丹平路貓公壩隧道上穿供水隧道的風(fēng)險(xiǎn)控制

車明升

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東深圳 518040）

1 工程概況

隨著我國鐵路、公路及市政建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的隧道工程投入建設(shè)。受地物、地形和地質(zhì)條件等因素的限制，同一場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)兩條隧道在不同高度位置相互穿越的情況逐漸增多[1]。許多新建隧道與既有隧道之間凈距較近，施工過程影響既有隧道結(jié)構(gòu)，影響其運(yùn)營安全的情況時(shí)有發(fā)生。

深圳市丹平快速路是《深圳市干線道路網(wǎng)規(guī)劃》中“七橫十三縱”的重要組成部分。道路性質(zhì)為城市快速路；設(shè)計(jì)行車速度80 km/h。

貓公壩隧道位于丹平快速路主線樁號(hào)K3+257～K3+939位置上，穿越深圳水庫北側(cè)的貓公壩山。該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風(fēng)化程度混合花崗巖。

貓公壩隧道左線長度678 m，右線長度673 m，結(jié)構(gòu)形式為小凈距復(fù)合襯砌隧道。

貓公壩隧道（擬建）左線與現(xiàn)況既有布吉水廠供水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角55°、凈距3.7 m），同時(shí)與深圳市東部引水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角43°、凈距19.8m），如圖1所示。

鑒于兩條供水隧道的重要作用，新建貓公壩隧道必須保證供水隧道的結(jié)構(gòu)安全。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

貓公壩隧道洞口段屬于山嶺崗丘地貌，風(fēng)化厚度較大，地形較平緩，洞口多為第四系坡殘積土及不同程度風(fēng)化基巖，洞口現(xiàn)狀穩(wěn)定性好，無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。左線該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風(fēng)化程度混合花崗巖，巖體為結(jié)構(gòu)碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或松散結(jié)構(gòu)。滴水或滲水為主。圍巖開挖后無自穩(wěn)能力。右線該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風(fēng)化程度混合花崗巖、碎裂巖及F6斷裂糜棱巖帶，巖體為結(jié)構(gòu)碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或松散結(jié)構(gòu)。滴水或滲水為主，局部出現(xiàn)線狀流水。圍巖開挖后無自穩(wěn)能力。

圖1 交叉隧道位置及三條隧道斷面圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水賦存條件及含水巖組特征，將其劃分為松散土類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。

2.1 松散土類孔隙水

分布在人工填土層、第四系沖洪積礫砂和坡殘坡積層的顆?？紫吨校瑢贊撍再|(zhì)。地下水主要接受大氣降雨和基巖裂隙水的補(bǔ)給，沿溝谷排泄于地表或下部基巖裂隙水中，水位和水量受季節(jié)變化明顯。受含水層分布范圍、厚度，地下水補(bǔ)給來源的限制，水量中等～貧乏。

2.2 基巖裂隙水

分布在區(qū)內(nèi)基巖山區(qū)及第四系孔隙潛水的下部，主要為塊狀巖裂隙水，含水巖組為加里東期混合花崗巖或侏羅系砂巖。水力性質(zhì)以潛水為主，在山間谷地一帶局部具承壓性質(zhì)。地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，由于區(qū)內(nèi)地形高差大，地下水逕流通暢，排泄于山間低洼的溝谷溪流和附近的水庫之中，地下水動(dòng)態(tài)較不穩(wěn)定，雨季和降雨后地下水位上升，水量增大；枯季則地下水位降低，水量減少。

3 工程安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

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。

隧道近距離穿越對(duì)既有隧道變形的影響主要包括橫向和縱向兩個(gè)方面[2]。對(duì)隧道橫向變形的認(rèn)識(shí)目前比較充分，主要是在其橫向結(jié)構(gòu)特性上。在抗壓強(qiáng)度足夠時(shí)，由于襯砌采取了合理的柔性設(shè)計(jì)思想，襯砌周圍的巖土壓力和抗力總是趨于將襯砌環(huán)壓緊。只要襯砌環(huán)不首先破壞，隧道橫向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及承載能力是可以保證的。

但有時(shí)會(huì)受結(jié)構(gòu)縱向變形的影響。隧道縱向結(jié)構(gòu)適應(yīng)豎直變位的能力比較低，因此隧道的豎直沉降或上浮對(duì)隧道結(jié)構(gòu)相當(dāng)不利。在隧道豎直變位和曲率達(dá)到一定程度以后，會(huì)導(dǎo)致隧道環(huán)向結(jié)構(gòu)縫將張開過大，結(jié)構(gòu)縫防水系統(tǒng)失效；襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生環(huán)向裂縫，降低結(jié)構(gòu)耐久性，縮短結(jié)構(gòu)使用年限。情況最不利時(shí)，可能導(dǎo)致隧道縱向彎拉破壞。

基于以上原因，應(yīng)對(duì)新建隧道開挖時(shí)，既有隧道縱向結(jié)構(gòu)豎直變位和所形成變位曲線的曲率半徑進(jìn)行嚴(yán)格控制。上海地鐵技術(shù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求為：周圍施工引起的隧道縱向沉降不能大于5 mm，縱向沉降曲線半徑不能小于15000 m。在該項(xiàng)工程中，由于布吉供水管在隧道內(nèi)，可以適當(dāng)降低要求，對(duì)布吉供水隧道要求縱向結(jié)構(gòu)豎直變位不大于10 mm，變位曲線的曲率半徑不小于10000 m的控制指標(biāo)。深圳市東部引水隧道由于是重力流輸水方式隧道，輸水直接在隧道內(nèi),因此對(duì)結(jié)構(gòu)安全要求較高。結(jié)構(gòu)采用上海地鐵技術(shù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：要求豎直變位不大于5 mm，變位曲線的曲率半徑不小于15000 m的控制指標(biāo)。

4 施工控制與處理措施

4.1 施工方法及鉆爆控制

在施工方法上采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖，最大限度地減小對(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)械開挖混合的方式以避免爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。

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：（1）爆破產(chǎn)生的震動(dòng)不能對(duì)既有隧道襯砌產(chǎn)生破壞效應(yīng)。（2）爆破飛石必須控制在安全范圍內(nèi)，確保人員和設(shè)備安全。

新建隧道爆破時(shí)，既有隧道的振動(dòng)速度應(yīng)控制在在10 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地降低最大振動(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[3～4]。

如果分段微差爆破方式的減振效果仍無法滿足要求，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 中夾巖體的加固

新建貓公壩隧道與布吉供水隧道間最小凈距為3.7 m。為了減少既有隧道上浮值，降低新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響，應(yīng)對(duì)中夾巖體進(jìn)行加固。該項(xiàng)工程采用中空注漿錨管（D=50 mm、L=4 m、下傾角45°）進(jìn)行加固。新建隧道仰拱部分錨管環(huán)向間距35 cm，隧道縱向每2 m設(shè)置一排；加固范圍為貓公壩隧道與布吉供水隧道相交點(diǎn)兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)的仰拱以下巖體（見圖2）。

圖2 中夾巖體加固方案示意圖

4.3 既有隧道的監(jiān)控量測(cè)

從工程類比及計(jì)算分析可以判定，貓公壩隧道施工對(duì)東部引水隧道的影響很小，但是對(duì)布吉供水隧道存在一定的影響。為了詳細(xì)摸清這一影響的規(guī)律，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)布吉供水隧道進(jìn)行周密的監(jiān)控量測(cè)。根據(jù)工程具體需要擬定監(jiān)控量測(cè)方案見表1所列，量測(cè)斷面布置見圖3所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及量測(cè)方法一覽表

圖3 量測(cè)斷面布置示意圖

監(jiān)控量測(cè)范圍為貓公壩隧道與布吉供水隧道相交點(diǎn)兩側(cè)各40 m范圍內(nèi)的布吉供水隧道。

貓公壩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)每天觀察一次；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)。

量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和信息反饋：（1）施工期間，監(jiān)測(cè)人員在每次監(jiān)測(cè)后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、襯砌表面應(yīng)力、爆破震速、水平位移等隨時(shí)間及工作面距離變化的時(shí)態(tài)曲線，了解其變化趨勢(shì)，并對(duì)初期的時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行回歸分析。預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的最大值和變化速率。根據(jù)拱頂下沉、水平位移量大小和變化速率，綜合判定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。并根據(jù)變形管理等級(jí)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)和施工人員。（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析：將量測(cè)記錄及時(shí)錄入計(jì)算機(jī)，根據(jù)記錄繪制洞內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的位移u-時(shí)間t的關(guān)系曲線（見圖4）。

圖4 位移u-時(shí)間t關(guān)系曲線圖

若位移u-時(shí)間t關(guān)系曲線如圖4中（b）所示出現(xiàn)反常。表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)暫停開挖并進(jìn)行施工處理。

當(dāng)位移u-時(shí)間t關(guān)系曲線如圖4中（a）所示趨于平緩時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規(guī)律。

各測(cè)試項(xiàng)目的位移速率明顯收斂、圍巖基本穩(wěn)定后，才能進(jìn)行下步施工。

4.4 既有隧道的加固

隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況存在一定的不確定性，并且從現(xiàn)場(chǎng)情況來看布吉供水隧道建成于1991年，其襯砌環(huán)向變形縫和施工縫有比較明顯的滲漏水現(xiàn)象，襯砌局部存在裂縫，也有滲漏水現(xiàn)象出現(xiàn)。

鑒于以上原因，將布吉供水隧道的加固分為三個(gè)階段：

（1）新建隧道開挖前，對(duì)布吉供水隧道內(nèi)部裂縫進(jìn)行嵌縫補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)增設(shè)變形縫和施工縫防水措施：

布吉供水隧道二襯內(nèi)表面存在少量裂縫，裂縫的寬度、深度都不大。采用高強(qiáng)水泥漿對(duì)裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。沿裂縫延伸范圍鑿成楔型槽，槽寬不小于5 cm，深度接近裂縫寬度，槽體外窄內(nèi)寬，用水沖洗干凈后，用高強(qiáng)水泥漿嵌補(bǔ)。

在襯砌環(huán)向變形縫和施工縫靠隧道內(nèi)部一側(cè)，先對(duì)縫體進(jìn)行清理，施工縫則需要延環(huán)向開鑿寬4 cm,深3 cm的槽體。縫體、槽體用水沖洗干凈后，采用聚氨酯遇水膨脹止水膠進(jìn)行環(huán)向擠抹，以起到增強(qiáng)縫體防水性能的作用。

（2）新建隧道開挖過程中，如布吉供水隧道確實(shí)產(chǎn)生較多新的裂縫，可以采用噴射混凝土的方法對(duì)裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。噴射混凝土可以使已裂損的塊體緊密結(jié)合，阻止這些塊體進(jìn)一步松動(dòng)[5]。同時(shí)在噴射壓力作用下混凝土嵌入裂縫內(nèi)一定深度，使裂縫粘結(jié)閉合，增強(qiáng)了裂損襯砌的整體性，可以大幅度提高裂損襯砌的承載能力，達(dá)到加固的目的。當(dāng)裂損較嚴(yán)重時(shí)，可將噴射混凝土與鋼筋網(wǎng)結(jié)合使用已達(dá)到更好的加固效果。

（3）新建隧道開挖過程中，如確實(shí)對(duì)布吉供水隧道的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響，或裂縫密集，裂縫的深度和寬度影響混凝土整體性，或二襯有掉塊，發(fā)生較大變形和裂損，則應(yīng)采用鋼骨混凝土拱架整體替換原有二襯。方法是將原有二襯環(huán)向整環(huán)鑿槽，嵌入型鋼拱架，拱架之間用縱向鋼筋連接，施工完拱架后用模筑混凝土封閉。

4.5 預(yù)案

如在施工過程中量測(cè)和反饋的數(shù)據(jù)顯示既有隧道的安全性受到影響，可以選用錨噴加固、內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)、鋼纖維補(bǔ)強(qiáng)和內(nèi)拱架等加固措施，對(duì)布吉供水隧道進(jìn)行維修和加固。由于布吉供水隧道為供水管線通過的隧道，維修和加固的施工都是比較方便的。貓公壩隧道施工同時(shí)，應(yīng)同時(shí)準(zhǔn)備布吉供水隧道加固所用材料，以隨時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

5 總結(jié)

（1）在近距離上穿越既有隧道的情況下，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)條件容許的條件下，盡量采用人工和機(jī)械開挖混合的方式以避免爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。若必須鉆爆施工時(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的降低爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。

（2）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)。同時(shí)，應(yīng)及時(shí)利用監(jiān)控量測(cè)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

（3）新建隧道近距離上穿越既有隧道的情況下，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。

（4）實(shí)踐證明，對(duì)布吉供水隧道的加固設(shè)計(jì)是必要的和成功的。東部引水隧道在未采取加固措施的條件下，通過選用擾動(dòng)較小的施工工法，控制爆破振速等措施，基本未受新建隧道的影響?，F(xiàn)貓公壩隧道已通車，兩座既有供水隧道結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營正常。

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