城市轨道交通大跨度小净距矿山法群洞隧道关键技术研究

城市轨道交通大跨度小净距矿山法群洞隧道关键技术研究

卢晓智1

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东，广州，510010）

摘要：本文以广州市轨道交通十八及二十二号线番禺广场站南端区间隧道为工程背景，研究了城市轨道交通大跨度小净距矿山法群洞隧道关键技术，论述了隧道断面设计方法、对夹岩柱和先行洞的保护措施、群洞隧道施工工序、数值模拟分析等，工程实践证明特大跨度小净距矿山法群洞隧道的支护方案、夹岩柱加固方案及先行洞保护方案是安全可靠的。

关键词：大跨度；小净距；矿山法；群洞隧道

1 引言

近年来，越来越多工程采用了大跨度小净距矿山法群洞隧道。庄宁等[1]以海国际航运中心洋山深水港区小洋山隧道工程为背景研究了小净距大跨度群洞隧道的施工顺序，王红喜[2]以成都天府机场高速公路龙泉山1号隧道工程为背景研究了超大跨度小净距隧洞群影响分区与施工工序，李建林等[3]以兴延高速公路白羊沟隧道为背景研究了不同施工方法下围岩和支护结构的变形及力学特性，李小刚等[4]以厦门海沧疏港通道工程为背景研究了爆破动载作用下大跨度小净距隧道中夹岩柱的振动响应及累积损伤演化规律，李宁[5] 研究了大跨度小净距地铁隧道施工中围岩的稳定性，杨永红[6] 研究了城市复杂环境中大跨度、小净距隧道的施工技术。从上述研究进展看出，大跨度小净距矿山法群洞隧道大多应用于公路隧道。在城市轨道交通工程中，隧道设计需要考虑线路、行车配线、换乘功能、车站规模及周边环境等因素，需要进一步研究。本文以广州市轨道交通十八及二十二号线番禺广场站南端区间隧道为工程背景，研究了城市轨道交通大跨度小净距矿山法群洞隧道关键技术，供同类工程借鉴参考。

2工程概况

广州市轨道交通十八及二十二号线为同期建设的市域快线，设计最高时速为160km/h，其中十八号线起始于万顷沙站，终止于广州东站，线路全长约61.3km，均为地下线，共设9座车站；二十二号线起始于番禺广场站，终止于白鹅潭站，线路全长约30.8m，均为地下线，共设9座车站。

十八及二十二号线在番禺广场站同台换乘，在番禺广场站南端的区间设置了十八号线番禺广场站~横沥站区间、二十二号线折返线和陇枕停车场出入场线共6条并行的线路，6条线路两两组合为3个特大跨度单洞双线的群洞隧道。群洞隧道大致沿南北向敷设，长度259.3m~323.0m。

图1隧道总平面图

本工程场地地貌属于珠江三角洲冲积平原（滨海沉积区），地形较平坦。岩土分层从上往下主要为人工填土、淤泥质土、淤泥质中粗砂、可塑状砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩等。本工程隧道围岩主要为中风化花岗岩，围岩等级为Ⅲ级。本工程场地水文地质条件中等复杂，地表水比较发育，罗家涌位于本场地范围内，且在本场地上方穿过，河涌宽约18m，深约2.5m，场地距离市桥水道约0.5km。地下水主要分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。

3大跨度小净距矿山法群洞隧道设计

3.1线路及隧道结构设计

群洞隧道的线路设计关键点在于确定合理的线间距。本段隧道线路大致呈南北向敷设，6条并行线路自西向东依次为十八号线左线、陇枕停车场出场线、二十二号线左线、二十二号线右线、陇枕停车场入场线、十八号线右线。为了尽量减少番禺广场站的车站规模，车站南端6条线路两两组合为3个单洞双线群洞隧道，每个单洞双线隧道内均设置中隔墙。根据限界要求，线路至中隔墙的最小净距为2.8m，中隔墙厚度0.4m，因此单洞双线隧道的线路最小线间距为2.8×2+0.4=6m。

线路出番禺广场站后向南行进，线间距除了满足单洞隧道断面的限界要求外，还需结合隧道结构方案的要求进行设计。隧道结构设计需要考虑如何由矿山法群洞隧道转为盾构法隧道。本线的盾构法隧道外径为8.5m，在Ⅲ级围岩中隧道最小净距可以设为2m，因此矿山法群洞隧道的线路线间距需要逐渐拉开，当线间距增大至8.5+2=10.5m时可以转为盾构法隧道。

在线间距渐变的情况下，既要减少隧道断面尺寸类型，又要将群洞隧道的净距保持在安全可控的范围内。综合考虑以上因素，本工程的群洞隧道设计了5种断面尺寸，如下表。

表1群洞隧道断面尺寸

3.2隧道支护参数

本工程隧道毛洞跨度14.7m~19.6m，群洞隧道的净距为1.7m~4.6m，隧道围岩主要为中风化花岗岩，围岩等级为Ⅲ级，根据地质勘察资料，岩层裂隙较发育，局部由于机械破碎造成岩芯较破碎，岩芯呈短柱、碎块状，岩质稍硬，RQD约为6～53%。

隧道采用浅埋暗挖法及喷锚构筑法进行设计，支护参数设计采用理论计算与工程类比相结合的方式，并采用信息化设计与施工。隧道拱顶及边墙设置Φ22早强砂浆系统锚杆，长3.5m，环向间距1m，纵向间距1m，错开布置；在隧道拱顶150°范围设置Φ42超前小导管，长4m，环向间距0.3m，纵向间距2m；初支设置双层Φ8@150x150钢筋网片；钢架采用Φ32钢筋格栅钢架，纵向间距0.5m；初支喷射混凝土为350mm厚早期砼。根据不同断面的尺寸，A0、A1、A2、A3断面采用CRD法开挖，A4、A5断面采用双侧壁导坑法开挖。

3.3夹岩柱加固及先行洞保护方案

按照一般工程的定义，隧道净距小于1倍洞径就是小净距隧道，而本工程群洞隧道的隧道净距与毛洞跨度之比只有0.1左右，如何确保夹岩柱的稳定和保护先行洞是本工程设计的关键点。主要采取了以下的技术措施：

（1）采用预应力对拉锚杆对夹岩柱进行加固，锚杆环向间距1m，纵向间距1m，错开布置。张拉设备采用千斤顶，锚杆预张拉力为100KN。隧道开挖后先初喷40mm厚早强砼，然后施作对拉锚杆，待锚杆水泥砂浆达到强度后进行张拉，然后架设初支格栅钢架、喷射早强砼形成初支。

（2）针对本工程群洞隧道跨度大、净距小的情况，采取了超前小导管支护，对破碎的夹岩柱进行加固。

（3）后行洞开挖机械开挖和静力爆破结合的开挖方式，避免采用爆破开挖，减少对夹岩柱的扰动，并避免造成先行洞的衬砌破坏。

（4）在后行洞开挖之前完成先行洞的二衬模筑钢筋砼衬砌，加强先行洞支护的刚度。群洞隧道先行洞位于两侧，后行洞位于中间，确保后行洞开挖时拱脚的稳定性。

4大跨度小净距矿山法群洞隧道施工开挖工序及数值模拟

4.1施工开挖工序

为了确保夹岩柱的稳定性，群洞隧道先开挖两侧的隧道，待两侧隧道贯通并完成二衬施工后，再开挖中间的隧道。

图2群洞隧道施工开挖工序

4.2数值模拟

数值模拟采用地层-结构计算模型。初支采用梁单元模拟，地层采用平面应变单元模拟，地层本构模型采用摩尔库伦弹塑性模型，地层参数按地层物理力学参数表选取。

数值模拟计算结果表明，特大跨度小净距矿山法群洞隧道夹岩柱（花岗岩中风化地层）的最大竖向压应力为1.54Mpa，最大水平压应力为0.55Mpa，而该地层的天然单轴抗压强度标准值为36Mpa，夹岩柱的围岩承载力满足要求。再综合考虑对夹岩柱进行预应力对拉锚杆和超前小导管加固的有利影响，可以确保群洞隧道施工时夹岩柱的稳定性。

图3地层水平应力（KPa）

图4地层竖向应力（KPa）

5结论

在城市轨道交通工程中，考虑到线路、行车配线、换乘功能、车站规模及周边环境等因素，采用多条线路并行的设计方案，隧道相应采用大跨度小净距矿山法群洞隧道。本文以广州市轨道交通十八及二十二号线番禺广场站南端区间隧道为工程背景，研究了城市轨道交通大跨度小净距矿山法群洞隧道关键技术，结论如下：

（1）隧道断面可采用单洞双线的群洞隧道，在线间距渐变的情况下，既要减少隧道断面尺寸类型，又要将群洞隧道的净距保持在安全可控的范围内。

（2）对夹岩柱和先行洞的保护措施采用预应力对拉锚杆、超前小导管支护，后行洞开挖之前完成先行洞的二衬模筑钢筋砼衬砌，加强先行洞支护的刚度。

（3）大跨度小净距矿山法群洞隧道施工工序为：先开挖两侧的隧道，待两侧隧道贯通并完成二衬施工后，再开挖中间的隧道

（4）根据数值模拟和现场实际施工验证，特大跨度小净距矿山法群洞隧道的支护方案、夹岩柱加固方案及先行洞保护方案是安全可靠的。

参考文献

[1] 庄宁,廖少明,孙忠成,朱合华. 大跨度小净距群洞隧道施工方案优化研究[J]. 地下空间与工程学报,2007,No.16(01):96-100.

[2] 王红喜. 超大跨度小净距隧洞群影响分区与工序研究[J]. 四川建筑, 2021,v.41;No.202(06):162-165.

[3] 李建林,吴金刚,毕强. 大跨度小净距公路隧道设计与施工方法研究[J]. 现代隧道技术,2019,v.56;No.388(05):157-162+227.

[4] 李小刚,周先齐,杨杭澎,付晓强,俞缙. 大跨度小净距隧道中夹岩爆破振动控制与损伤判别[J]. 隧道建设(中英文),2022,v.42;No.260(03):406-413.

[5] 李宁. 大跨度小净距地铁隧道施工中围岩的稳定性研究[D].西安科技大学,2017.

[6] 杨永红. 城市复杂环境小净距大跨度隧道施工技术探究[J]. 工程建设与设计,2016,No.340(08):190-191.