复杂地层中矿山法叠落隧道施工技术与应用
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摘要：本文结合北京地铁6号线一期工程北海北站-南锣鼓巷站区间工程施工实例，主要介绍了矿山区间叠落隧道施工关键技术、施工控制要点、监测实施情况，从施工方案优化、技术措施和风险管控等方面作相关技术总结，成功的实践经验可为类似工程施工提供重要参考价值。
关键词：地铁区间、叠落隧道、施工技术
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1引言
本工程矿山法叠落隧道长度190余米，上下隧道结构净距最小为1.5m，长距离矿山法隧道叠落施工在北京地区尚数首例，在国内也只有深圳、广州等地有少数盾构区间隧道叠落施工实例。随着地铁建设的开展，线网并线情况逐渐增多，施工设计中上下叠落的工况逐渐增加，需要一个成熟的施工技术来指导设计及施工。
2工程简介
2.1设计概况
北海北站～南锣鼓巷站区间线路由北海北站东端向东出发，沿地安门大街敷设，下穿连接北海和前海的暗河，过地安门后左线向右线靠拢，最终形成右线在下、左线在上的叠落状态，区间线路起止里程为右K9+794.710～右K10+961.530，右线长度约1166.820 m。左线隧道纵剖面为上坡，区间隧道埋深12.9～20.1m，右线隧道纵剖面为人字坡，区间埋深12.9～21.2m；区间暗挖断面采用单线单洞马蹄形断面，采用矿山法施工。初支结构采用250mm厚钢格栅+Φ6.5的单层网片，网格尺寸为150×150 mm，纵向连接筋采用Φ22，长度随格栅间距调整，环向间距1 m双层交错布置，初支外包土工布+EVA塑料防水板，二衬采用300mm厚钢筋混凝土，混凝土为P10C40等级，复合衬砌结构。本区间叠落段为右K10+700～+961.530，长度约192.147m，左右线隧道间距为0-12m,达到2号竖井及与南锣鼓巷站相接范围为完全叠落区段，呈现左线在上右线在下的隧道关系,隧道结构净距最小为1.5m。
2.2水文地质情况
区间地层自上而下依次为：粉土填土①层、杂填土①1层、粉土③层、粉质粘土③1层、粉细砂④层、中粗砂④1层、圆砾－卵石⑤层、粉质粘土⑥层、卵石⑦层、粉质粘土⑧层。
本次勘察50m深度范围内，实际量测5层地下水，分别为上层滞水（一）、潜水（二）、层间潜水（三）、承压水（四）、层间水（五），其中层间水（五）位于⑾卵石层，本工程涉及不到。本区间结构位于第二层潜水层以下，底板进入第三层层间潜水水位和第四层承压水静止水位0～3.5m。
3风险因素分析
3.1 环境风险
区间多处下穿热力、雨污水、电力、燃气、上水等大型带水、带压地下管线，下线隧道结构进入承压水约3.5m，且地层穿越粉土、粉细砂和砂卵石，地质条件复杂，隧道拱部大部分处于粉细砂和砂卵石地层，稳定性较差，开挖过程中容易发生突泥涌水和坍塌，对地下管线可能会造成破坏，导致管线开裂、渗漏、地面坍塌等事故的发生，必须采取可靠的技术措施才能保证安全施工，风险极大。
3.2 隧道自身风险
根据工程地质特点，上部隧道（左线）拱部地层为粉细砂和砂卵石，下部隧道（右线）拱部大部分地层位于粉质粘土6层，在该段采用“先上后下或是先下后上”的施工顺序，存在以下风险：
（1）上洞贯通后，下洞施工时的卸载与沉降对夹层土体产生扰动，破坏了夹层土体原有的结构，容易造成上洞结构下沉，产生变形等破坏。下洞施工过程中，如果开挖控制不好，可能造成上方土体坍塌或是较大沉降，致使上部隧道结构受损，还可能导致上洞隧道结构在纵向产生沉降或隆起，使上洞原本平顺的竖曲线发生不规则变化，对上洞长期运营和防水不利。
（2）下洞贯通后，上洞施工时两次正常的沉降累加可能超限，致使地面建筑物和地下管线受损。但对下部已建隧道采取纵、径向加固等措施也可保证结构安全。根据地层条件，下部隧道拱部为粉质粘土6层，通过采取注浆预加固可控制拱部坍塌和沉降。
综合考虑困难地段地面建筑物较少的条件，为确保隧道结构安全，优先推荐“先下后上”施工顺序，上行隧道要在下行隧道建成后变形稳定或是至少延后30m（4倍洞径）方可施工。
4设计方案优化
根据上述分析，本段施工存在环境和结构自身两大风险，如何确保安全开挖，超前采取预控措施和有效的技术手段，需要认真对不同工况进行核算，把地面沉降、结构变形和管线断裂控制在设计指标范围内是施工过程控制的重点，而控制好结构自身变形和土体的扰动是前提条件。
4.1设计核算
本次以初支叠落阶段工况计算，主要进行下行隧道荷载结构模型计算。隧道结构弯矩和剪力如图所示。从弯矩图中可以看出隧道结构受力弯矩最大处在拱腰位置，受剪力最大处在拱腰和结构中间位置，该处结构受力变形为最不利荷载，为减小结构变形和沉降，应控制好结构封闭时间、增强格栅连接的强度和整体的稳定性，降低对周边土体的扰动从而减小土体对结构产生的多次扰动变形荷载。因此，从设计方案上应采取相应技术措施有效控制各项指标达到安全施工的目的。
4.2 设计方案优化
4.2.1增加临时仰拱措施
为有效控制结构自身变形，减小初支格栅封闭时间，开挖土方后及时形成封闭的初支结构，增强结构抗变形的能力，在隧道初支结构中间增设一道临时仰拱，即遵循隧道施工“化大为小、快速封闭”的原则施工，能有效控制沉降。
4.2.2 地层超前预加固措施
控制地面沉降一般从增加地层刚度及减少施工中的地层损失来控制，根据隧道沿线地面条件考虑采用超前导管和深孔注浆等措施，提高地层的抗变形能力，减少地面沉降变形槽的延伸，从而达到保护地下管线和控制沉降的目的。
因左线K10+776～K10+936段（长160m）区间降水井位于八号线盾构区间冲突，该段施工措施由井点降水调整为洞内深孔注浆止水。对于区间左线K10+776～K10+936段（长160m）北侧⑤层地下水进行止水处理，竖向止水帷幕上下嵌入上下粘土层1m，止水高度平均8.5m，止水墙厚度2m,止水帷幕渗透系数1×10-7cm/s。止水帷幕紧贴支护外缘设置，在右K10+843～K10+936隧道叠落段，止水帷幕在隧道侧墙及拱部与左线隧道拱部深孔注浆支护结合设置。止水帷幕超前左线隧道开挖面不少于20m，同时加强前方地下水探测，根据地下水情况修正止水方案，若水量大则增加开挖面堵水措施。
图6 掌子面深孔注浆加固孔位及加固范围示意图
（1）区间隧道交叠段里程为K10+770~ K10+843，加固措施为开挖前打设超前小导管，小导管采用φ42（卵石-圆砾层采用φ25）钢管，环向间距0.3m，L=1.8m，每榀打设，纵向搭接长度不小于1m，水平倾角10°~15°，注浆压力根据不同土层试验确定。
图7 叠落段深孔注浆加固范围示意图
（2）区间隧道交叠段里程：K10+843~ K10+932.214，K10+932.214~ K10+961.530，加固措施为对左线上半断面开挖轮廓外1.5m和右线上半断面开挖轮廓外1.95m土体进行深孔注浆加固，注浆压力根据不同土层现场试验确定。
深孔注浆施工为洞内超前预注浆工法，浆液根据地层采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆。当拱顶围岩为粉细砂层、粉质粘土，通过深孔注浆加固围岩，可以使该部分围岩形成一个壳体，大大改善该部分围岩的物理力学性能，保证隧道开挖时上方围岩稳定。深孔注浆工法采用分段后退式注浆工艺，注浆孔采用钻机打设，注浆采用喷射式注浆，注浆扩散半径约0.75 m，注浆压力保持0.8~1.5 MPa，并随时注意地层情况，及时调整注浆参数。