新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響分析及處理措施

謝勇濤，于清浩，丁 祥，盧裕杰

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 工程概況

新建大理至麗江高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)杭州至瑞麗高速公路的聯(lián)絡(luò)線,線路全長(zhǎng)202.274 km,全線按4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),深長(zhǎng)村至華營(yíng)設(shè)計(jì)車速100 km/h,華營(yíng)至麗江設(shè)計(jì)車速80 km/h。

深長(zhǎng)村龍翔隧道穿越大理鳳儀鎮(zhèn)浴龍山,為左右分離式隧道,隧道圍巖以中薄層軟質(zhì)巖(泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、不等厚互層夾薄層砂巖)為主,受區(qū)域構(gòu)造影響巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育,受節(jié)理裂隙影響巖層風(fēng)化面不連續(xù)、不規(guī)則,隧道最大埋深約150 m。

龍翔隧道左幅K7+271.7和右幅K7+323.42分別交叉上跨廣大鐵路浴龍山隧道交于K201+116.03和K201+065.7處,交角均約為44°,與既有隧道襯砌凈距分別為19.6 m和21.1 m,平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 龍翔隧道與浴龍山隧道的關(guān)系

2 經(jīng)驗(yàn)法對(duì)既有隧道影響分析

2.1 近接施工的分類和影響范圍的劃分

眾所周知,地下近接施工之所以會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成影響,主要是因?yàn)樾陆ǖ叵鹿こ淌┕み^程會(huì)引起鄰近圍巖或土體的應(yīng)力重分布,進(jìn)而引起地層變形,而上跨隧道施工是在經(jīng)過至少一次擾動(dòng)的圍巖中再次進(jìn)行洞室開挖,其力學(xué)過程要相對(duì)復(fù)雜,既有結(jié)構(gòu)的變形往往是上跨施工關(guān)注的重點(diǎn),其變形是地層變形的直接結(jié)果,而既有隧道的存在同樣也會(huì)反作用于地層,使其變形與自由場(chǎng)地層不同。

日本在近接施工中,以既有結(jié)構(gòu)物的鐵路隧道和新建工程的位置關(guān)系分為不同類型,并規(guī)定了相應(yīng)的影響范圍,作為設(shè)計(jì)施工的基準(zhǔn),對(duì)指導(dǎo)近接施工有一定的參考價(jià)值。近接施工分類見表2。

表1 近接施工的分類

根據(jù)近接工程的分類和既有隧道與新建隧道的間隔,把近接度劃分為：無(wú)影響范圍,注意范圍和需采取措施的范圍。這里所謂“間隔”,是指既有隧道襯砌外緣到近接工程的最小距離。近接度的判斷采用D(隧道外徑)值。在隧道交叉情況時(shí),近接度的劃分見表2。

表2 近接度的劃分(隧道交叉)

注：D為新建隧道外徑。

另外近接施工的地層振動(dòng)因與既有隧道的位置關(guān)系、使用炸藥、地形和地質(zhì)條件而有很大的不同,因此,表3的劃分是根據(jù)振動(dòng)源與隧道的距離來劃分近接度的。

表3 近接度的劃分(地層振動(dòng))

2.2 浴龍隧道受龍翔隧道施工的影響范圍

根據(jù)浴龍山隧道與新建龍翔隧道位置關(guān)系(圖2),并結(jié)合交叉隧道的近接度劃分,左右幅隧道要注意的影響范圍為18.75～37.5 m,而左右幅隧道與既有隧道的凈距分別為19.6 m和21.1 m,可得出新建隧道左幅K7+237.87～K7+305.53段67.66 m和右幅K7+287.43～K7+359.41段71.98 m上跨施工時(shí),既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受到影響。

圖2 浴龍山隧道影響范圍

3 數(shù)值模擬對(duì)既有隧道影響分析

為了探尋不同施工步驟土體位移規(guī)律,發(fā)現(xiàn)施工主要控制點(diǎn),建立三維有限元模型能較好的模擬隧道開挖,采用MIDAS-GTS軟件建立模型。其中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則,實(shí)體單元模擬,初支和二襯采用“板”單元模擬,錨桿采用“嵌入式桁架”單元模擬,隧道小導(dǎo)管超前支護(hù)采用塊體單元模擬,計(jì)算時(shí)采用提高土層參數(shù)方法模擬。模型在左右幅隧道外側(cè)各往外取45 m,橫向共選取149 m；縱向100 m；高度下限方向?yàn)殍F路隧道底面以下30 m,根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn),此范圍能夠滿足研究需要。

模型底部施加完全固定約束,兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束,表面取為自由邊界。對(duì)于新建隧道運(yùn)營(yíng)階段,根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,車動(dòng)力荷載為20 kPa。計(jì)算參數(shù)見表4,模型見圖3。

3.1 施工階段計(jì)算結(jié)果分析

在新建隧道施工過程中,三維有限元模型模擬的是整體式開挖,先開挖右幅隧道,然后才開挖左幅隧道。因此,在新建隧道上跨浴龍山隧道模型中,分別進(jìn)行2種工況計(jì)算分析。

表4 計(jì)算輸入?yún)?shù)

圖3 三維計(jì)算模型

工況1：右幅隧道開挖后對(duì)既有隧道的影響；

工況2：左幅隧道開挖后對(duì)既有隧道的影響；

計(jì)算過程中分別得到了新建隧道開挖后,既有隧道的豎向位移、大小主應(yīng)力分布圖。既有浴龍山隧道分別與新建隧道交叉處拱頂、左右拱腰、左右拱腳以及左右墻腳的襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)處受力如表5和表6所示。

表5 右幅隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力

表6 左幅隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力

浴龍山隧道結(jié)構(gòu)二次襯砌設(shè)計(jì)為C13混凝土,其極限抗壓強(qiáng)度為10.5 MPa；極限抗拉強(qiáng)度為1.3 MPa,所要滿足的強(qiáng)度安全系數(shù)見表7。

表7 混凝土強(qiáng)度安全系數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,新建隧道開挖引起既有鐵路隧道K201+045～K201+136段拱頂襯砌向上抬起,最大位移量約為7.5 mm；需對(duì)內(nèi)凈空位移及拱圈沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從新建隧道正下方往外,既有隧道的上抬位移逐漸減小,在20 m外的區(qū)域既有隧道受新建隧道的影響就已經(jīng)變得較弱了；洞周應(yīng)力1.3～1.5 MPa,塑性應(yīng)變基本上位于新建隧道周圍,沒有擴(kuò)展,并未使既有鐵路隧道洞周出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)；改變了既有鐵路隧道K201+015.4～K201+159.6段襯砌結(jié)構(gòu)承載能力,主要是襯砌的拱頂和墻腳出現(xiàn)拉應(yīng)力,形成抗裂破壞,部分位置截面強(qiáng)度安全系數(shù)不滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,影響既有隧道襯砌的安全,需要對(duì)洞身圍巖進(jìn)行加固處理。

3.2 爆破模擬結(jié)果分析

(1)爆破分析有限元模型

本部分采用三維有限元模型,在爆破荷載的作用下進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析,以確定新建隧道爆破作用對(duì)既有鐵路隧道的影響。其中,數(shù)值模型的幾何尺寸、網(wǎng)格劃分以及圍巖、襯砌力學(xué)參數(shù)等均與前述施工過程分析相同。

在本數(shù)值模型中,采用1972年Lysmer和Wass所提議的粘性邊界(viscous Boundary)理論,利用MIDAS-GTS中的曲面彈簧功能來建立邊界條件；對(duì)于一般的爆破彈性分析,可以認(rèn)為爆破荷載加載區(qū)在掌子面以及一個(gè)開挖循環(huán)周圍,且以壓力的形式均布作用在孔壁上,方向垂直于隧道截面；把爆破荷載簡(jiǎn)化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載等。根據(jù)MIDAS-GTS所提供的爆破荷載模式,本模型采用美國(guó)National Highway Institute里提及的爆破荷載公式以及Statfield里提及的有關(guān)時(shí)程動(dòng)壓力計(jì)算公式來確定爆破荷載,由此可得其加載曲線如圖4所示。

圖4 爆破荷載時(shí)程數(shù)據(jù)

(2)爆破振動(dòng)容許值

根據(jù)《隧道施工要點(diǎn)集》一文中,對(duì)襯砌應(yīng)力增加和振動(dòng)速度容許值要求分別見表8～表9。

表8 襯砌應(yīng)力增加的容許值標(biāo)準(zhǔn) MPa

表9 振動(dòng)速度容許值 cm/s

(3)爆破計(jì)算結(jié)果分析

振速分析：垂直振速峰值位于既有隧道拱頂區(qū)域,由拱頂往下逐漸衰減,水平振速?gòu)墓绊斖聞t出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；但是垂直振速峰值在既有隧道截面均大于水平振速峰值,即爆破對(duì)既有隧道的影響主要集中于拱頂部位,拱部最大振速超過11 cm/s,對(duì)于既有隧道的健全度為B,振動(dòng)速度超過表9中要求容許值4 cm/s。

應(yīng)力分析：左右拱墻及以下部位受到了沿著x和y方向的較大拉應(yīng)力,有可能產(chǎn)生拉伸破壞。若拉伸應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),在既有隧道的橫向和軸向會(huì)產(chǎn)生拉伸裂紋,局部部位既有隧道襯砌拉應(yīng)力超過表8中容許值1 MPa。

4 工程難點(diǎn)處理措施

4.1 施工方法、支護(hù)類型及鉆爆控制

在施工方法上采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖,最大限度減小對(duì)既有隧道的影響；如地質(zhì)情況允許,應(yīng)采用人工和機(jī)械混合開挖的方式以避免爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。

初期支護(hù)的剛度越大,抵抗變形的能力越強(qiáng),而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施作兩側(cè)弧形導(dǎo)坑的鋼架時(shí),很難將其控制在同一平面內(nèi),支護(hù)承載能力大大降低。因此,龍翔隧道上跨段采用雙層初支加強(qiáng),第一層：間距0.5 m的I25a鋼架,噴35 cm厚C25混凝土；第二層間距1.0 m的格柵,噴25 cm厚C25混凝土。

如地質(zhì)情況決定必須采用鉆爆施工,施工中應(yīng)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行嚴(yán)格控制,新建隧道爆破時(shí),既有隧道的振動(dòng)速度應(yīng)控制在4 cm/s以內(nèi)。為了達(dá)到減振的目的，應(yīng)將一次爆破的所有藥孔分成較多段按順序起爆；段數(shù)越多,單段爆破最大藥量就越少。這種分段微差爆破方式能有效降低最大振動(dòng)速度。同時(shí)為避免微差爆破延時(shí)不夠或延時(shí)誤差造成應(yīng)力波疊加,使振動(dòng)加強(qiáng),在選擇雷管段數(shù)時(shí),應(yīng)加大相鄰段別的段位差。如果分段微差爆破方式的減振效果仍無(wú)法滿足要求,可以進(jìn)一步采用縮短爆破進(jìn)尺,縮短炮孔長(zhǎng)度,降低單孔裝藥量等方式最大限度地降低爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。

4.2 監(jiān)控量測(cè)

新建龍翔隧道上跨既有隧道施工時(shí),對(duì)廣大線浴龍山隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m進(jìn)行以下項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)：凈空位移收斂量測(cè)；拱圈豎向位移量測(cè)；已有原始裂紋發(fā)展情況量測(cè)；隧道襯砌開裂監(jiān)測(cè)；對(duì)爆破時(shí)的振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),及時(shí)利用監(jiān)控量測(cè)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

龍翔隧道施工過程中如出現(xiàn)既有隧道豎向位移值突然增大,位移速度加速等情況,量測(cè)頻率應(yīng)增加。進(jìn)行既有隧道洞內(nèi)狀況觀察時(shí)應(yīng)在新建隧道每次爆破后都要觀察,一般應(yīng)每天觀察1次；量測(cè)元件的安設(shè)及初讀的時(shí)間應(yīng)在爆破后24 h內(nèi),并在下一次爆破之前完成。水平凈空變化量測(cè)和拱頂豎向位移量測(cè)應(yīng)設(shè)在同一斷面,并可采用斷面儀進(jìn)行量測(cè)。

4.3 浴龍山隧道加固和病害處理方案

由于浴龍山隧道襯砌現(xiàn)狀較差,1998年竣工,工程施工質(zhì)量水平不高。隧道采用先拱后墻法整體式襯砌,襯砌采用C13素混凝土,其極限抗壓和抗拉強(qiáng)度較低；隧道拱墻交接處縱向施工縫有滲漏水病害,且局部漏水嚴(yán)重；隧道局部位置存在襯砌開裂病害；既有隧道拱墻背超挖較大,回填不密實(shí)的情況下可能存在空洞。因此對(duì)既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受新建龍翔隧道左右幅開挖的影響段落應(yīng)進(jìn)行加固和病害處理。

(1)襯砌裂縫處理

襯砌開裂采用錨固加強(qiáng)方案,即通過錨桿的作用將隧道襯砌和周邊圍巖緊密地聯(lián)系在一起,形成一個(gè)共同受力的整體,抑制襯砌裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。隧道縱向、斜向裂縫按裂縫寬度分類采取不同的整治措施。

①裂縫縫寬<5 mm時(shí),采用灌漿+錨桿處理,對(duì)裂縫灌注AB灌漿樹脂,騎裂縫兩側(cè)布設(shè)φ32 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿,錨桿間距1.5 m。

②裂縫縫寬>5 mm時(shí),采用鑿槽嵌補(bǔ)+灌漿+錨桿處理,用AB樹脂砂漿嵌補(bǔ)且預(yù)留注漿孔,待AB樹脂砂漿固化后給裂縫壓注AB灌漿樹脂,裂縫兩側(cè)設(shè)φ32 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿,錨桿間距1.0 m。

③錨桿長(zhǎng)度依據(jù)圍巖情況采用3～4 m。AB灌漿樹脂采用自動(dòng)壓力灌漿技術(shù)進(jìn)行施工。

(2)拱腳處理

對(duì)于K201+015.4～K201+159.6段隧道內(nèi)拱腳縱向因空隙而造成滲漏水地段,首先應(yīng)對(duì)有滲水地段的拱腳兩側(cè)用高壓水沖洗(在無(wú)水源條件時(shí),亦可用鋼絲刷或濕布清除)干凈,而后用超細(xì)水泥漿(水灰比0.5∶1)進(jìn)行表面抹縫處理,并打孔預(yù)埋注漿管(孔距0.8～1.2 m,孔深50 cm,φ6～8 mm),待表面水泥注漿達(dá)到一定強(qiáng)度后,對(duì)拱腳壓注超細(xì)水泥漿(水灰比1.5∶1,用每隔3孔注漿的方式逐孔注漿,以確保漿液均勻擴(kuò)散),注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

(3)滲漏水處理

隧道滲漏水整治采取“拱部以堵、邊墻以排為主,防、堵、截、排相結(jié)合”的原則。

對(duì)于K201+015.4～K201+159.6段滲漏水嚴(yán)重地段,對(duì)表面沖洗干凈后,采用表面壓抹超細(xì)水泥漿(水灰比0.5∶1),同時(shí)對(duì)拱部采用φ42 mm鋼花管壓注超細(xì)水泥漿(水灰比1.5∶1,注漿固結(jié)范圍為隧道結(jié)構(gòu)外2 m,孔距1 m×1 m梅花形),注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。邊墻一般地段鑿槽(10 cm×8 cm)預(yù)埋φ7 cm半圓形PVC管將水引排到側(cè)溝內(nèi)(對(duì)于滲漏水的集中段,采取每5 m開槽設(shè)暗溝排水),無(wú)側(cè)溝段將水引至鋪底處的橫向排水管內(nèi)導(dǎo)入側(cè)溝,而后采用GTL快速堵漏劑封堵,排水槽表面用超細(xì)水泥漿(水灰比0.5∶1)進(jìn)行表面壓抹處理。

(4)拱墻背后空洞處理

采用φ42 mm注漿管對(duì)襯砌背后空洞壓注充填M10水泥砂漿,并固結(jié)空洞內(nèi)充填物,注漿壓力0.3～0.4 MPa。為防止壓力過大破壞襯砌結(jié)構(gòu),在壓漿時(shí)不能一次注滿,分幾次壓漿,使二襯與圍巖成一個(gè)整體受力,改善襯砌受力模式,確保安全。

(5)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)處理

①對(duì)隧道K201+068.68～K201+111.51段42.83 m拱墻全環(huán)鑿槽嵌入I16型鋼鋼架,每榀鋼架間距1.0 m,鋼架采用φ42 mm鎖腳錨管固定,并采用C25噴混凝土封槽,表面用超細(xì)水泥漿(水灰比0.5∶1)進(jìn)行表面壓抹處理。

②對(duì)隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2m拱墻全環(huán)增設(shè)φ32 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行加固,錨桿長(zhǎng)3.5 m,間距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,錨桿注漿材料采用超細(xì)水泥漿(水灰比1.5∶1,采用每隔3孔注漿的方式逐孔注漿,以確保漿液均勻擴(kuò)散),注漿壓力0.3～0.4 MPa。

③K201+068.68～K201+111.51段注漿錨桿與鋼架聯(lián)接,其余地段在注漿錨桿布設(shè)部位應(yīng)預(yù)先對(duì)襯砌表面鑿除20 cm×20 cm寬,8 cm深的空洞。待注漿完畢后放入錨桿墊板及螺母后,用C25干硬性混凝土封口并壓抹平順。

5 結(jié)論

(1)在地質(zhì)勘察詳盡、準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)合理，施工措施得當(dāng)，監(jiān)控和量測(cè)及時(shí)、充分的前提下,龍翔隧道近距離上跨既有隧道的工程安全性是可以得到保證的。

(2)在近距離上跨既有隧道的情況下,新建隧道應(yīng)盡量采用每步驟開挖量小的施工方法；在地質(zhì)條件允許的條件下,盡量采用人工和機(jī)械混合開挖的方式,以避免爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響；必須鉆爆施工時(shí),應(yīng)對(duì)爆破振動(dòng)速度進(jìn)行嚴(yán)格控制,采用分段微差爆破等方法最大限度地降低爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。

(3)為了徹底消除工程隱患,為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù),新建隧道施工過程中應(yīng)對(duì)既有隧道進(jìn)行周密的監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)利用監(jiān)控量測(cè)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

(4)新建隧道近距離上跨既有隧道的情況下,應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際對(duì)既有隧道做出加固設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容可包括新建隧道開挖前對(duì)既有隧道的預(yù)加固；新建隧道開挖過程中對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響后的加固補(bǔ)強(qiáng)；新建隧道開挖過程中出現(xiàn)嚴(yán)重危及既有隧道結(jié)構(gòu)安全情況時(shí)的應(yīng)急搶險(xiǎn)加固預(yù)案。

本文所得到的相關(guān)結(jié)論是在工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上利用工程類比和數(shù)值模擬的方法總結(jié)分析后得出的。隧道工程與詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)施工工況和巖層實(shí)際工程性質(zhì)息息相關(guān),影響因素紛繁復(fù)雜,本文相關(guān)結(jié)論還有待進(jìn)一步在工程實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。

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