新建暗挖隧道下穿既有隧道施工控制技術研究發(fā)展概述

劉忠強+李旭

摘要： 隨著近年來國家基礎工程建設力度的加大，地鐵暗挖隧道下穿既有隧道的施工項目逐漸增加。保證新建隧道的施工安全和既有隧道的正常運營是施工的重難點。本文通過對新建隧道下穿既有隧道的施工控制文獻研究分析，論述了隧道載荷、振動爆破、監(jiān)控量測對新建隧道下穿既有隧道的影響。結論認為，在修建此類隧道時采用工程類比法分析荷載，利用弱振動爆破形式，加強監(jiān)控量測有利于保證施工的安全和既有隧道的正常運營。

Abstract： With the increase of national basic engineering construction in recent years， the construction projects of underground tunneling undercrossing the existing tunnels have gradually increased. It is a important and difficult task to ensure the construction safety of the new tunnel and the normal operation of the existing tunnel. This paper studied and analyzed the literature about the construction control of the newly built tunnel undercrossing the existing tunnel， and discussed the influence of the tunnel load， vibration blasting and monitoring measurement on the construction. The conclusion was that the use of engineering analogy method to analyze the load and the use of weak vibration blasting mode to strengthen the monitoring and measurement is beneficial to ensure the construction safety and the normal operation of the existing tunnels.

關鍵詞： 下穿既有隧道；施工控制；隧道荷載分析；振動爆破；監(jiān)控量測

Key words： undercrossing existing tunnel；construction control；tunnel load analysis；vibration blasting；monitoring measurement

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0238-03

0 引言

隨著地下空間的不斷開發(fā)和利用，同時伴隨著“十三五”規(guī)劃的推進，國家及政府對基礎設施的資金、力度的大力投入和支持，城市地鐵施工成為重點建設項目，然而在暗挖隧道工程規(guī)劃與建設中，新建隧道下穿既有隧道類的施工項目隨之不斷增加，由于不同的地質條件、地形條件和運營情況等因素，這類工程在施工的過程中存在較大的安全隱患。而我國在此類工程中研究相對較少，因此在我國建設此類工程需要考慮國外的先進經驗，針對性采取一定的措施，在保證施工安全的前提下，采用合理的施工技術及工藝流程，才能保證施工的順利進行。在修建此類隧道時，新建隧道施工過程中，會對既有隧道圍巖、襯砌等的受力特征及穩(wěn)定性，變形、裂縫變化和正常的運營等產生影響。為了確保新建隧道施工時盡可能減少對既有隧道的擾動，應對其進行一定的施工控制，采取合適的施工方法，嚴格控制爆破試驗獲得的爆破參數進行爆破作業(yè)，按照監(jiān)控量測方案進行監(jiān)控，以確保既有隧道的安全[1]。

1 國內外研究發(fā)展現狀

至今，針對新建隧道下穿既有隧道的工程，國內外研究較少，多數是對單孔隧道和水平平行隧道采用數值模擬的方法分析研究并取得了一些成果[2，3]，然而目前工程界對于小凈距、大角度間距等下穿隧道的受力機理、施工過程力學形態(tài)等規(guī)律的認識尚有不足，缺乏一定系統(tǒng)性的研究，局限于半經驗半解析解，在施工上較水平平行隧道更難于控制[4，5]。因此急需要對此類隧道的設計與施工等關鍵技術展開可行性研究工作。

在國內方面，陳先國，高波[6]利用ANSYS軟件對地鐵近距離平行隧道進行了模擬，分析了不同開挖順序對隧道的影響，研究表明第二孔隧道的掘進對已修建的第一孔隧道有較大的影響。張志強，河川[7]以南京地鐵區(qū)間盾構隧道下穿玄武湖公路隧道為例，并進行了三維有限元數值模擬研究，分析了不同推力作用下的變形及監(jiān)測，結果表明應降低推進力—放慢掘進速度，不宜加大推進力—快速通過，且推進力量值切換點應在距離既有隧道正下方大于6m處，并加大對既有隧道底板的監(jiān)控，以保證安全性。楊年華，劉慧[8]通過DYNA—2D程序對近距離爆破引起的隧道周邊振動場的研究，論述了爆破性質、地質條件對爆破衰減的影響，并根據動分析，提出有關降低爆破振動的措施。畢繼紅[9]等運用有限元的基本理論，采用ANSYS軟件對鄰近隧道爆破震動對既有隧道進行了研究，分別就不同圍巖類型、不同隧道間距下既有隧道的振動進行了分析。張玉軍[10]等以豐澤街隧道下穿泉廈高速公路太平山隧道為例，進行了三維有限元計算，分析了圍巖的應力和變形狀態(tài)，給出了相應的開挖、支護的方法和施工時的監(jiān)測內容的建議。

國外對于這方面的研究，日本研究較為突出，其出版的《近接隧道施工的設計與指南》詳細分析了影響新建隧道與既有隧道的六大主要主要因素，包括：隧道的凈距、立面相對位置關系、新建隧道的規(guī)模、施工方法、地形和地質條件、既有隧道襯砌結構的施工質量。其中，按隧道位置的相對關系劃分交疊隧道相互影響的范圍如表1[11，12]。endprint

SolimanE，DuddeckH[13]等采用有限元分析的方法對地層中近接兩條地鐵隧道開挖進行了力學分析，闡明了一個單孔隧道的應力與位移的變化，并比較得出了雙孔隧道的相應變化。Chehade F H[14]等利用數值模擬的方法分析了修建雙隧道，或修建與既有隧道相鄰隧道時，隧道的相對位置和施工工程隊襯砌的影響。

2 施工控制技術

隧道施工應堅持“二十一字原則”，即“管超前、預注漿、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”。施工方法的選取應遵循如下三條的判別原則：首先是充分發(fā)揮圍巖的自承能力和基本維持圍巖的原始狀態(tài)；其次是預支護原理的正確運用；最后是開挖能量最小原理。在施工中，應根據實際情況和設計要求采用合適的施工技術。本文研究的是新建隧道下穿既有隧道的施工控制，為了保證新建隧道施工的安全和既有隧道正常的運營，需要采取合理的措施和技術，特別是在隧道荷載分析，振動爆破，監(jiān)控量測等方面。

2.1 隧道荷載分析 一般通過對隧道的荷載確定，才能根據隧道荷載范圍制定合理并科學的隧道結構設計方案以及好的施工措施和技術。然而在此類下穿隧道的施工中，荷載所采用的一般是圍巖的松動壓力。圍巖壓力的確定目前常用的方法有下列三種：第一，現場實地測量法，此類方法是研究的發(fā)展方向，也是一種以實際為出發(fā)點的方法，但是由于受到測量設備和技術水平的局限，其計算方法還存在好多不足之處，仍然不能普遍采用；第二，理論公式計算法，它基于相關理論運用實踐研究分析圍巖壓力的有效方法。由于圍巖地質狀態(tài)的改變，所用的計算參數難以取得確定的值，以及各種影響因素，要建立一種適合各種實際情況的通用圍巖壓力理論計算方法存在許多困難，因此也存在好些不足之處；最后是經驗法或工程類比法，即統(tǒng)計法，這類方法的實施必須以大量的前期勘測與資料統(tǒng)計為基礎，按不同圍巖分級提出圍巖壓力的經驗數值，并作為后建工程確定圍巖壓力的依據的方法。此類方法能夠較真實的反應圍巖壓力，故是目前使用較多的方法。對于隧道結構計算的結果不能直接用于荷載設計環(huán)節(jié)中，一方面，圍巖的物理學參數不能被準確測定；其次是由于隧道所受荷載由可變荷載和永久性荷載控制，且其量級比較大，不能準確計算出；另一方面，隧道的自承能力不僅是由圍巖自身所控制，還受施工時間、施工方法、支護形式等因素的影響。因此，計算值應加以修正再用于工程實踐中。

2.2 振動爆破 爆破作為隧道開挖的一種方法，應根據不同的條件選擇合理的爆破方法才能取得好的爆破效果。然而在新建隧道下穿既有隧道的爆破過程中，若以強振動爆破的方式開挖，會對既有隧道的框架結構以及受力等產生嚴重的影響，以威脅到隧道的質量安全。因此在此類隧道的開挖中一般采用弱振動的爆破形式，再者綜合對一些工程的研究分析和監(jiān)測，還需對既有隧道受爆眼的距離、裝藥情況、炸藥類型、地層條件以及隧道健全度加以控制。爆破振動的破壞程度是以振動速度為衡量標準。根據《爆破安全規(guī)程》[15]規(guī)定，既有隧道允許的振動速度為小于10-12cm/s，施工過程中應該根據新建隧道與既有隧道巖層的垂直厚度來控制新建隧道開挖爆破的振動。在新建隧道與既有隧道的交疊處，需在其2-3倍洞徑前后范圍施工時，應合理控制爆破振動速度[16]，以保證施工的順利進行。

通過對質點峰值的振動速度的控制，根據公認的前蘇聯學者薩道夫斯基經驗公式[17]，可以得出爆破振動安全距離如下：

式中：R—爆心距測點距離，m；Q—最大段裝藥量，kg，齊發(fā)爆破取總裝藥量，微差爆破或秒差爆破取最大裝藥量；K—地質系數；？琢—爆破地震波衰減系數；V—測點因爆破引起的振速，cm/s；m—藥量指數。

注：根據工程地質條件及《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）確定經驗公式法參數。

2.3 監(jiān)控量測 監(jiān)控量測是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定及判斷設計與施工方法是否正確的重要手段，另一方面對于保證施工安全和提高經濟效益也有積極的影響。隧道現場監(jiān)控量測方案是基于隧道的地形地貌、支護結構、支護參數、隧道施工方法等條件確定的。監(jiān)控量測項目有一部分是必測的，還有一部分選測的，主要根據圍巖級別和現場條件具體確定監(jiān)控量測項目。一般來說，必測項目能夠為隧道施工提供更直觀、更可靠的圍巖狀況的數據。本文所研究的隧道項目中，需要對既有隧道和新建隧道進行監(jiān)控量測，根據所得數據指導施工活動，以進一步提高施工活動的安全系數。鑒于此，對于既有隧道和新建隧道進行及時的監(jiān)控是必不可少的一項工作。

2.3.1 既有隧道的監(jiān)測 對既有隧道的監(jiān)測主要是根據對監(jiān)測結果的研討總結出一套符合實際的地層穩(wěn)定性規(guī)律，同時掌握既有隧道襯砌的力學狀態(tài)及其變化趨勢，同時全面了解隧道結構變形、整體沉降、爆破振動速度、襯砌表面應變的影響作用，提前制定應急處理措施來應對一些安全隱患或安全事故，為支護參數的優(yōu)化調整和施工方案的制定提供科學依據。按照常規(guī)操作方法，既有隧道的監(jiān)測斷面應該選在其左右線隧道中線與新建隧道中線交叉部位及其兩側對稱布置[18]。

2.3.2 新建隧道的監(jiān)測 根據圍巖條件、隧道工程規(guī)模、支護類型和施工方法等進行監(jiān)控量測項目的選擇。此類新建隧道中主要對新建隧道水平相對凈空變化、拱頂相對下沉、爆破振動速度等項目量測。如果發(fā)現地質變化幅度大，應采取相應的緊急措施來應對。再者應對所監(jiān)測的數據進行分析與整理，及時的反饋和調整，以致于能很好地進行信息化施工。

2.3.3 交叉點的監(jiān)測 在臨近交叉點施工時，要加強對新建隧道和既有隧道的監(jiān)控量測，對新、既隧道系統(tǒng)進行嚴密監(jiān)控，加密測點，加大量測頻率。通過監(jiān)測分析結果，合理調整施工開挖方法、爆破參數及起爆方式，以確保既有隧道的安全和新建隧道的順利施工。并且在交叉點施工后，應對既有隧道交叉點附近隧道襯砌結構應重新進行安全性評價，以確保隨著時間的推移隧道也是安全的。

3 結論與展望

本文概述了隧道荷載分析、振動爆破、監(jiān)控量測在新建隧道下穿既有隧道施工控制技術的研究。得到結論如下：①不同施工順序和工藝流程對新建和既有隧道的影響程度分析和對比，采用工程類比法對隧道荷載的分析有助于設計環(huán)節(jié)中施工控制，同時也有利于提高施工效率，改善施工進度。②爆破振動對既有隧道的影響較大，要嚴格控制爆破的各種參數，嚴格控制其振速及爆破的距離，以確保安全性。③加強對既有隧道、新建隧道的監(jiān)控量測，并及時進行信息反饋和預測預報，以指導現場施工。endprint

對于新建隧道下穿既有隧道的施工控制技術，除了以上主要三方面外，還包括支護的優(yōu)化、施工方法的選取、加固措施的實施等。在以后的研究開發(fā)中可以通過實驗法、統(tǒng)計法、數值分析法、模型模擬法等主要方法，也可以采用監(jiān)測法、類比法、對比法等來對此類隧道進行研究分析，可以再結合國外的研究成果，形成一套相對成熟的技術理論和創(chuàng)新科技，能夠為以后相關項目的設計施工提供可靠的理論支撐和豐富的施工經驗，完善相關管理體系。

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