上下并行矿山法隧道施工相互影响研究

赵耀ZHAO Yao

（江苏中车城市发展有限公司，无锡 214104）

0 引言

随着我国经济的快速发展，人民群众的出行需求日益增长，各个城市加快推进综合交通建设，一批集铁路、轨道交通、公路等综合性车站建设而成。各综合性站点建设过程中，不可避免地要遇到相邻线路的近距离施工，其中尤以近距离隧道并行施工居多，带来了很多施工难题。对于隧道并行施工，很多专家学者已经做了大量的研究，并取得了许多可以借鉴的成果，如：文献[1]指出如果新建隧道处于硬岩中，新建隧道开挖爆破产生的地震波会危及既有隧道衬砌结构的安全和稳定，既有隧道衬砌迎爆侧边墙所受到的影响最为显著；文献[2]指出既有隧道最大振动点及最大反射拉应力均出现在迎爆侧直墙中部和上部，此区以反射拉伸破坏为主，是最危险的区域，最大剪应力出现在迎爆侧底板，此区有剪切破坏的可能，拱顶的剪应力也较大。前人的研究成果对工程建设很有指导意义，并行隧道施工中，必须关注爆破对隧道衬砌结构的影响，本文通过对羊头山隧道和下北山隧道的施工时序进行探讨，采取了一系列施工措施，对并行矿山法隧道施工中相关影响进行了研究。

1 工程概况

台州市域铁路S1 线一期羊头山隧道位于台州市椒江区建库村，隧道起讫里程：S1DK1+726.0～S1DK2+580.0，全长854m，其中单洞双线长674m，双洞单线长180m，均采用矿山法开挖，单洞双线开挖面积约170m2，双洞单线每个洞开挖面积约57.6m2，单洞双线到双洞单线采用燕尾段过渡。羊头山隧道属剥蚀丘陵区，自然丘坡15°～30°。地面起伏大，地表植被发育。隧道沿线有高压铁塔两座，隧道进口（S1DK1+726.0～S1DK1+745.0）附近有墓群、农田、池塘，用地红线范围内多处坟地。隧道出口西侧为下北山村。羊头山隧道线路西侧有待建杭绍台铁路下北山隧道，1#隧道长165.58m、2#隧道长429.772m，并行位置对应S1 线里程DK1+760-DK1+925.58、DK2+015-DK2+444.772。两隧道在羊头山隧道入口处间距最小，最小水平净距12.45m，竖直净距2.46m，最小净距16.57m，往大里程段水平间距和垂直距离不断增加，两隧道出口段水平间距约30m，垂直距离约14.3m。两隧道交叠施工，存在相互影响。

羊头山隧道待开挖岩石为凝灰岩，根据地质勘察报告，隧道围岩级别为Ⅱ～Ⅴ级；隧道明挖段及洞身岩石普氏硬度系数约f=2～9。根据地勘报告提供的各类岩组的物理力学参数、岩体结构、结构面发育特征及各项定性、定量成果资料分析，隧道围岩分级级施工方法见表1、表2。

表1 羊头山隧道围岩分级表

表2 羊头山隧道施工方法一览表

因为杭绍台下北山隧道属于单洞四线高铁隧道，最高行车速度350 公里每小时，该隧道相比普通隧道开挖断面更大，达到356m2，这也是国内开挖断面最大的高铁隧道，由于下北山隧道所处区域地质条件复杂，面临断面大、围岩整体较差，埋深较浅，最小埋深不足3m 等情况，整体施工难度大、安全风险高。因为S1 线羊头山隧道位于杭绍台铁路下北山隧道斜下方，且两条隧道全部采用爆破施工，且属于同一时间段施工，相关干扰大，尤其是羊头山隧道对斜上方的大洞隧道影响更为明显。本文通过对羊头山隧道施工过程进行分析，对并行隧道施工顺序进行有益探讨。

2 两条隧道实施总体策划

考虑到两条矿山法隧道并行施工，为了最大限度地减少相互间施工影响，保证两条隧道的施工安全，宜先下后上，即羊头山隧道施工在前，下北山隧道施工在后。

羊头山隧道由小里程进洞，由北向南单向施工。

下北山隧道采用双侧壁导坑法，V 级围岩采用8 部开挖法，平均开挖初支工效50m/月，计划开挖初支工期2019年1 月到2020 年1 月，先施工2#隧道，由北向南单向施工，2#隧道开挖完成后，再由南向北施工1#隧道。

图1 羊头山隧道与下北山隧道相对位置关系图

杭绍台铁路下北山2#隧道起点位于S1 线羊头山隧道前面约270m，且下北山2#隧道比羊头山隧道早开工，但是羊头山隧道的开挖初支工效比下北山隧道高，所以隧道开挖最终会赶上并且超过下北山隧道。下北山2#隧道施工二衬前，羊头山隧道掌子面必须要超过下北山2#隧道进口。

为避免杭绍台铁路下北山1#隧道与S1 线羊头山隧道相向施工，保证施工安全和质量，待S1 线隧道二衬超过杭绍台铁路1#隧道后，杭绍台铁路1#隧道再进洞施工。

3 羊头山隧道施工工艺

羊头山隧道的开挖方法分为全断面法、台阶法、三台阶法、三台阶临时仰拱法、台阶临时仰拱法（单线）开挖等，根据开挖方法的不同，每一循环隧道开挖的程序有所不同。全断面开挖是按隧道的设计轮廓一次开挖完成，适用于本隧道Ⅱ级围岩隧道施工；台阶法开挖分为两步，即上台阶开挖支护后进行下台阶开挖支护，完成一个开挖循环，适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩隧道施工；三台阶法、三台阶临时仰拱法开挖法将隧道一个断面分为三个小的断面进行开挖，以前后三个不同位置相互错开同时开挖，然后分部及时支护，形成支护整体，适用于本隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道施工。

超前支护在上一循环上台阶钢架施工结束后进行，尾部与钢架焊接牢固。超前支护钻孔时，应根据经验对前方围岩破碎情况、空腔、溶洞、涌水等进行判断，作为超前地质预报的补充。

羊头山隧道和下北山隧道交叉施工主要是采用全断面法、台阶法、三台阶法带I 型超前小导管。

3.1 超前小导管施工

浆液采用水泥单浆液，水灰比1∶1（重量比），施工时由试验室选定，使用不低于32.5 强度的水泥。

小导管施工采用Ф42 和Ф50 钢管，在前部管壁按梅花形布置溢浆孔，孔径为10mm，间距15cm，由风枪打入，小导管间距0.3～0.5m，施工时钢管尾部焊接在钢架上，顶部做成尖锥状，尾部长度不小于30cm，作为止浆段。

3.2 全断面法施工

全断面法适用于II 级围岩段，每循环进尺2.1m，断面一次性光爆，施工准备→爆破设计→测量放线→钻孔台车就位→钻眼→装药→爆破→通风→围岩初喷混凝土→出渣→开挖断面检查及爆破效果评价→拱墙支护。

图2 全断面法施工工序图

3.3 台阶法施工

3.3.1 施工程序

施工准备→上台阶开挖支护→下台阶开挖支护→仰拱开挖支护。

3.3.2 施工工序：图3 台阶法断面施工工序图

图3 单洞双线台阶法断面施工工序图

①开挖上部台阶，施作上部洞身部位的初期支护。②上台阶施工至适当距离后，下部台阶，施作洞身部位的初期支护。③带仰拱断面开挖仰拱部位台阶，灌注仰拱。

3.4 三台阶法

3.4.1 施工程序

施工准备→上台阶开挖支护→中台阶开挖支护→下台阶开挖支护→仰拱开挖支护

3.4.2 施工工序：图4 三台阶法断面施工工序图

图4 三台阶法断面施工工序图

①开挖上部台阶，施作上部洞身结构的初期支护，即初喷4cm 厚混凝土，架立钢架；钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。②上台阶施工至适当距离后，开挖中部台阶，接长钢架，施作洞身结构的初期支护。③开挖下部台阶，及时封闭初期支护。④灌筑该段内仰拱。⑤灌筑该段内隧底填充。

3.4.3 施工注意事项

①隧道施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。②如有超前支护等辅助施工措施，应首先利用上一循环架立的钢架施作完毕，再开挖。③开挖方式均采用弱爆破。爆破时严格控制炮眼深度及装药量。④锁脚钢管应及时设置，且必须对锁脚钢管进行注浆，以确保钢架基础稳定。⑤各步台阶一次开挖长度宜在2～3m 之间。下部台阶开挖后仰拱应紧跟。⑥本隧道III、Ⅳ级围岩每循环开挖进尺为2m，II 级围岩每循环开挖进尺为3m，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，及时施作并封闭成环，封闭位置距离掌子面不得大于35m。⑦上台阶开挖进尺5m 左右时，开始中台阶开挖，中台阶进尺5～10m 后，开始下台阶开挖；中下台阶开挖时马口错开两个循环（2m）。初期支护封闭成环位置距掌子面约30m；仰拱及仰拱填充滞后封闭成环位置约10m；二衬滞后仰拱填充约35m。满足安全步距要求。⑧上中台阶出渣时，挖掘机在中台阶展开作业；下台阶开挖时，挖掘机在已完成仰拱填充或未开挖下台阶展开作业。

4 两条隧道施工管控

2019 年8 月15 日，下北山2#隧道浇筑进洞口首版二衬，此时羊头山隧道掌子面位于S1DK1+963，滞后下北山2#隧道二衬约52m，滞后下北山2#隧道1 号导洞掌子面约225.2m。2019 年9 月19 日，此时羊头山隧道掌子面位于S1DK2+015，位于下北山2#隧道进口，即下北山2#隧道首版二衬处，滞后下北山2#隧道二衬约48m。2019年11 月15 日，此时羊头山隧道掌子面位于S1DK2+133，此时围岩等级为II 级，超过下北山2#隧道二衬。2020 年1 月3 日，此时羊头山隧道掌子面位于S1DK2+226，滞后下北山2#隧道1 号导洞约218m，此时下北山2#隧道1号导洞已经贯通。2020 年5 月13 日，羊头山隧道左洞掌子面位于S1DK2+444，超过下北山2#隧道出口。2020 年7月17 日，羊头山隧道右洞掌子面位于S1DK2+444，超过下北山2#隧道出口。通过实际施工情况分析，下北山隧道采用双侧壁导坑法，每个导洞进尺不一样，单个隧道的工作面接近10 处；羊头山隧道进洞比下北山隧道迟4 个月，且后期进度较慢，因此未能按照最初预定的总体实施方案进行施工，两隧道掌子面在30m 之间的施工协调管理是重点，对两个隧道的安全尤为重要，同时必须考虑到爆破对二衬结构的影响。

①当两条隧道间距小于30m，建立联络机制，爆破开挖时间必须错开。提前一天大概确定第二天起爆时间通知对方，然后开始装药时再通知一次，准备起爆前再通知一下，确保另外一个隧道里人员全部清走后再起爆。②开挖采用光面爆破技术，不应欠挖，尽量减少超挖，其开挖半径的平均径向超挖值，平洞不应大于15cm。爆破进尺根据围岩条件确定，控制炮眼装药量和质点震动速度，以最大限度保护周边岩体的完整性，控制超欠挖。对于洞口段、软弱围岩及不良地质地段，应遵循“少扰动，快加固，勤量测，早封闭”的原则，有效控制围岩变形，保证隧道结构安全，当发现围岩变形不收敛或其它异常情况时需采取加强措施。③爆破震速控制，通过优化装药量及爆破工艺，羊头山隧道的爆破振速控制在每秒2cm，下北山隧道爆破振速控制在每秒2.5cm。④因为下北山隧道二衬施工在前，羊头山隧道掌子面一开始在后，并最终超过下北山隧道二衬，考虑到羊头山隧道爆破施工对下北山隧道二衬结构的影响，一是在II 级围岩的里程段进行超越，控制围岩变形；二是坚持短进尺，减少一次爆破用量；三是及时进行初期支护，不能暴露时间过长。⑤加密隧道监控量测，对相关监测项目一天两测。隧道施工过程中，未发现有监测预警的情况发生，总体施工安全可控。

5 结束语

综上可知，羊头山隧道与下北山隧道并行施工，施工过程中因进度原因未能按照既定的先下后上以及下北山隧道的二衬滞后于羊头山隧道掌子面的施工顺序，而是存在一年左右的交叉施工。通过采取一系列施工措施，确保了施工安全及隧道结构的安全，对后续类似工程建设具有一定的指导意义。