新建隧道上跨既有隧道安全施工控制技術(shù)

金 平

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

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新建隧道上跨既有隧道安全施工控制技術(shù)

金 平

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

摘要：新建隧道上跨既有隧道施工時，會對既有隧道結(jié)構(gòu)和鐵路正常運營產(chǎn)生安全威脅。對既有隧道安裝鋼架進行加固；將控制爆破設(shè)計、降震措施應(yīng)用等方面綜合考慮，并通過多次試爆數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)得出合理的控制爆破參數(shù)；新建隧道仰拱開挖前施作“超前管橋”。一系列措施的采用使新建隧道安全、順利、快速施工，同時也保證了既有隧道的安全。

關(guān)鍵詞：上跨；既有隧道；控制爆破；加固鋼架；超前管橋

1 工程概況

西安至安康鐵路縱穿陜西省南部，地處我國中西部地區(qū)的結(jié)合部，跨越我國地理上南北方的分水嶺——秦嶺山脈。西安至安康增建二線鐵路新兩河關(guān)隧道全長3 039 m，洞身最大埋深約410 m。進出口均采用橫洞進洞，新兩河關(guān)隧道上跨既有隧道由出口橫洞完成，出口橫洞全長325 m，上跨部位相交里程DK192+505,既有線里程K192+265，新建隧道需控制爆破的影響范圍80 m，對既有隧道的影響區(qū)段為K192+230～K192+325，長95 m。上跨交點距既有隧道進口約960 m，距出口約1 250 m，距新建隧道橫洞交叉口95 m。兩線軌頂高差15.66 m，交點處巖層最薄為6.5 m，交角29°。

地層巖性為泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r夾千枚巖、千枚巖夾灰?guī)r和軟弱千枚巖帶，地貌屬于大的緩向斜構(gòu)造。灰?guī)r夾千枚巖，為晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～薄層狀，成分為方解石、石英等，巖石結(jié)晶顆粒細密，巖體較致密堅硬，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體多被切割成大塊狀。該段地下水較少。風化層厚3～5 m，Ⅳ級圍巖，按Ⅴ級加強復合式襯砌施工，設(shè)計要求控制爆速小于10 cm/s。

2 新建隧道對既有隧道的不利影響及技術(shù)難點分析

新建隧道的施工對既有隧道產(chǎn)生以下兩方面的不利影響：一方面，既有隧道上方巖體的開挖卸載，導致已經(jīng)平衡的圍巖應(yīng)力場重新調(diào)整，從而會使既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化；另一方面，隧道開挖爆破產(chǎn)生的地震波對既有隧道結(jié)構(gòu)作用，使既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動應(yīng)力，對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全威脅。

本工程兩隧道交點處在新建隧道開挖后巖層最薄為6.5 m，對既有隧道結(jié)構(gòu)安全影響非常直接；新建隧道與既有隧道上跨交點距既有隧道進、出口較遠，均達到1 000 m左右，在既有隧道內(nèi)進行安全防護和監(jiān)測困難大；爆破時間的掌握和信息及時傳遞的要求極高。因此存在以下技術(shù)難點：

(1)對既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的分析評價和采取的加固措施，尤其是在既有隧道深處進行，局限性較大，技術(shù)上難度大。

(2)爆破點和監(jiān)控點均在隧道深處，爆破時采取合適的爆破聯(lián)絡(luò)方式非常關(guān)鍵。

(3)如何避免上跨既有隧道施工對運營的安全風險，爆破點到既有隧道的距離不斷變化，如何通過試爆選取合適的開挖方法和進尺、爆破參數(shù)，解決爆破震速對既有隧道結(jié)構(gòu)的震動破壞。

(4)采取的加強支護及仰拱加固措施的有效性，通過提高支護等級，即降低一個圍巖級別進行支護，仰拱加固采用“超前管橋”、注漿等關(guān)鍵技術(shù)措施，控制或減弱圍巖變形對既有隧道的危害。

3 既有隧道加固及鋼架拆除施工

西康二線新兩河關(guān)隧道上跨既有兩河關(guān)隧道，軌面高差15.66 m，開挖仰拱底距既有隧道拱頂約6.5 m。為防止隧道開挖爆破影響營業(yè)線結(jié)構(gòu)安全，確保營業(yè)線運營安全，既有兩河關(guān)隧道K192+230～K192+325段采取了加固措施。

3.1 加固鋼架的安裝

現(xiàn)場根據(jù)襯砌內(nèi)輪廓制作I16型鋼鋼架，按1榀/1 m架設(shè)，工字鋼架由場外加工，在天窗點內(nèi)軌道車運至現(xiàn)場安裝；采用鋼釬加固鋼架；當與接觸網(wǎng)安全距離小于35 cm時鋼架設(shè)絕緣墊片，同時接觸網(wǎng)也設(shè)絕緣；鋼架安裝穩(wěn)固，不得侵入行車限界；安裝過程中不得碰撞接觸網(wǎng)等設(shè)備。由于既有隧道襯砌采用的小模板，內(nèi)輪廓與鋼架并不匹配，一般在鋼架和襯砌間隙填塞木板等，使鋼架受力，在使用期間經(jīng)常檢查木楔松動防止掉落。

3.2 鋼架拆除施工

新建隧道影響段施工完成，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，鋼架在“天窗”時間內(nèi)拆除。拆除作業(yè)必須在斷電情況下進行，其施工防護要求與加固施工一致。拆除作業(yè)，嚴禁碰撞接觸網(wǎng)等設(shè)備，拆除物品及時清理出現(xiàn)場。

4 新建隧道控制爆破技術(shù)

為減少對既有線影響，新建隧道洞身采取臺階法開挖爆破方案[1-3]，每部分進行先掏槽(掏槽形式為斜眼掏槽)再擴挖方式。首先制定初步爆破方案，再進行試爆調(diào)整。

4.1 爆破方案的確定

經(jīng)分析和試驗，最大震速在上導開挖，中導和下導開挖因有足夠的臨空面及采取多分部的方式，震速易于控制，因此主要控制上導開挖爆破。

(1)由經(jīng)驗公式Qmax=R3×(Vkp/K)3/a計算。式中：Qmax為最大一段爆破藥量(kg)；R為爆破安全距離(m)，上臺階開挖取值12 m，下臺階取值9 m，仰拱取值6.5 m；Vkp為安全速度(cm/s)，按設(shè)計要求取Vkp=10 cm/s； K為地質(zhì)影響系數(shù)；a為衰減系數(shù)。

(2)為確保安全，按設(shè)計架設(shè)鋼架間距為0.8 m要求，取最大進尺為0.9 m。

(3)起爆方式及爆破參數(shù)選擇：毫秒雷管采用合理的分段方式和起爆順序，掏槽孔與輔助孔雷管延時時間110 ms，內(nèi)層輔助孔與外層輔助孔延時為90 ms，外層輔助孔與周邊眼延時110 ms，這樣可降低爆破振動疊加對臨近隧道的影響。

(4)爆破器材選擇：炸藥采用乳化炸藥，藥卷規(guī)格200 g，?32 mm，長200 mm，使用毫秒延時非電導爆雷管，雷管段別為1、3、5、7、9、11、13、15，起爆雷管采用電雷管；鉆孔直徑40 mm。

(5)爆破參數(shù)確定原則：各部開挖按淺密原則，即1次爆破深度不宜過大，采用0.9 m；炸藥均勻布置在較密的炮眼中，避免集中裝藥。周邊眼按光爆設(shè)計，采用小直徑藥卷不耦合裝藥方式。

(6)上臺階爆破參數(shù)選擇：光面爆破參數(shù)如表1所示。

表1 光面爆破參數(shù)表

根據(jù)最大一段爆破藥量及最大進尺長度及光爆參數(shù)表，計算開挖爆破參數(shù)如下：周邊眼間距E=45 cm，周邊眼抵抗線W=55 cm，相對距0.82。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)采用低密度、低爆速炸藥，木棍間隔、毫秒雷管起爆、炮口填塞30 cm炮泥，裝藥集中度0.2 kg/m，光面爆破與主體爆破分段延時不小于110 ms。

4.2 試爆效果分析

取得有效試爆記錄3次，順序記錄主要數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 有效試爆記錄表

第1、2次試爆，開挖臺階高度3 m，實測爆速較大，同時與預報震速偏差過大，主要原因：

(1)地質(zhì)影響系數(shù)K,衰減系數(shù)a取值不準。試爆設(shè)計時按Ⅳ級圍巖(中硬巖)取值，2次試爆后現(xiàn)場取石塊進行試驗，強度達到80.5 MPa，大于硬巖最低標準值60 MPa，因此K,a取值應(yīng)按堅硬巖標準取值，造成偏差較大。

(2)最大單段裝藥量過大，主要是掏槽孔，起爆雷管段數(shù)單一。

(3)開挖斷面小，掏槽炮孔較深且1段掏槽體積大，造成圍巖夾制力大，不利于掏槽開挖，增大了爆破震動影響修正系數(shù)。

(4)根據(jù)有關(guān)研究表明，按Vkp=K1K(Q1/3/R)a進行修正，其中K1為在爆破施工實踐中的爆破震動衰減修正系數(shù)(1.2～1.8)。

按以上原因重新計算第1、2次試爆參數(shù)，計算爆速達到9.06 cm/s、7.32 cm/s，根據(jù)第1、2次爆破效果分析及經(jīng)驗，第3次試爆相應(yīng)采取了降震措施，實現(xiàn)了試爆目標。

4.3 采取的降震措施

(1)改進掏槽方式，調(diào)整掏槽開挖起爆分段，減小掏槽開挖最大一段裝藥量，由原來1個段位起爆分為3個段位起爆。

(2)增大開挖高度至5.5 m，即增大臨空面，降低爆破震動衰減修正系數(shù)影響。

(3)同時布置減震干擾孔輔助措施，在掏槽孔下部設(shè)3排炮孔，一方面作為開挖炮孔，另方面作為減震干擾孔，起到減震作用?？梢允箲?yīng)力波得到轉(zhuǎn)換及降低能量，改變其傳播頻率，降低地震效應(yīng)，有效降低震速10%～30%。

通過采取以上降震措施，第3次試爆，按Ⅲ級圍巖進行K,a取值計算，并按Ⅲ級圍巖標準進行試爆設(shè)計，預報爆速4.2 cm/s，實測爆速為4.4 cm/s，達到預期目標。

4.4 爆破參數(shù)確定

最終采取的爆破參數(shù)見表3。上導開挖炮孔布置見圖1。對于中導、下導和仰拱采取分層、分部開挖方式，控制裝藥量和起爆方式，震速一般小于3 cm/s。

表3 爆破參數(shù)表

在施工期間，震源距既有隧道距離從大到小再由小到大，通過采取控制爆破及降震措施，實測震速均小于10 cm/s。

5 新建隧道加強支護及仰拱“超前管橋”技術(shù)

5.1 “超前管橋”技術(shù)

DK192+475～DK192+555段為新建隧道上跨既有線隧道影響段，隧底采用“超前管橋”，所謂“超前管橋”在施工工藝上類似超前大管棚，只是在隧底進行施工，鋼管和巖體結(jié)合起來在開挖仰拱前在底部相對于既有隧道形成一個“梁”的作用。采用“超前管橋”技術(shù)，可有效降低仰拱開挖對既有隧道的不利影響，改善仰拱底部巖層的整體受力狀態(tài)，降低風險。主要鉆孔設(shè)備：潛孔鉆、空壓機等；仰拱一次開挖長度：1.5 m。

施工順序：仰拱開挖，隧底初期支護封閉成環(huán)，超前管橋施作，施工6 m長進行一次仰拱澆筑。

圖1　炮孔布置圖(單位：cm)

5.2 主要技術(shù)要求

(1)采用?108 mm×6 mm鋼管，孔長至既有隧道頂約1 m處，間距1.5 m×1.5 m。

(2)鉆孔?130 mm，采用潛孔鉆進行鉆孔，外插角30°，鉆孔后及時清孔、下管。鉆孔過程中嚴密控制鉆孔深度，專人現(xiàn)場量測鉆孔角度、標高，確保鉆孔孔底距既有隧道頂約1 m。

(3)鋼花管采用?108 mm鋼管制作，管壁打孔,采用梅花型布孔，孔徑為10～16 mm，孔間距為15 cm，鋼管尾留110 cm不鉆孔的止?jié){段，鋼管加工成4 m和6 m長的兩種規(guī)格。下管采用套筒連接直至孔底。

(4)注漿采用水泥單液漿，壓力0.3 MPa。達到強度后進行下一段隧底開挖作業(yè)。

(5)隧底開挖每段1.5 m及時進行支護，超前管橋在隧底支護上進行，當長度6 m的仰拱支護及超前施工完成，進行仰拱澆筑。

(6)隧底開挖后，隨時進行抽水，設(shè)集水坑進行排水，同時及時封閉隧底，防止積水下滲影響既有隧道。

(7)仰拱采取I16鋼架噴射25 cm厚C25砼進行早期支護，再采取鋼筋混凝土，確保結(jié)構(gòu)牢固，避免影響既有隧道安全。仰拱填充頂部每隔5 m設(shè)2個沉降觀測點進行觀測。

5.3 施工主要注意事項

鉆孔時嚴格控制鉆孔深度和角度，防止鉆孔超深侵入既有隧道范圍內(nèi)。

注漿時控制注漿壓力，并在既有隧道內(nèi)進行觀測，發(fā)現(xiàn)漏漿、襯砌結(jié)構(gòu)有變化立即停止注漿，上報各單位并分析原因，制定措施解決后再繼續(xù)施工。

5.4 總體性能指標

(1)“超前管橋”確保鉆孔孔底距既有隧道頂約1 m，注漿采用水泥單液漿，考慮到既有隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，壓力要小于0.3 MPa，若漿液有在既有隧道內(nèi)滲出現(xiàn)象，及時停止，調(diào)整壓力。達到強度后進行隧底開挖作業(yè)。隧底開挖每段1.5 m及時進行支護和施作超前管橋，達到6 m進行仰拱澆筑。

(2)仰拱填充頂部每隔5 m設(shè)2個沉降觀測點進行觀測，加大觀測頻率和時間。

6 結(jié)束語

通過深入研究上跨隧道施工安全風險及制訂應(yīng)對措施，對既有隧道進行必要的檢測和加固并在實施過程中加強監(jiān)控；通過試驗爆破數(shù)據(jù)采集、分析爆破效果，制定了合理的爆破參數(shù)；在仰拱開挖前施作“超前管橋”等一系列措施，在施工中取得了進度、質(zhì)量、安全等多方面的效益，為成功解決上跨既有隧道條件下隧道安全施工提供了寶貴的技術(shù)、管理經(jīng)驗，具有良好的經(jīng)濟、安全和社會推廣價值，達到了預期目的。

參考文獻

[1]顧毅成，史雅語，金驥良.工程爆破安全[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2009

[2]傅洪賢.長距離小間距隧道爆破開挖設(shè)計與施工[J].工程爆破，2006，12(3):30-32,39

[3]雷升祥，楊春明，邱玉良.城市淺埋隧道控制爆破技術(shù)一例[C]//第六屆鐵道工程爆破文集.北京:中國鐵道出版社,2000:249-253

On the Control Techniques for the Safe Construction of a Newly-Built Tunnel Spanning an Existing Tunnel

Jin Ping

( The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of the Railway Building Corporation of China,Liaoyang 101300,China )

Abstract:When the construction for a newly-built tunnel spanning an existing tunnel is carried out, the safety of the structure of the existing tunnel and the safety of the normal operation of the existing railway might be somehow endangered.To get rid of the threats to safety,the steel fixing racks for the existing tunnel are intensified; the rational controlled blasting parameters are worked out by comprehensively taking into account the design of the controlled blasting and the application ofshock-reducingmeasures,andanalyzingthedataobtainedfrommanyblastingtests;theapplicationofaseriesoftechnicalmeasuressuchaslayingtheadvancedrackbridgesbeforestartingtheexcavationoftheinvertedarchofthetunnelhelpsensurethesafe,smoothandquickimplementationoftheconstructionofthenewly-builttunnel,withthesafetyoftheexistingtunnelensuredinthemeantime.

Key words:span;existing tunnels;controlled blasting;reinforcing steel frames;advanced rack bridges

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：金平(1970—)，女，工程師，主要從事橋梁、隧道、路基工程技術(shù)及現(xiàn)場建設(shè)管理工作jinping1970@foxmail.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.020

中圖分類號：U455.6

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0073-05