沈白高鐵阿金隧道穿越大伙房水庫輸水二期工程輸水隧洞安全評價研究

張榮坤

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著我國經濟發(fā)展，公路、市政道路和鐵路等路網密度不斷提升，交通通道日益緊缺，不同方式間的交叉穿(跨)越逐漸增多[1]。大伙房水庫輸水二期工程是由大伙房水庫向遼寧省撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等六城市輸水的一項大型輸水工程[2]，是遼寧中南部工農業(yè)供水重要水源工程。大伙房水庫輸水二期工程輸水隧洞頂距高鐵阿金隧道開挖底高程僅為28.96m，因此，有必要在隧道建設中開展專項安全技術影響評價，確保供水工程安全運行。

1 穿越段工程概況

1.1 大伙房水庫輸水二期工程

大伙房水庫輸水二期工程的工程等別為I等，主要建筑物級別為1級[3]。輸水隧洞為有壓洞，圓形斷面，成洞洞徑6m，全段總長30km[4]。輸水隧洞圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，只在樁號2+885處為Ⅴ類圍巖，段長31m，該位置與交叉點水平距離49.4m；3+047處為Ⅳ類圍巖，段長23m，該位置與交叉點水平距離212.4m。

1.2 沈白高鐵阿金隧道

阿金隧道位于撫順市東洲區(qū)，為單洞雙線隧道，起訖里程為DK59+000～DK60+710，隧道最大埋深約56.5m。最高高程約188.5m，最低約120.0m，隧道進、出口均與路基工程相連[5]。隧道全段落位于R7000的右偏曲線上，進口至DK59+050范圍縱坡為15.5‰的上坡，DK59+050至DK60+250范圍縱坡為3‰的上坡，DK60+250至出口范圍縱坡為18‰的上坡。

1.3 穿越段

阿金隧道于DK59+754.95上跨大伙房水庫輸水隧洞，圍巖等級為Ⅴ級，由粉質黏土、混合巖(全風化—弱風化)組成，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎軟弱，呈塊狀散體結構。阿金隧道與大伙房水庫輸水二期工程平面交叉角約為87.15°，上跨位置處阿金隧道為3%的上坡段，阿金隧道軌面高程131.05m；該處大伙房水庫二期輸水工程隧洞洞底高程93.34m，洞徑6.0m，洞頂高程99.34m，輸水隧洞頂距阿金隧道軌面距離約為31.71m，距離隧道開挖底高程約為28.96m。

2 穿越段設計方案

2.1 總體方案

DK59+701.35～DK59+808.55段，采用單臂掘進機非爆破開挖，DK59+251.35～DK59+701.35段和DK59+808.55～DK60+258.55段，采取控制爆破，距離輸水隧洞最近距離處爆破振速不大于2.5cm/s，嚴格控制一次裝藥量及開挖進尺，確保隧道施工不影響居民的正常生活及隧洞輸水。阿金隧道為單洞雙線隧道，隧道洞身采用毫秒延時微振控制爆破技術，嚴格控制最大單響藥量。

2.2 爆破參數設計

2.2.1 Ⅲ級圍巖爆破參數設計

阿金隧道Ⅲ級圍巖段(DK59+260～DK59+540、DK60+040～DK60+150)爆破施工按照4m循環(huán)進尺進行，設計不同類別炮孔的炮孔數量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數量等爆破參數(見表1)，單孔最大裝藥量65.6kg。

表1 Ⅲ級圍巖臺階法爆破參數

2.2.2 Ⅳ級圍巖三臺階法爆破參數設計

阿金隧道Ⅳ級圍巖段(DK59+251.35～DK59+260、DK59+540～DK59+610、DK59+985～DK59+040、DK60+150～DK60+200)爆破施工按照3m循環(huán)進尺進行。

其中DK60+179.3～DK60+200Ⅳ級圍巖段屬于特殊控制段，循環(huán)進尺及相關參數參照Ⅴ級圍巖，以現場試爆為準調整具體相關參數，如不能達到監(jiān)控和要求標準，需按照施組要求按照電子雷管控制爆破重新設計不同類別炮孔的炮孔數量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數量等爆破參數(見表2)，單孔最大裝藥量30.4kg。

表2 Ⅳ級圍巖三臺階法爆破參數

2.2.3 Ⅴ級圍巖三臺階法爆破參數設計

阿金隧道Ⅴ級圍巖段(DK59+610～DK59+695、DK59+695～DK59+701.35、DK59+808.55～DK59+985)爆破施工按照1.2m循環(huán)進尺進行，設計不同類別炮孔的炮孔數量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數量等爆破參數(見表3)，單孔最大裝藥量14.4kg。

表3 Ⅴ級圍巖三臺階法爆破參數

3 安全評價

3.1 爆破影響

根據《水利水電工程施工通用安全技術規(guī)程》(SL 398—2007)[6]，爆破振動安全允許距離按下式計算：

式中R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破時Q為總藥量，延時和毫秒爆破時為最大一段藥量，kg；

V——保護對象所在地質點振動安全允許速度，cm/s，取2.5cm/s；

K、α——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，此處為中硬巖，根據以往工程經驗K值可以取200，α值取1.6。

各類圍巖距離輸水隧洞最近距離爆破振速驗算成果見表4。

表4 爆破振動速度計算值

從表4可以看出不同斷面對輸水隧洞最大爆破振動速度均小于2.5cm/s，爆破振動不會對既有輸水隧道設施的安全產生影響。

3.2 隧道完建期對輸水隧洞正常運行的影響

3.2.1 力學分析法

鐵路隧道建成后，隧道荷載主要為結構自重。阿金隧道交叉穿越位置為Ⅴ類圍巖，新建沈陽至白河鐵路工程隧道襯砌混凝土自重荷載為575kN/m，根據《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014)[7]，軌道結構自重荷載最大為14.3kN/m2，即使按照內軌頂面最大寬度9.4m滿布計算，其荷載最大為134.42kN/m，其余細部結構荷載本次評價按襯砌混凝土自重荷載的0.5倍考慮，則沿隧道軸線方向荷載之和為575+575×0.5+134.42=996.9kN/m。而開挖出的巖石總重量約為141×27=3807kN/m。可見隧道完建期總荷載遠小于隧道開挖出的石方重量，因此隧道完建后相對隧道開挖前，輸水隧洞受到的鐵路工程附加應力荷載為0。同時該段輸水隧洞圍巖分類為Ⅲ類及以上，巖石的成拱效應好，對輸水隧洞襯砌結構不會產生影響，不影響輸水隧洞的正常運行。

3.2.2 規(guī)范法

根據普氏理論，隧洞開挖后如不及時支護，洞頂巖體將不斷塌落而形成一個拱形，稱為塌落拱[8]。當隧洞埋深較大時，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱，作用于支護襯砌結構上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關。

a.根據《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[9]，淺埋和深埋隧道按照荷載等效高度值進行判別：

HP≥(2～2.5)hq

hq=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

在鉆爆法施工條件下，Ⅰ～Ⅲ類圍巖?。?/p>

HP=2hq

Ⅳ～Ⅴ類圍巖?。?/p>

HP=2.5hq

式中HP——淺埋隧道分界深度，m；

hq——荷載等效高度，m；

S——圍巖級別；

ω——跨度影響系數；

B——隧道寬度，m；

i——B每增加1m時的圍巖壓力增加率，以B=5m的圍巖垂直均布壓力為準，當B<5m時，取i=0.2；當5m

計算得

hq=0.45×23-1×[1+0.1×(7.2-5)]=2.196m

HP=28.96>2hq=2×2.196=4.392m

故鐵路隧道開挖后，開挖底高程至輸水隧洞頂高程的距離仍滿足深埋隧洞條件。則有

q=γhq=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

計算表明，鐵路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，輸水隧洞屬于深埋隧洞，隧洞襯砌結構的圍巖壓力只與荷載等效高度hq有關，而荷載等效高度hq未發(fā)生變化，不影響輸水隧洞安全。

b.根據《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)[10]，淺埋和深埋隧道按照荷載等效高度值進行判別：

ha=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

式中ha——荷載等效高度，m；

S——圍巖級別；

ω——跨度影響系數；

B——隧道寬度，m；

i——B每增加1m時的圍巖壓力增加率，當B<5m時，取i=0.2；當B>5m時，取i=0.1。

計算得

ω=1+0.1×(7.2-5)=1.22m

ha=0.45×23-1×1.22=2.196m

h=28.96>2ha=2×2.196=4.392m

故鐵路隧道開挖后，開挖底高程至輸水隧洞頂高程的距離仍滿足深埋隧洞條件。則有

q=γha=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

計算表明，鐵路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，輸水隧洞屬于深埋隧洞，隧洞襯砌結構的圍巖壓力只與荷載等效高度hq有關，而荷載等效高度hq未發(fā)生變化，不影響輸水隧洞安全。

c.根據《水工隧洞設計規(guī)范》(SL 279—2016)[11]，輸水隧洞在交叉位置為鉆爆法施工，圍巖類別為Ⅲ類，輸水隧洞圍巖按照碎裂松散體考慮，作用在襯砌上的圍巖壓力按下式計算：

垂直方向

qv=(0.2～0.3)γRb

水平方向

qh=(0.05～0.1)γRh

式中qv——垂直均不圍巖壓力，kN/m2；

qh——水平均不圍巖壓力，kN/m2；

γR——巖體重度，kN/m3；

b——隧洞開挖寬度，m；

h——隧洞開挖高度，m。

由SL 279—2016可知，深埋隧洞垂直和水平向圍巖壓力，只與隧洞寬度和隧洞高度有關，而鐵路工程隧道修建前后，輸水隧洞屬于深埋隧洞，因此不影響輸水隧洞安全。

根據上述規(guī)范法計算結果，鐵路工程穿越輸水隧洞前后，水平和垂直圍巖壓力未發(fā)生變化。因此鐵路工程隧道穿越大伙房水庫輸水二期工程輸水隧洞，不會對輸水隧洞結構造成影響。

4 結 語

阿金隧道在爆破過程中應嚴格按照爆破設計裝藥，控制單孔裝藥量，控制大伙房輸水二期工程交叉處地質點振動速度小于2.5cm/s。采用力學分析法及規(guī)范法對阿金隧道完建期對大伙房輸水二期工程輸水隧洞正常運行分析，輸水隧洞均屬于深埋隧洞，不受施工影響。