超大斷面超小凈距交叉隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)分析

楚興華 周江鋒 于國(guó)壘

(1.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000； 2.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著我國(guó)城市化的快速推進(jìn)和基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，隧道工程大量涌現(xiàn)，而且規(guī)模不斷擴(kuò)大，由于建設(shè)時(shí)序的原因，必然會(huì)存在后續(xù)工程對(duì)臨近既有隧道造成影響的問題。隧道開挖對(duì)臨近或下臥已建隧道的影響是一個(gè)復(fù)雜和動(dòng)態(tài)變化的過程，雖然大部分都控制比較到位，但也出現(xiàn)了一些風(fēng)險(xiǎn)事件，針對(duì)這方面的研究也越來(lái)越引起學(xué)者們的重視[1，2]。

陶連金等提出了盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全的評(píng)估方法[3]；楊樹才結(jié)合我國(guó)建設(shè)實(shí)際首次建立了一套貫穿地下工程建設(shè)全過程的安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控模式[4]；孫長(zhǎng)軍[5]、宋瑞剛[6]依托北京、大連等地的大量隧道近接施工案例，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值計(jì)算等方法，系統(tǒng)研究了近接施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)。然而，現(xiàn)有對(duì)超大斷面(跨度大于20 m)、超小凈距(凈距小于5 m)的重疊交叉隧道施工安全的風(fēng)險(xiǎn)研究仍然較為少見。

有鑒于此，本文以大橫琴山隧道和珠海機(jī)場(chǎng)城際軌道交通鐵路隧道(以下簡(jiǎn)稱珠機(jī)城軌)重疊交叉段為研究對(duì)象，根據(jù)工程自身現(xiàn)狀，搜集調(diào)研類似工程，通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，定性分析兩擬建隧道工程的相互影響；同時(shí)結(jié)合分析成果，綜合判定評(píng)估對(duì)象的影響程度，同時(shí)提出建議和加強(qiáng)措施，保證隧道工程的安全施工。

1 工程背景

1.1 工程概況

珠海橫琴新區(qū)大橫琴山一號(hào)隧道位于珠海市橫琴新區(qū)大橫琴山，隧道進(jìn)洞口位于橫琴大道南側(cè)，交通較為便利，出洞口位于長(zhǎng)隆隧道上方。隧道全長(zhǎng)2.3 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為60 km/h，為雙向六車道城市主干道公路隧道。隧道所處山體地表覆蓋有殘積土(礫質(zhì)黏性土)，基底為燕山二期～三期花崗巖。采用CD法施工，大橫琴山隧道下穿珠機(jī)城軌段的斷面圖如圖1a)所示。

珠機(jī)城際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為160 km/h雙線城際鐵路。珠機(jī)城軌隧道上跨大橫琴山一號(hào)隧道段為單洞雙線隧道斷面，該段洞身位于花崗巖中風(fēng)化地層中，采用臺(tái)階法施工。珠機(jī)城際鐵路隧道設(shè)計(jì)斷面如圖1b)所示。

1.2 相對(duì)位置關(guān)系及影響范圍

大橫琴山隧道于右線YK1+281，左線ZK1+289下穿規(guī)劃珠機(jī)城際鐵路，下穿處埋深約100 m，平面夾角約60°，兩項(xiàng)目隧道結(jié)構(gòu)凈距3.5 m～4.3 m，交點(diǎn)距A匝道洞口256 m，距B匝道洞口319 m，右線交點(diǎn)距珠機(jī)橫琴隧道出口494 m。隧道與珠機(jī)城軌的豎向凈距(隧道斷面外輪廓頂距珠機(jī)城軌斷面外輪廓底)分別為：左線4.36 m，右線3.5 m。具體位置關(guān)系如圖2所示。

1.3 地形、地貌、地質(zhì)概況

大橫琴山隧道下穿珠機(jī)城軌隧道的典型地質(zhì)縱斷面情況如圖3所示。

地貌：穿越大橫琴山段為剝蝕殘丘地貌，隧道地形起伏較大，基底為燕山二期～三期花崗巖。

地層：下穿處埋深約100 m，該段隧道穿越巖體主要由中風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖級(jí)別為Ⅲ，Ⅳ圍巖，巖體透水能力較強(qiáng)，基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，富水性微～中等。

2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與接受準(zhǔn)則

鐵路建設(shè)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后果等級(jí)按嚴(yán)重程度分成五級(jí)，可通過人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、功能缺陷、環(huán)境影響及穩(wěn)定影響等主要指標(biāo)來(lái)反映。本文根據(jù)已有研究和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等[7，8]，歸納總結(jié)了風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后各主要影響指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后各主要影響指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路建設(shè)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率和后果等級(jí)分為四級(jí)，具體通過表2判定。根據(jù)隧道的實(shí)際工程性質(zhì)和環(huán)境條件，分階段制定風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則與風(fēng)險(xiǎn)控制原則，詳見表3。

表2 工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

表3 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則與控制原則

2.2 隧道施工初始風(fēng)險(xiǎn)分析

1)工程自身風(fēng)險(xiǎn)。大橫琴山隧道所穿越巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，較破碎，巖體完整性較差，巖體透水能力較強(qiáng)，在隧道的開挖過程中，可能發(fā)生拱頂?shù)魤K、隧道塌方、大變形以及突水等風(fēng)險(xiǎn)情況。

2)工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。大橫琴山隧道于右線YK1+269～YK1+299，左線ZK1+276～ZK1+306下穿規(guī)劃珠機(jī)城際鐵路，埋深約100 m，隧道與珠機(jī)城軌的豎向凈距(隧道斷面外輪廓頂距珠機(jī)城軌斷面外輪廓底)分別為：左線4.36 m，右線3.5 m。后掘進(jìn)隧道在掘進(jìn)過程中對(duì)先建隧道襯砌會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，并引起變形以及襯砌周圍土體的位移，造成已建隧道襯砌開裂等情況。

3)爆破振動(dòng)對(duì)先建隧道的影響風(fēng)險(xiǎn)。大橫琴山隧道和珠機(jī)城軌隧道都采用礦山法施工，其爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，可能使兩隧道之間的中間圍巖產(chǎn)生損傷，在爆破振動(dòng)作用下，先建隧道受到振動(dòng)加速度的作用，產(chǎn)生慣性力，可能引發(fā)襯砌開裂結(jié)構(gòu)、剝落，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)破壞既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全。此外，既有隧道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)受新建隧道開挖影響而產(chǎn)生應(yīng)力重分布。

大橫琴山隧道開挖施工初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表如表4所示。

表4 大橫琴山隧道開挖施工初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

3 施工安全措施

綜前所述，影響隧道施工安全主要有兩大風(fēng)險(xiǎn)因素：一是隧道圍巖條件較差；二是兩隧道凈距很小，隧道開挖、爆破等對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷破壞較大。為降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，著重從兩大風(fēng)險(xiǎn)因素控制方面考慮，根據(jù)工程實(shí)際情況，主要采取以下施工安全措施：

1)開挖作業(yè)要短進(jìn)尺、弱爆破。本段采用單側(cè)壁法施工，開挖作業(yè)由上而下，襯砌施工由下而上。隧道施工應(yīng)遵循“少擾動(dòng)、快加固、勤量測(cè)、早封閉”的原則。

2)考慮到隧道開挖引起的水平和豎向位移會(huì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和受力，在施工過程中，應(yīng)當(dāng)做好監(jiān)控量測(cè)，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜、扭曲或者差異沉降過大，應(yīng)當(dāng)立即停止施工，采取注漿加固等有效措施。

3)開挖后立即進(jìn)行噴射混凝土施工，緊接打錨桿、架立鋼架，最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。開挖時(shí)側(cè)壁兩端接頭盡量在主洞鋼架接頭附近。

4)導(dǎo)坑上下臺(tái)階界面鋼架支撐應(yīng)做好鎖腳措施，防止鋼架失穩(wěn)或下沉。

5)施工單位可根據(jù)機(jī)具、人員配備及施工技術(shù)水平合理調(diào)整施工方案，臺(tái)階長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理調(diào)整，但必須保證施工安全。

6)施工階段加強(qiáng)對(duì)珠機(jī)城際襯砌表面振速監(jiān)測(cè)及沉降變形監(jiān)測(cè)，要求爆破振動(dòng)速率不大于20 cm/s。

采取安全措施后殘余風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表見表5。

表5 采取安全措施后殘余風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

同時(shí)，考慮到大橫琴山隧道位于珠機(jī)城軌隧道下部，兩隧道間距較小(最小凈距3.5 m)，立交點(diǎn)處大橫琴山隧道斷面跨度較大(24 m)，珠機(jī)城軌隧道斷面較小(12.4 m)，隧道斷面越大，對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)就越大，對(duì)相鄰的工程影響就越大。因此，大橫琴山隧道先行，珠機(jī)城軌隧道以小斷面上跨大橫琴山隧道，對(duì)下部隧道影響更小，可更好保證兩座隧道的施工安全。

此外，在施工前還應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案的編制，做好現(xiàn)場(chǎng)施工的統(tǒng)籌管理和安排，保證不同施工單位統(tǒng)籌運(yùn)作，以應(yīng)對(duì)各種危及隧道結(jié)構(gòu)安全的突發(fā)情況，盡可能地將風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后的影響降到最小。

通過對(duì)大橫琴山隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行控制，采取措施后對(duì)珠機(jī)城軌的影響殘余風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由高度轉(zhuǎn)為中度，為可接受狀態(tài)，有效提高隧道開挖施工安全性。

4 結(jié)論與建議

1)影響隧道施工安全主要有兩大風(fēng)險(xiǎn)因素：一是隧道圍巖條件較差；二是兩隧道凈距小，隧道開挖、爆破等對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷破壞較大?？赏ㄟ^采取短進(jìn)尺開挖、弱爆破、做好施工監(jiān)控量測(cè)、開挖后立即初襯施工等措施來(lái)控制這兩大風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2)考慮到隧道斷面越大，對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)就越大，對(duì)相鄰的工程影響就越大，結(jié)合工程情況，建議先開挖大橫琴山隧道，珠機(jī)城軌隧道以小斷面上跨大橫琴山隧道，對(duì)下部隧道影響更小，可更好保證兩座隧道的施工安全。

3)建議大橫琴山隧道先施作交叉段二次襯砌，以提高安全性。若受客觀條件而不能先施作二襯，則應(yīng)在拱部采用中管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)，且不拆除臨時(shí)支撐，以減小上部隧道施工爆破對(duì)下部隧道的影響，確保施工安全，待珠機(jī)城軌隧道開挖通過后再施工上下兩隧道二次襯砌。

4)在施工中，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)變形過大，建議及時(shí)調(diào)整開挖方法，選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。同時(shí)，兩隧道參建單位應(yīng)構(gòu)建交叉段施工管理的聯(lián)動(dòng)機(jī)制、共享監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，以確保交叉段施工安全。