新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道的影響及對(duì)策

王曉梅，石文慧，程 瑤

(1.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;3.山西華晉巖土勘察有限公司，太原 030021)

1 工程概況

新石廟溝隧道屬改建鐵路襄渝線(xiàn)安康至重慶增線(xiàn)段，位于陜西省安康市境內(nèi)，隧道起訖里程為YDK323+138～YDK323+595，主體為單線(xiàn)鐵路隧道，其中進(jìn)口緊鄰石廟溝車(chē)站，進(jìn)口段30 m為喇叭口隧道，情況如表1所示。該隧道進(jìn)、出口段與既有隧道間距接近20 m。雙線(xiàn)基本平行，軌面高程基本一致，如圖1所示。

表1 新石廟溝隧道概況

圖1 石廟溝隧道線(xiàn)路布置

既有石廟溝隧道已建成30多年，屬傍山隧道，為進(jìn)出川渝的國(guó)家鐵路一級(jí)干線(xiàn)，運(yùn)輸繁忙，在新隧道施工中，嚴(yán)禁造成任何影響既有線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)的工況或事故。隧道斷面形狀為直墻拱頂，復(fù)合式襯砌，承受偏壓。隧址位于吉河—王家壩平移斷層南翼，基巖多裸露，地層單斜，巖體破碎，節(jié)理較發(fā)育。主要巖性為絹云母片巖及片理化凝灰?guī)r，中厚層～厚層狀，受區(qū)域變質(zhì)影響較深，巖體較破碎。進(jìn)口段巖層極破碎、風(fēng)化帶最厚約達(dá)20 m。新隧道進(jìn)口 YDK323+138～YDK323+350段和出口YDK323+550～YDK323+595段為V級(jí)圍巖，中間其余地段為Ⅳ級(jí)圍巖

通過(guò)核查既有隧道，發(fā)現(xiàn)該隧道部分襯砌混凝土老化，表面已剝落，局部有縱橫裂紋，襯砌內(nèi)表面局部有滴水現(xiàn)象，邊墻局部淌水，其它多處呈現(xiàn)表面潤(rùn)濕。推測(cè)有局部襯砌與圍巖結(jié)合不緊密發(fā)生脫離。

2 新建石廟溝隧道對(duì)既有隧道影響分析

新建隧道對(duì)既有隧道的影響，取決于以下因素:①隧道的間隔，即既有隧道襯砌外緣到接近新建工程外緣的最小距離;②隧道的相對(duì)高度的位置關(guān)系;③新建隧道的規(guī)模;④新建隧道的施工方法(特別是開(kāi)挖方式);⑤地形和地質(zhì)條件(地層的軟硬、埋深等);⑥既有隧道襯砌的結(jié)構(gòu)和力學(xué)健全度等[1]。下面結(jié)合石廟溝隧道的隧道間隔、地形及地質(zhì)條件、新隧道施工爆破振動(dòng)的影響等方面進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

2.1 隧道間隔

從前面的敘述可知，新舊石廟溝隧道的軌面高程基本一致，隧道中線(xiàn)距離<20 m，根據(jù)隧道的位置關(guān)系和間隔大小，按照日本1997年公布的《接近既有隧道施工對(duì)策指南》，兩隧道間隔為1.5D～2.5D(D為隧道直徑)，屬于要注意的范圍［1－3］。隨著新隧道開(kāi)挖面的向前推進(jìn)，由開(kāi)挖面引起的支護(hù)能力就會(huì)隨之減弱，兩隧道之間的圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，隧道發(fā)生變形，將相應(yīng)地出現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)。如圖2所示，新建隧道的開(kāi)挖，使圍巖產(chǎn)生松動(dòng)，原來(lái)的平衡狀態(tài)被打破，襯砌在左側(cè)側(cè)向圍巖壓力的強(qiáng)迫作用下，發(fā)生了向右的位移，就仿佛新隧道對(duì)舊隧道有一種拉伸作用似的，最靠近新隧道一側(cè)邊墻受到的影響明顯比其它地方大。這種“拉伸作用”可能會(huì)引起襯砌結(jié)構(gòu)的破壞和襯砌變形侵限。

圖2 開(kāi)挖新隧道引起既有隧道襯砌的變形

2.2 地形及地質(zhì)條件

結(jié)合隧道線(xiàn)路布設(shè)條件和實(shí)際地質(zhì)條件，隧道處于山脊一側(cè)，存在一定的偏壓作用，并且圍巖破碎，圍巖級(jí)別普遍較低。在偏壓情況下，新石廟溝隧道的開(kāi)挖產(chǎn)生了兩種影響:一種是對(duì)既有石廟溝隧道的“拉伸作用”，另一種是既有隧道右側(cè)圍巖壓力大增。通過(guò)分析，既有隧道所受偏壓效應(yīng)明顯大于新建隧道的“拉伸作用”，所以襯砌產(chǎn)生了遠(yuǎn)離新隧道的變形，就好像新隧道在壓迫舊隧道似的(圖3)。

圖3 既有隧道襯砌在偏壓圍巖壓力下的變形

2.3 新隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響

新建隧道施工爆破時(shí)，大量裝藥爆破釋放的能量部分直接以應(yīng)力波的形式傳播到周?chē)鷰r體中，并進(jìn)而引起應(yīng)變，會(huì)危及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定。在爆破沖擊波的作用下，既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻所受到的影響最為顯著。既有隧道襯砌迎爆側(cè)面處于比背爆側(cè)高得多的高應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于迎爆側(cè)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)側(cè)與外側(cè)的應(yīng)力值會(huì)有所差別，迎爆側(cè)內(nèi)側(cè)的主應(yīng)力比外側(cè)略大[2]。

爆破振動(dòng)對(duì)建筑物破壞程度以所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鄰近施工爆破，應(yīng)采用控制爆破使開(kāi)挖范圍外的巖石引起的爆破振動(dòng)速度最小，使之不影響既有線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)和行車(chē)安全。按照我國(guó)的《爆破安全規(guī)程》(GB6722－2003)規(guī)定，既有隧道允許爆破振動(dòng)速度不應(yīng)超過(guò)10 cm/s［4－5］。由于該既有隧道抗震能力較差，爆破振動(dòng)速度宜控制在 6 cm/s以下。

2.4 既有隧道襯砌的結(jié)構(gòu)和力學(xué)健全度

既有石廟溝隧道已建成30多年，部分襯砌混凝土老化，襯砌內(nèi)表面局部有滴水現(xiàn)象，邊墻局部淌水，其它多處呈現(xiàn)表面潤(rùn)濕。表明既有石廟溝隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全度已接近其承載力的極限，其力學(xué)健全度也大大的降低。新建石廟溝隧道的開(kāi)挖必然會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生較大的影響，如處理不當(dāng)，極容易造成既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

3 施工中的工程對(duì)策

3.1 既有石廟溝隧道加固

新石廟溝隧道與既有線(xiàn)凈距 <20 m，并且既有隧道部分襯砌已出現(xiàn)混凝土老化等現(xiàn)象，為確保既有隧道安全，對(duì)其采取加固措施。

具體措施如下:

1)襯砌背后鉆孔壓注水泥漿，封堵襯砌和圍巖裂隙，隔離水源，堵塞水點(diǎn)，以排除襯砌背后積水，增強(qiáng)襯砌與圍巖黏接。能使襯砌與巖層結(jié)合密實(shí)，以防止圍巖進(jìn)一步變形，并相應(yīng)地加固襯砌和使其均勻受力。

2)在靠近新建線(xiàn)路一側(cè)，對(duì)既有線(xiàn)隧道拱腰及邊墻部位采用系統(tǒng)錨桿加固，錨桿為R25 mm中空錨桿，長(zhǎng)3 m，間距1.0 m，梅花形布置。

3.2 新建石廟溝隧道施工措施

新石廟溝隧道施工安排在既有石廟溝隧道加固后進(jìn)行，主要施工措施如下［6-9］:

1)開(kāi)挖時(shí)采用“套拱法”進(jìn)洞;進(jìn)洞后 YDK323+138～YDK323+160段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法施工;單線(xiàn)Ⅴ級(jí)圍巖采用上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土三臺(tái)階法施工。幾種開(kāi)挖方法視圍巖及對(duì)既有隧道的影響平滑過(guò)渡。隧道開(kāi)挖后對(duì)隧道圍巖進(jìn)行施工階段圍巖級(jí)別判定。

2)洞身臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)部分地段將上下半斷面分別分成兩部分開(kāi)挖，先開(kāi)挖遠(yuǎn)離既有隧道的一側(cè)，再開(kāi)挖另一側(cè);同時(shí)減小鉆孔深度，減少單孔裝藥量。利用先開(kāi)挖的空間為臨近既有隧道的開(kāi)挖部創(chuàng)造出臨空面，減少了對(duì)既有隧道的振動(dòng)影響。

3)洞身爆破開(kāi)挖采用微振動(dòng)控制爆破或光面爆破工藝，塑料導(dǎo)爆管微差毫秒雷管起爆，并將掏槽眼布置在遠(yuǎn)離既有隧道的一側(cè)。

4)采用短進(jìn)尺、炮孔線(xiàn)形布置和起爆、加強(qiáng)炮孔堵塞等以減小爆破振動(dòng)。

5)在緊鄰既有隧道一側(cè)邊界首先打隔離減振孔;或每?jī)蓚€(gè)裝藥周邊孔之間設(shè)一空孔做減振孔，形成孔間距為25 cm的一排密孔，它既可以有效地反射隧道開(kāi)挖區(qū)爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波和振動(dòng)波，減少振動(dòng)波對(duì)既有隧道的破壞，又可起到導(dǎo)向孔的作用。

6)噴錨支護(hù)緊跟開(kāi)挖面及時(shí)施作，以減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛及影響到既有隧道。待噴錨支護(hù)全斷面施作完成后，開(kāi)挖并灌筑仰拱混凝土，使支護(hù)盡早閉合成環(huán)，整體受力，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 安全監(jiān)測(cè)

在新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道影響的研究中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是非常重要的工作。

1)新石廟溝隧道地質(zhì)情況現(xiàn)察

在每次爆破后對(duì)新石廟溝隧道地質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用的儀器以地質(zhì)羅盤(pán)、數(shù)碼相機(jī)為主，主要確定圍巖的巖性、地層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，最終確認(rèn)圍巖的級(jí)別，看是否與原設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別有差別。另外也要加強(qiáng)對(duì)新建隧道的地表下沉、隧底隆起等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。

2)既有隧道洞周襯砌表面裂縫發(fā)展及滲水情況

在每次給定的天窗時(shí)間(沒(méi)有列車(chē)通過(guò)的時(shí)段，每天約1 h)進(jìn)行，在原有裂縫及施工縫處貼觀測(cè)塊標(biāo)記(如圖4)，仔細(xì)觀察其是否繼續(xù)發(fā)展、是否有新裂縫出現(xiàn)，原有裂縫滲水是否有增大趨勢(shì)，是否有新增滲水裂縫。

圖4 既有隧道裂縫發(fā)展情況觀測(cè)塊

3)既有隧道周邊收斂位移

采用SL－2便攜式鋼尺收斂計(jì)，每25 m設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)4條測(cè)線(xiàn)(圖5)。主要是對(duì)隧道壁面兩點(diǎn)間相對(duì)變形量的量測(cè)。它是判斷圍巖動(dòng)態(tài)的最主要的量測(cè)項(xiàng)目，是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映。

圖5 位移測(cè)線(xiàn)布置

4)混凝土表面應(yīng)變

采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行量測(cè)，每50 m布設(shè)一個(gè)量測(cè)斷面，每個(gè)量測(cè)斷面上布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別安裝在拱腳處、直墻中部、直墻下部等位置。通過(guò)監(jiān)測(cè)混凝土襯砌表面變形情況，了解混凝土襯砌的變形特征以及混凝土襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而掌握混凝土襯砌所受應(yīng)力的大小，確保隧道圍巖及襯砌的安全性。

5)爆破振速測(cè)試

在新石廟溝隧道開(kāi)挖爆破時(shí)，用振動(dòng)測(cè)速儀對(duì)既有隧道的振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以控制新石廟溝隧道開(kāi)挖爆破的振動(dòng)，指導(dǎo)新隧道的爆破施工，確保既有隧道的安全。由于新隧道進(jìn)口和出口段為V級(jí)圍巖，中間地段為Ⅳ級(jí)圍巖，所以本次爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)在既有隧道的這三段各測(cè)試一次，分別選擇在新隧道開(kāi)挖掌子面鄰近時(shí)進(jìn)行。

3.4 數(shù)據(jù)整理分析

將監(jiān)測(cè)得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，找出變化的規(guī)律。以既有隧道周邊收斂位移為例:圖6為監(jiān)測(cè)所得既有隧道YDK323+575斷面洞周收斂位移—時(shí)間曲線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)3的最大累積收斂位移為1.280 mm，最終累計(jì)收斂位移0.475 mm，并趨于穩(wěn)定，隧道二次襯砌未開(kāi)裂，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定的要求[10]。其它斷面情況基本類(lèi)似，最大洞周收斂位移均很小，而且基本趨于減少或穩(wěn)定。

同樣對(duì)其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)整理和分析，表明皆符合安全的要求，證明對(duì)既有隧道的加固和新建隧道開(kāi)挖中采取的相關(guān)措施是正確合理的。

圖6 既有隧道YDK323+575斷面洞周收斂位移—時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

由于分析了石廟溝新隧道施工對(duì)既有隧道的影響，并在施工中采取相應(yīng)有效的措施，確保了新石廟溝隧道施工時(shí)既有隧道結(jié)構(gòu)的安全，保證既有線(xiàn)正常、安全運(yùn)營(yíng)及新隧道施工的安全與質(zhì)量。新石廟溝隧道已于2007年7月貫通。新石廟溝隧道的成功施作，為今后類(lèi)似隧道的施工積累了良好的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003年1月:321－344.

[2] 潘曉馬，鄰近隧道施工對(duì)既有隧道的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2002:42－45.

[3] 黃大勇.近距離隧道施工相互影響的ANSYS模擬［D］.貴陽(yáng):貴州大學(xué)，2006:47－48.

[4] 中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).GB6722－2003爆破安全規(guī)程［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[5] 孫芳強(qiáng).新蛇皮溝隧道施工對(duì)既有隧道的穩(wěn)定性影響研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006:33－34.

[6] 秦峰，吳存興.小凈距隧道開(kāi)挖方法淺論［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(6):39 －42.

[7] 畢強(qiáng)，吳金剛，馬杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學(xué)分析及工程處理措施［J］.鐵道建筑，2009(8):50-54.

[8] 高俊青.新庫(kù)魯塔格隧道爆破施工引起鄰近既有隧道振動(dòng)特征的研究［J］.鐵道建筑，2009(10):52-56.

[9] 朱宇.改進(jìn)新建隧道對(duì)既有隧道振動(dòng)影響的爆破技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(10):46-48.

[10] 中華人民共和國(guó)鐵道部.J163－2002鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.