方法及支護措施對圍巖變形規(guī)律的影響；文獻[5]數(shù)值模擬研究了3 車道小間距隧道采用雙側(cè)導(dǎo)坑法的開挖施工過程，為小間距隧道的發(fā)展和設(shè)計施工提供了較確切的參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。盡管如此，對小間距問題目前仍然處于探索研究階段。本文針對機械開挖與控制爆破相結(jié)合的開挖方式，探討了不同線間距段落的開挖方法及控制標(biāo)準(zhǔn)，為今后類似隧道的勘測設(shè)計及施工提供借鑒。

2 隧道概況

赤喀客專北京聯(lián)絡(luò)線分為上、下行2 條單線，其中上行線孫家溝1 號隧道、下行線孫家溝2 號隧道分別位于京沈客專正線孫家溝隧道右側(cè)及左側(cè)，三隧道洞口等高，兩單線隧道小間距并行后分別跨越及遠離孫家溝隧道，鑒于京沈客專已經(jīng)開工，赤喀鐵路建設(shè)相對滯后，為減少對京沈客專在建隧道的影響，需確定出聯(lián)絡(luò)線隧道與京沈客專同期施工段落，即聯(lián)絡(luò)線隧道需在京沈客專聯(lián)調(diào)聯(lián)試之前建成，避免出現(xiàn)鄰近既有線施工等問題。

2.1 隧道群相對位置關(guān)系

在京沈客專孫家溝隧道進口里程DK341+587 處，北京方向上行聯(lián)絡(luò)線距離京沈客專正線右線線間距為13.22m，在孫家溝1 號隧道出口處，距離京沈客專正線左線線間距為18.87m；北京方向下行聯(lián)絡(luò)線距離京沈客專正線左線線間距為13.29m，并采用半徑為1400m 的左偏曲線大角度偏離京沈客專正線。聯(lián)絡(luò)線與京沈客專正線平面關(guān)系見圖1。洞口從左向右分別為孫家溝2 號隧道（下行）、孫家溝隧道（正線）、孫家溝1 號隧道（下行），橫斷面相對位置關(guān)系見圖2。

圖1 聯(lián)絡(luò)線與京沈客專平面關(guān)系圖

圖2 孫家溝2 號、孫家溝、孫家溝1 號橫斷面關(guān)系圖

2.2 聯(lián)絡(luò)線隧道

孫家溝1 號隧道全長803m，最大埋深約58.95m；隧道整體位于半徑R=1400m 的左偏曲線上，隧道縱坡為21.5‰的上坡。

孫家溝2 號隧道全長1303m，最大埋深約78.65m。隧道進口25m 長直線，其余地段位于R=1400m 的左偏曲線上，隧道內(nèi)縱坡為4.5‰的上坡。

2.3 隧道建筑限界及設(shè)計原則

聯(lián)絡(luò)線的隧道設(shè)計時速160km，單線隧道，隧道建筑限界按高速鐵路建筑限界輪廓及基本尺寸設(shè)計，隧道內(nèi)輪廓在考慮電氣化接觸網(wǎng)懸掛設(shè)備布置要求、養(yǎng)護維修及其他使用要求，以及考慮結(jié)構(gòu)受力條件及施工運營等因素的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)高度，軌面以上凈空設(shè)計面積為45.79m2。

京沈客專正線隧道設(shè)計為時速350km 的雙線隧道，隧道建筑限界按高速鐵路建筑限界輪廓及基本尺寸設(shè)計，軌面以上凈空橫斷面面積為100m2。

2.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

隧址區(qū)最冷月平均氣溫-9.1℃，土壤最大凍結(jié)深度1.05m，隧道區(qū)地震動峰值加速度0.05g（地震基本烈度Ⅵ度）。隧道范圍揭示地層，第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）新黃土，侏羅系上統(tǒng)金剛山組凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，侏羅系吐呼嚕組凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r。全風(fēng)化的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，強風(fēng)化的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r具強膨脹性。圍巖存在微量基巖裂隙水。

2.5 地形地貌

地形起伏比較大，溝谷較多，存在多處長段落的淺埋偏壓地段，為工程實施帶來很大的工程風(fēng)險。

3 技術(shù)措施及控制標(biāo)準(zhǔn)

本項目技術(shù)措施主要需解決的問題分2 個方面：一方面是控制后行隧道施工爆破振動對先行隧道結(jié)構(gòu)安全的影響；另一方面控制圍巖變形，防止后行隧道施工引起的圍巖變形過大，影響先行隧道的結(jié)構(gòu)安全以及相互影響后自身受力體系的改變。為保證孫家溝隧道的安全，孫家溝隧道與孫家溝1 號、2 號隧道距離較近地段二次襯砌采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，其中Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段拱墻進行徑向注漿加固圍巖。

3.1 圍巖松動相互影響區(qū)域分析

為了探究3 座相鄰隧道開挖對彼此之間的相互影響，分別對3 種工況進行建模數(shù)值模擬分析：一是僅開挖中間的雙線隧道，模擬分析地層的位移變化情況，如圖3 所示；二是開挖完雙線隧道后再開挖右側(cè)的單線隧道，模擬分析地層及2 座隧道的位移變化，如圖4 所示；三是開挖完雙線隧道后同時開挖兩側(cè)的單線隧道，模擬分析地層及3 座隧道間的位移變化情況，如圖5 所示。

工況一：僅開挖孫家溝隧道。

圖3 工況一豎向位移云圖

工況二：開挖孫家溝隧道后，再開挖孫家溝1 號隧道。

圖4 工況二豎向位移云圖

工況三：開挖孫家溝隧道后，同時開挖兩側(cè)孫家溝1 號、2 號隧道。

圖5 工況三豎向位移云圖

表1 孫家溝隧道變形統(tǒng)計表mm

從表1 計算可以看出，后期施工對于先期隧道開挖影響比較大，必須采取控制性措施減少對既有隧道的影響。

3.2 同期施工段落的確定

根據(jù)工程的進展，要求京沈客專正線隧道在聯(lián)調(diào)聯(lián)試之前，聯(lián)絡(luò)線隧道需要施工完成或初期支護能夠完成，避免在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間爆破開挖對其造成影響。根據(jù)隧道開挖松動圈影響范圍，同期施工段落劃分原則為聯(lián)絡(luò)線隧道與京沈客專在建隧道同側(cè)線間距小于45m 的段落。根據(jù)開挖影響程度，小于25m 的范圍為重點控制變形范圍，其主要考慮原則為兩洞之間的凈土柱大于正線毛洞的跨度。

3.3 聯(lián)絡(luò)線主要工程措施

根據(jù)隧道間線間距不同設(shè)計分別采用非爆破法開挖、非爆與控制爆破組合法開挖。根據(jù)以往國內(nèi)外對減振技術(shù)的研究成果，非爆開挖和數(shù)碼電子雷管爆破技術(shù)是減振的有效措施。針對孫家溝1 號、2 號隧道淺埋、偏壓、鄰近既有隧道采用“非爆破”切削法進行施工，其中，單臂掘進機是一種比較好的施工機械。在中低硬度及以下的巖層中，單臂掘進機可以直接用于隧道的快速掘進施工。本隧道單臂掘進機開挖是將掌子面分為6 個部分依次切削。

鑒于京沈客專正線隧道施工在先，相應(yīng)同期施工段落采用以下主要工程措施。

赤喀客專北京聯(lián)絡(luò)線隧道與京沈客專同期施工需采用單臂掘進機開挖，上行線孫家溝1 號隧道與正線同側(cè)線間距（d）全部位于0＜d≤25m 范圍，總長763m，全斷面采用掘進機法開挖。下行線孫家溝2 號隧道與正線同側(cè)線間距位于0＜d≤25m范圍，全斷面采用掘進機法開挖；位于25＜d≤45m 范圍，上半斷面采用掘進機法開挖，下半斷面采取適當(dāng)控制措施。其爆破震動安全允許標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》相關(guān)要求，同期施工段爆破控制標(biāo)準(zhǔn)確定為10cm/s。

聯(lián)絡(luò)線隧道超前支護措施進行細(xì)化設(shè)計，隧道洞口拱部采用φ108mm 大管棚+小導(dǎo)管超前支護，其余Ⅴ級圍巖地段采用φ89mm 中管棚+小導(dǎo)管超前支護，Ⅳ級圍巖地段采用φ42mm 密排小導(dǎo)管超前支護。

相互干擾段采用全環(huán)徑向注漿措施加固地層，兼顧寒區(qū)隧道防寒堵水作用。

4 施工監(jiān)控量測

隧道群施工相互影響較大，在施做二次襯砌之前，應(yīng)全過程對襯砌進行監(jiān)控量測，積累量測數(shù)據(jù)，為信息化設(shè)計與施工提供依據(jù)。實時驗證支護結(jié)構(gòu)效果，確認(rèn)或調(diào)整支護參數(shù)和施工方法，以及確定二次襯砌施作時間；確保施工安全及結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。兩側(cè)單線隧道的外側(cè)壁、拱頂點、小間距巖柱側(cè)壁及與底板的連接處，還有施工過程中的臨時巖柱，這些部位在施工過程中必須重點監(jiān)控，以指導(dǎo)信息化施工。

5 結(jié)論與體會

從京沈客專與赤喀客專北京聯(lián)絡(luò)線小間距隧道的設(shè)計與施工過程中所表現(xiàn)出的特殊情況以及采取的應(yīng)對措施，進一步認(rèn)識小間距隧道施工的技術(shù)要點與難點，同時也積累了一些實踐經(jīng)驗，為同類工程建設(shè)，特別是對小間距隧道的開挖方式、支護具有實際的指導(dǎo)作用，對降低工程安全風(fēng)險也有重大借鑒意義。

1）先行開挖的隧道需要加強支護措施，通過徑向注漿加固洞頂圍巖及中間巖柱，使隧道的支護結(jié)構(gòu)與圍巖形成穩(wěn)定的支護體系。

2）后行開挖的隧道加強超前支護措施，使兩側(cè)單線隧道的拱部形成棚架支護效應(yīng)，通過機械開挖以后，迅速采取全環(huán)徑向注漿措施，加固隧道周邊的圍巖，尤其小間距隧道中間的臨時巖柱。

3）隧道同側(cè)線間距小于25m，即相鄰隧道間凈土柱小于大斷面的最大跨度時，隧道全斷面采用單臂掘進機機械開挖，最大限度減少對周邊巖體的擾動，降低對相鄰已成型隧道支護結(jié)構(gòu)的不利影響。隧道同側(cè)線間距介于25～45m 時，即相鄰隧道間凈土柱介于大跨度隧道1～2 倍跨徑時，可以采取機械開挖與控制爆破相結(jié)合的施工方法。