富水暗挖隧道近接既有盾構(gòu)區(qū)間控制爆破與降水施工變形控制技術(shù)

王振華

（中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510000）

目前，由于中國城市化的發(fā)展?fàn)顩r和人們的日常出行需求，必須要在城市內(nèi)部建設(shè)相應(yīng)的地鐵線路，幫助人們提高生活水平和生活質(zhì)量。在建設(shè)過程中，常遇到臨近施工問題，城市地下工程臨近施工是關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，也是高風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)。因此，對臨近施工進(jìn)行分析，采取合適的技術(shù)措施控制隧道變形，保證隧道變形不超過控制值是非常關(guān)鍵的。

1 工程概況

廣州市軌道交通13 號線二期工程天河公園站—E41盾構(gòu)井暗挖區(qū)間位于天河區(qū)天河公園內(nèi)，總體呈東西走向，西接天河公園站站后折返線（與開通運(yùn)營21 號線天河公園站相接），東接E41 盾構(gòu)井。區(qū)間左線采用盾構(gòu)法施工，與右線最近距離4.925 m，右線采用暗挖礦山法施工，總長度367.79 m，分A、B、C 三種斷面，其中A、B 斷面為單洞雙線存車線，采用CD 法施工，C 斷面采用上下臺階法施工。工程線路平面圖如圖1所示。

圖1 線路平面圖

2 水文地質(zhì)條件

本區(qū)間全部位于天河公園內(nèi)，總體地勢較為平坦，主要為公園綠地、道路、湖泊等，地面標(biāo)高13.28～20.72 m。隧道拱頂以上巖土層分為填土層、陸相沖積-洪積砂層、沖積-洪積-坡積土層、殘積層、巖石全風(fēng)化帶、巖石強(qiáng)風(fēng)化帶，隧道穿越地層主要為巖石強(qiáng)風(fēng)化帶，局部拱頂?shù)膸r石全風(fēng)化帶以及局部夾層巖石中風(fēng)化帶。

地下水主要為第四系孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水，基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)化巖中的風(fēng)化裂隙之中，為承壓水，兩者之間局部有一定水力聯(lián)系，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.80～6.30 m（標(biāo)高4.50～17.52 m），年變化幅度為1.00～1.50 m。另本隧道位于天河向斜核部北側(cè)，向斜核部為較好的匯水構(gòu)造，局部地下水水量豐富，同時(shí)本場地內(nèi)地下水還接受天河公園湖、棠下涌的側(cè)向補(bǔ)給，天河公園湖、棠下涌與珠江水系有一定水力聯(lián)系，水位和水量除受降雨影響外，受潮汐作用影響明顯。線路平面圖如圖2 所示。

圖2 線路平面圖

3 施工重難點(diǎn)

右線大斷面暗挖巖層風(fēng)化不均，導(dǎo)洞ⅠⅠ、導(dǎo)洞ⅠV全部需采用爆破施工，導(dǎo)洞Ⅰ、導(dǎo)洞ⅠⅠⅠ根據(jù)需要，需局部采用爆破施工，右線進(jìn)洞之初，左線盾構(gòu)已貫通，左右線之間凈距4.925～6.144 m，超近距離臨近既有盾構(gòu)區(qū)間隧道爆破施工對既有線結(jié)構(gòu)影響。

大斷面暗挖采用CD 法施工，斷面最大開挖面積120.5 m2，隧道巖層多為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，局部拱頂為全風(fēng)化砂礫巖，地下水豐富，開挖過程中拱頂有掉塊現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

4 施工技術(shù)控制

4.1 爆破控制措施

總體遵循“啟動遠(yuǎn)離保護(hù)物，盡早創(chuàng)造臨空面，控制單孔最大藥”的原則，將礦山法開挖步序調(diào)整為導(dǎo)洞1（右上）→導(dǎo)洞2（右下）→導(dǎo)洞3（左上）→導(dǎo)洞4（左下），創(chuàng)造臨空面，減少振動傳遞。

斷面布孔及起爆順序示意圖如圖3 所示。掏槽孔采用四孔掏槽，四孔擴(kuò)槽，布置在導(dǎo)洞1-1 的中央偏下，孔深比設(shè)計(jì)開挖進(jìn)尺深400 mm，采用楔形、菱形等掏槽布孔方式；輔助孔盡量與隧道輪廓線、臨時(shí)中隔壁和臨空面平行布置，孔深比設(shè)計(jì)開挖進(jìn)尺深200 mm；隧道輪廓周邊孔直接靠輪廓線布置，臨時(shí)中隔壁周邊孔及底孔超出設(shè)計(jì)輪廓線往外約150 mm，孔深與輔助孔相同。周邊孔孔間距取400～600 mm（平均值為450 mm），最小抵抗線取400～600 mm（平均值為550 mm）；輔助孔間距取700～1 000 mm，排距取600～800 mm；掏槽孔間距450 mm、700 mm，排距600 mm。

圖3 斷面布孔及起爆順序示意圖

掏槽孔和輔助孔采用反向耦合連續(xù)裝藥，周邊孔采用正向不耦合間隔裝藥[1]，為了確保爆破效果，炮孔的填塞長度一般不得小于炮孔長度的1/3。

考慮到左線盾構(gòu)隧道已經(jīng)成型，水平凈距4.9～6.2 m。根據(jù)GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，隧道八部開挖各個(gè)分部均采用單段最大藥量與左線盾構(gòu)直線距離進(jìn)行安全校核。按《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，工業(yè)和商用建筑物所能承受的最大允許安全振動速度為2.5～5.0 cm/s，交通隧道所能承受的最大允許安全振動速度為10～20 cm/s，為了保證爆破振動不影響盾構(gòu)安全，按“就小不就大”原則，爆破振動速度取5.0 cm/s進(jìn)行安全校核。

4.2 各導(dǎo)洞爆破設(shè)計(jì)

4.2.1 導(dǎo)洞1-1 部

若1-1 部為土層，直接采用機(jī)械開挖，并為3-1部和1-2 部創(chuàng)造臨空面；若為巖層，在1-1 部采取掏槽方式進(jìn)行爆破開挖。1-1 部布孔及起爆順序圖如圖4 所示，1-1 部掏槽孔與左線盾構(gòu)直線距離示意圖如圖5 所示，導(dǎo)洞1-1 部爆破振動速度校核表如表1 所示。

圖4 1-1 部布孔及起爆順序圖

圖5 1-1 部掏槽孔與左線盾構(gòu)直線距離示意圖

表1 導(dǎo)洞1-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.2 導(dǎo)洞1-2 部

導(dǎo)洞1-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖6 所示，導(dǎo)洞1-2 部爆破振動速度校核表如表2 所示。

圖6 導(dǎo)洞1-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表2 導(dǎo)洞1-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.3 導(dǎo)洞2-1 部

導(dǎo)洞2-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖7 所示，導(dǎo)洞2-1 部爆破振動速度校核表如表3 所示。

圖7 導(dǎo)洞2-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表3 導(dǎo)洞2-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.4 導(dǎo)洞2-2 部

導(dǎo)洞2-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖8 所示，導(dǎo)洞2-2 部爆破振動速度校核表如表4 所示。

表4 導(dǎo)洞2-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

圖8 導(dǎo)洞2-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

4.2.5 導(dǎo)洞3-1 部

導(dǎo)洞3-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖9 所示，導(dǎo)洞3-1 部爆破振動速度校核表如表5 所示。

圖9 導(dǎo)洞3-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表5 導(dǎo)洞3-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.6 導(dǎo)洞3-2 部

導(dǎo)洞3-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖10 所示，導(dǎo)洞3-2 部爆破振動速度校核表如表6 所示。

圖10 導(dǎo)洞3-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表6 導(dǎo)洞3-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.7 導(dǎo)洞4-1 部

導(dǎo)洞4-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖11 所示，導(dǎo)洞4-1 部爆破振動速度校核表如表7 所示。

圖11 導(dǎo)洞4-1 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表7 導(dǎo)洞4-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.8 導(dǎo)洞4-2 部

導(dǎo)洞4-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系如圖12 所示，導(dǎo)洞4-2 部爆破振動速度校核表如表8 所示。

圖12 導(dǎo)洞4-2 部布孔起爆順序及與左線盾構(gòu)直線距離關(guān)系

表8 導(dǎo)洞4-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.3 爆破效果監(jiān)測

根據(jù)爆破監(jiān)測，各部爆破效果，爆破振速滿足控制要求，如表9 所示。

表9 爆破各部參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

5 降水施工技術(shù)

5.1 降水總體方案設(shè)計(jì)

區(qū)間右線大斷面暗挖地下水穩(wěn)定水位埋深為1.80～6.30 m（標(biāo)高4.50～17.52 m），隧道斷面大，穿越地層以強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖為主，拱頂局部為全風(fēng)化碎屑巖，地面水系發(fā)達(dá)，總水域面積達(dá)到11.6 萬m2，對地下水有一定的補(bǔ)給作用，并且隧道位于天河向斜核部北側(cè)，裂隙發(fā)育，為典型的匯水構(gòu)造，局部地下水水量豐富。

隧道開挖過程中，掌子面滲漏水水量較大，特別是導(dǎo)洞1-1 部，滴漏水十分嚴(yán)重，長時(shí)間暴露后掌子面出現(xiàn)了局部掉塊現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[2-3]。

從確保施工安全和生產(chǎn)進(jìn)度兩方面，同時(shí)考慮地下水抽排對公園環(huán)境的影響角度出發(fā)考慮，采取了地面降水為主，洞內(nèi)引排為輔的掌子面降水方案，將洞內(nèi)水位降至掌子面上導(dǎo)洞以下。

初步方案：大斷面隧道范圍內(nèi)地勢較平坦，降水模型近似為基坑降水，降水井在隧道兩側(cè)施工，距離隧道邊線約為3 m，單側(cè)井間距rij為15 m，鉆孔直徑300 mm，管直徑150 mm，承壓降水井，降水井類型為管井降水，降水設(shè)計(jì)深度sd=7.8+10+1=18.8 m。

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》附錄E.0.3 和廣州市軌道交通十三號線首期延伸線（天河公園—魚珠）天河公園至棠下站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告（編號：KC-2018-047/2017-004-X-02-01）2.8.7 章節(jié)，承壓水完整井的基坑降水總涌水量計(jì)算公式：

式（1）中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)（取強(qiáng)風(fēng)化層系數(shù)），m/d；M為承壓水含水層厚度，m；sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深（取降至隧道上下導(dǎo)洞分界線以下1 m），m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m。

將k=0.9 m/d，M=14.63 m，sd=18.8 m，R=178.35 m，r0=9.45 m 代入式（1）得：

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》7.3.10，降水井的設(shè)計(jì)單井流量可按下式計(jì)算：

式（2）中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；n為基坑模型總降水井?dāng)?shù)量。

將Q=529.29，n=2 代入式（2）得：

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》7.3.11，本隧道處管井單井出水能力公式如下：

式（3）中：q0為單井出水能力，m3/d；rs為過濾器半徑，設(shè)計(jì)為0.15 m；l為過濾器進(jìn)水部分長度，取5 m；k為含水層滲透系數(shù)，本次隧道斷面含水層的厚度加權(quán)平均值，m/d。

將rs=0.15 m，l=5 m，k=0.9 代入式（2）得：

根據(jù)詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告，抽水試驗(yàn)孔MUZ3-THGY-S19，計(jì)算得承壓完整井穩(wěn)定流水力坡度平均值i為0.19。

采取隧道兩側(cè)邊線以外3 m 布置降水井，降水井間距15 m，單口降水井降水需輻射最遠(yuǎn)距離為L=24/2=12 m，根據(jù)水平距離L、基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深sd和水力坡度i，計(jì)算降水井水位設(shè)計(jì)降深sw：

管井設(shè)計(jì)深度：

式（4）中：H井為管井降水井設(shè)計(jì)深度，m；h1為基坑開挖深度（取地面至隧道上下導(dǎo)洞交界面距離），m；h2為井點(diǎn)露出地面的高度，m；h3為基底降水線至基底（導(dǎo)洞分界線）的距離，m；i為水力坡度（具體數(shù)值根據(jù)勘察報(bào)告結(jié)果）；L為單口降水井降水需輻射最遠(yuǎn)距離，m；h4為管井濾管長度，m。

將h1=21.1 m，h2=0.2 m，h3=1 m，h4=6 m，i=0.2，L=12 m 代入公式（4）得：

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》7.3.6，計(jì)算承壓完整井理論降深s0：

式（5）中：s0為基坑地下水位降深，m；n為降水井?dāng)?shù)量；j為第j口降水井；qj為第j口降水井的單井流量，m3/d；M為承壓含水層厚度，m；k為含水層的滲透系數(shù)，m/d；R為影響半徑，m；rij為第j口井中心至i點(diǎn)（降深計(jì)算點(diǎn)）的距離，m。

將n=2，j=1、2、3、4，qj=274.75 m3/d，k=0.9 m/d，R=168.7 m，r=12 m，M=14.63 m 代入公式（5）得：

已知sd=18.8 m，則s0略小于sd，施工過程中加密降水井布置至10～15 m，且理論降深s0計(jì)算時(shí)并為考慮群井效應(yīng)，施工時(shí)洞內(nèi)輔以排水措施，故降水井方案滿足要求。

5.2 降水施工

根據(jù)理論計(jì)算獲得的方案進(jìn)行現(xiàn)場降水施工，降水井在隧道兩側(cè)施工，距離隧道邊線約為3 m，井間距適當(dāng)加密布置至10～15 m，降水井深度大于30.7 m，承壓降水井，降水井類型為管井降水，成孔直徑600 mm，管井直徑300 mm，底部濾管長度大于6 m。

鉆孔完成后孔內(nèi)放置直徑300 mm的PVC波紋管，底部濾管采用鋼管，鋼管穿孔，管外用濾網(wǎng)包裹，管與成孔空隙之間填充瓜米石，井口位置采用黏土填實(shí)，深度約為500 mm。

采用深井潛水泵進(jìn)行管井降水，水泵流量15 m3/h，揚(yáng)程30 m，功率4.5 kW，水管管徑5 cm。

目前進(jìn)尺最多的導(dǎo)洞1-1 進(jìn)尺135 m，里程為YDK29+911.773 ， 降水井施工起始里程為YDK29+828.273，距離洞門口51.5 m，完成降水井16個(gè)（編號1～16 號），單口降水井施工時(shí)間約10 h，具體信息如表10 所示。

表10 降水情況統(tǒng)計(jì)表

5.3 降水效果

2021-07-25 ，針對掌子面上導(dǎo)洞1 采取計(jì)時(shí)接水測量法對涌水量進(jìn)行了測量統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表11 所示。

表11 地面降水前洞內(nèi)導(dǎo)洞1 涌水量統(tǒng)計(jì)表

表10（續(xù)）

從上表可以看出，導(dǎo)洞1 在2021-07-25 上午平均涌水量為16.56 m3/d，下午涌水量為14.62 m3/d，2 次平均值為15.59 m3/d，掌子面日失水量很大，不利于施工，而且施工風(fēng)險(xiǎn)極高。

按照理論設(shè)計(jì)方案施工降水井后，在降水過程中，掌子面上導(dǎo)洞（導(dǎo)洞1-1、導(dǎo)洞1-2、導(dǎo)洞3-1、導(dǎo)洞3-2）滲水明顯減少，隨著降水的繼續(xù)，如圖13、圖14 所示，最終上導(dǎo)洞掌子面接近干爽，拱頂無掉塊現(xiàn)象，如表12、圖15 所示，超挖控制到位，施工進(jìn)度也明顯提升。

圖13 拱頂小導(dǎo)管線性滴漏水

圖14 導(dǎo)洞1-1 降水后效果

表12 降水前后總體功效對比表

圖15 降水前后初支施工進(jìn)度圖

地面降水期間對地面沉降值進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，頻率為1 次/d，監(jiān)測范圍為掌子面前端30 m，選取了11月1 日至12 月1 日期間YDK29+876.000 和YDK29+896.000 兩個(gè)斷面的數(shù)據(jù)，顯示地面呈現(xiàn)明顯持續(xù)沉降，累計(jì)沉降最大值-23.7 mm。

6 主要結(jié)論

通過采用優(yōu)化暗挖大斷面隧道開挖順序，按照遠(yuǎn)離既有盾構(gòu)區(qū)間先行導(dǎo)洞開挖，先行導(dǎo)洞四孔掏槽、四孔擴(kuò)槽，角部增設(shè)減振孔的防范，降低爆破掏槽對既有盾構(gòu)區(qū)間的影響程度。

通過采用數(shù)碼電子雷管起爆技術(shù)，合理控制單段起爆藥量、設(shè)置起爆延時(shí)（100 ms），降低爆破振動速度。施工過程中區(qū)間內(nèi)管片未出現(xiàn)任何異常。

采用地表降水和洞內(nèi)降水相結(jié)合的降水技術(shù)，確保了強(qiáng)風(fēng)化礫巖為主地層，地下水較豐富地區(qū)，降水效果，同時(shí)地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，降水施工未對地表沉降造成明顯影響。

7 結(jié)束語

綜上所述，在富水地層中臨近既有線施工過程中，需要全面考慮周邊環(huán)境，探清水文地質(zhì)條件，過程進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，減少了對臨近既有線結(jié)構(gòu)的影響，保證了隧道安全。通過主動降水，加強(qiáng)對各個(gè)施工環(huán)節(jié)管理，有效降低了隧道開挖過程中水對圍巖的影響，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工進(jìn)度，同時(shí)也給類似工程項(xiàng)目提供了一定借鑒。