引水洞爆破施工對既有隧道襯砌的影響分析

孔景華

(中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300)

0 引言

近年來，我們通過對渝懷、宜萬2條鐵路在巖溶發(fā)育地質隧道的施工實踐，發(fā)現(xiàn)因前期考慮不周，后期水壓增大，使得正常運營的鐵路隧道出現(xiàn)變形開裂，部分巖溶核心地段出現(xiàn)襯砌滲水，從而影響到運營安全。因此，很有必要針對運營鐵路隧道巖溶病害進行強化治理，以確保隧道運營安全，強化治理的措施通常為施作引水洞。引水洞施工期間對正洞襯砌結構的影響不能忽視，引水洞施工控制不好會導致正洞結構損壞，進一步加劇問題的嚴重性。文獻［1］論述了新建隧道近距離上穿既有隧道的力學分析及工程處理措施，提出盡量避免爆破施工或者嚴格控制既有隧道處的震動速度，最大限度地降低爆破震動對既有隧道的影響。文獻［2－6］針對小凈距隧道的工程特點，提出爆破安全控制技術措施及處治建議，并介紹了爆破震動監(jiān)測。文獻［7］根據(jù)經(jīng)驗及數(shù)值模擬結果，提出既有隧道比較合理的變形預警值和容許值，以及加固處理措施和意見。文獻［8］闡述了某鐵路運營隧道溶洞強化治理設計及施工，通過修建具有較大坡度的高位引(泄)水支洞，以排泄正洞二次襯砌外周邊的高壓巖溶水及充填物，恢復溶洞段運營正洞襯砌結構體系工作環(huán)境，確保運營隧道襯砌結構安全。

結合某鐵路隧道引水洞爆破施工，區(qū)別于以往更多的關注爆破震動減震措施和施工技術來進行保護結構安全，本文以監(jiān)控施工過程中的信息為重點，從爆破震動、結構變形等動態(tài)監(jiān)控和土壓力、型鋼應力、混凝土應變等靜態(tài)測量2方面綜合分析引水洞施工期間正洞襯砌結構受力和變形情況，判斷正洞結構在引水洞施工期間和施工完成后的狀態(tài)，為后續(xù)運營安全提供基礎數(shù)據(jù)，并為后續(xù)類似工程積累經(jīng)驗。

1 工程概況

某鐵路隧道位于我國西部巖溶山區(qū)，2000年12月16日動工，2005年隧洞貫通，2007年4月18日客運全線通車。由于在施工過程中遭遇了數(shù)個高壓富水充填型溶洞，盡管采取了相應的排堵結合的防水措施，但隧道建成后原有溶洞在雨季中涌水量增大、水壓升高，使巖溶段正洞襯砌局部滲漏、平導襯砌局部施工縫嚴重涌水。2005年雨季在現(xiàn)場測到的最大水壓為1.998 MPa。

為了保證隧道二次襯砌混凝土表面不再出現(xiàn)滲漏水情況，保證隧道結構安全和正常運營，在正洞上方施作引水洞截取巖溶水，將其引入平導，再由平導、橫洞排出洞外，從而達到泄載減壓保護的目的。

2 引水洞布置及爆破設計

2.1 引水洞布置

引水洞由1#和2#引水洞構成，組成2#溶洞排水系統(tǒng)。其中，1#引水洞里程為 Y1K0+333～+475(DK354+333～+475)，全長 142 m，其中有 30 m(Y1K0+333～+363)的坡度為3%，87 m(Y1K0+363～+450)的坡度為 20.94%，25 m(Y1K0+450～+475)的坡度為3%，斜插于正洞拱頂開挖標高上10 m的位置，并在引水洞末端設置3 m厚的止?jié){墻;2#引水洞利用原已施作的2#溶洞地質探洞擴挖而成，起止里程 Y2K0+000～+108.74(PDK354+608.0～+487.0)，全長121.0 m，其中31.13 m的坡度為3.5%，50 m的坡度為22.5%，25.61 m的坡度為3.9%，并在引水洞末端設置3 m厚的止?jié){墻。引水洞布置如圖1所示。

圖1 引水洞平面布置圖Fig.1 Layout of water-releasing tunnels

2.2 引水洞爆破參數(shù)設計

爆破開挖時應堅持先進行地質判斷后開挖，短進尺，弱爆破，及時支護，勤量測的原則，每炮開挖進尺不大于1.5 m［5］。引水洞開挖統(tǒng)一采用臺階法施工，采用人工手持風鉆鉆孔，減震動爆破設計及施工，避免過大爆破震動，確保相鄰正洞襯砌結構安全。引水洞上臺階減震動爆破設計如圖2所示。

3 引水洞爆破震動速度測試分析

3.1 爆破震動測試布置

為了確保1#，2#引水洞爆破震動監(jiān)測更加準確，反映出實際震動情況，在正洞靠近1#，2#引水洞側引水洞爆破中心的相對位置處布置測點，詳見圖3。

爆破震動監(jiān)測采用USB3850爆破震動記錄儀。儀器由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件3部分組成。

圖2 引水洞上臺階減震動爆破設計(單位:cm)Fig.2 Design of vibration-minimizing blasting of top heading of water-releasing tunnel(cm)

3.2 爆破震動測試結果分析

在測試過程中，對垂直和水平2個方向的震動速度同時監(jiān)測，但表1只列出了各里程處的最大震動速度。按照GB 6722—2003規(guī)定，水工隧道爆破震動安全允許標準為7～15 cm/s，從爆破震動速度記錄(見表1)可知，在整個監(jiān)測過程中，震動速度基本都控制在國家標準震速15 cm/s以內。典型爆破震動速度分布如圖4和圖5所示。

圖3 引水洞爆破中心與測試位置圖Fig.3 Positions of blasting point and blasting vibration monitoring point

表1 爆破震動速度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of blasting vibration velocities cm /s

圖4 隧道軌面垂直方向質點震動波形圖Fig.4 Waveform of vibration of particle in direction perpendicular to the rail surface in the main railway tunnel

圖5 隧道近引水洞二次襯砌邊墻水平方向質點震動波形圖Fig.5 Waveform of vibration of particle in horizontal direction on side wall of secondary lining of main railway tunnel close to water-releasing tunnel

4 正洞襯砌受力監(jiān)測分析

4.1 正洞襯砌受力監(jiān)測布置

對前期埋設的元器件進行襯砌結構內力監(jiān)測，主要包括鋼筋應力、混凝土應變和圍巖壓力，測點布置如圖6所示。

4.2 正洞襯砌結構受力分析

1)型鋼應力監(jiān)測分析。正洞溶洞型鋼應力最大值位于仰拱底部外側型鋼，為350.66 MPa，達到允許應力500 MPa的70.13%，但大部分數(shù)值仍分布在50～200 MPa，說明爆破開挖對正洞襯砌結構影響不大。其型鋼應力與時間關系曲線如圖7所示。

2)混凝土應變監(jiān)測分析。溶洞段二次襯砌混凝土應變最大值為1 508.22 με(測點在拱頂)，為允許應變2 000 με的75.41%，在開挖一段時間后，混凝土應變開始變大，然而在全部開挖結束后，混凝土應變又逐漸減小，基本處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測結果，正洞二次襯砌混凝土應變總體值較小，說明爆破開挖所產(chǎn)生的震動對襯砌結構的影響較小。其混凝土應變與時間關系曲線如圖8所示。

3)圍巖壓力監(jiān)測分析。正洞溶洞區(qū)圍巖壓力最大值0.36 MPa(測點位于仰拱右側)，不到設計二次襯砌承載4 MPa水壓的9%，處于較低的壓力范圍之內，且圍巖壓力變化相對比較穩(wěn)定，說明爆破開挖所產(chǎn)生的震動對圍巖的擾動較小，其圍巖壓力與時間關系曲線如圖9所示。

圖6 正洞溶洞區(qū)監(jiān)測斷面儀器布設圖Fig.6 Layout of monitoring instruments

圖7 正洞溶洞核心段型鋼應力曲線圖(2006年)Fig.7 Curves of stress on shaped-steel arch of main railway tunnel(in 2006)

通過對正洞溶洞區(qū)襯砌結構的內力監(jiān)測，證明襯砌結構處于穩(wěn)定狀態(tài)，由此表明，引水洞爆破開挖對正洞襯砌結構的影響很小。

圖8 正洞溶洞核心段二次襯砌混凝土應變曲線圖(2006年)Fig.8 Curves of strain of secondary lining of main railway tunnel(in 2006)

圖9 正洞溶洞核心段圍巖壓力曲線圖(2006年)Fig.9 Curves of surrounding rock pressure of main railway tunnel(in 2006)

5 正洞襯砌結構變形監(jiān)測分析

5.1 正洞襯砌收斂監(jiān)測布置

正洞襯砌結構上布置了收斂監(jiān)測斷面，在每個監(jiān)測斷面上布置3個測點，如圖10所示。

圖10 正洞監(jiān)測斷面測點布置圖(單位:cm)Fig.10 Layout of monitoring points of main railway tunnel(cm)

5.2 正洞襯砌收斂監(jiān)測結果分析

在溶洞區(qū)范圍內所布置的幾個監(jiān)測斷面襯砌收斂值都比較小，拱頂下沉也不大，說明爆破開挖對正洞襯砌影響很小，典型斷面變形曲線如圖11所示。

圖11 正洞典型斷面變形曲線Fig.11 Curves of deformation of main railway tunnel

6 結論與體會

1)引水洞施工期間正洞二次襯砌結構爆破震動速度為2.39～10.85 cm/s，按照GB 6722—2003規(guī)定，都在15 cm/s的允許范圍以內，說明根據(jù)全程爆破震動監(jiān)測結果調整爆破參數(shù)是近接爆破施工中實現(xiàn)減震爆破的基本要求。

2)某鐵路隧道引水洞施工期間，正洞襯砌結構變形監(jiān)測顯示在3 mm左右，由于數(shù)值比較小，并且數(shù)據(jù)變化基本平穩(wěn)，考慮到測試誤差的影響，正洞襯砌結構基本沒有變形，說明爆破震動對正洞砌結構基本沒有影響。

3)正洞采用的型鋼混凝土襯砌結構已形成統(tǒng)一的受力體系，這對結構的穩(wěn)定性和安全性是有利的。正洞溶洞區(qū)的土壓力、鋼筋應力及混凝土應變都處于允許范圍內，數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，說明爆破震動對正洞襯砌結構基本沒有影響。

4)通過爆破震動、隧道結構變形動態(tài)監(jiān)測和土壓力、鋼筋應力及混凝土應變靜態(tài)監(jiān)測，全方位地監(jiān)控了引水洞施工期間對正洞襯砌結構的影響，為后續(xù)正洞運營狀態(tài)評估奠定了基礎。

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