新建隧道施工對既有隧道的影響分析及處理措施

謝勇濤，于清浩，丁 祥，盧裕杰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

新建大理至麗江高速公路是國家高速公路網杭州至瑞麗高速公路的聯絡線,線路全長202.274 km,全線按4車道高速公路標準建設,深長村至華營設計車速100 km/h,華營至麗江設計車速80 km/h。

深長村龍翔隧道穿越大理鳳儀鎮浴龍山,為左右分離式隧道,隧道圍巖以中薄層軟質巖(泥巖、泥質粉砂巖、不等厚互層夾薄層砂巖)為主,受區域構造影響巖體節理裂隙很發育,受節理裂隙影響巖層風化面不連續、不規則,隧道最大埋深約150 m。

龍翔隧道左幅K7+271.7和右幅K7+323.42分別交叉上跨廣大鐵路浴龍山隧道交于K201+116.03和K201+065.7處,交角均約為44°,與既有隧道襯砌凈距分別為19.6 m和21.1 m,平面位置關系如圖1所示。

圖1 龍翔隧道與浴龍山隧道的關系

2 經驗法對既有隧道影響分析

2.1 近接施工的分類和影響范圍的劃分

眾所周知,地下近接施工之所以會對既有結構的穩定性和安全性造成影響,主要是因為新建地下工程施工過程會引起鄰近圍巖或土體的應力重分布,進而引起地層變形,而上跨隧道施工是在經過至少一次擾動的圍巖中再次進行洞室開挖,其力學過程要相對復雜,既有結構的變形往往是上跨施工關注的重點,其變形是地層變形的直接結果,而既有隧道的存在同樣也會反作用于地層,使其變形與自由場地層不同。

日本在近接施工中,以既有結構物的鐵路隧道和新建工程的位置關系分為不同類型,并規定了相應的影響范圍,作為設計施工的基準,對指導近接施工有一定的參考價值。近接施工分類見表2。

表1 近接施工的分類

根據近接工程的分類和既有隧道與新建隧道的間隔,把近接度劃分為：無影響范圍,注意范圍和需采取措施的范圍。這里所謂“間隔”,是指既有隧道襯砌外緣到近接工程的最小距離。近接度的判斷采用D(隧道外徑)值。在隧道交叉情況時,近接度的劃分見表2。

表2 近接度的劃分(隧道交叉)

注：D為新建隧道外徑。

另外近接施工的地層振動因與既有隧道的位置關系、使用炸藥、地形和地質條件而有很大的不同,因此,表3的劃分是根據振動源與隧道的距離來劃分近接度的。

表3 近接度的劃分(地層振動)

2.2 浴龍隧道受龍翔隧道施工的影響范圍

根據浴龍山隧道與新建龍翔隧道位置關系(圖2),并結合交叉隧道的近接度劃分,左右幅隧道要注意的影響范圍為18.75～37.5 m,而左右幅隧道與既有隧道的凈距分別為19.6 m和21.1 m,可得出新建隧道左幅K7+237.87～K7+305.53段67.66 m和右幅K7+287.43～K7+359.41段71.98 m上跨施工時,既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受到影響。

圖2 浴龍山隧道影響范圍

3 數值模擬對既有隧道影響分析

為了探尋不同施工步驟土體位移規律,發現施工主要控制點,建立三維有限元模型能較好的模擬隧道開挖,采用MIDAS-GTS軟件建立模型。其中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則,實體單元模擬,初支和二襯采用“板”單元模擬,錨桿采用“嵌入式桁架”單元模擬,隧道小導管超前支護采用塊體單元模擬,計算時采用提高土層參數方法模擬。模型在左右幅隧道外側各往外取45 m,橫向共選取149 m；縱向100 m；高度下限方向為鐵路隧道底面以下30 m,根據以往研究經驗,此范圍能夠滿足研究需要。

模型底部施加完全固定約束,兩側施加豎直滑動約束,表面取為自由邊界。對于新建隧道運營階段,根據鐵路隧道設計規范,車動力荷載為20 kPa。計算參數見表4,模型見圖3。

3.1 施工階段計算結果分析

在新建隧道施工過程中,三維有限元模型模擬的是整體式開挖,先開挖右幅隧道,然后才開挖左幅隧道。因此,在新建隧道上跨浴龍山隧道模型中,分別進行2種工況計算分析。

表4 計算輸入參數

圖3 三維計算模型

工況1：右幅隧道開挖后對既有隧道的影響；

工況2：左幅隧道開挖后對既有隧道的影響；

計算過程中分別得到了新建隧道開挖后,既有隧道的豎向位移、大小主應力分布圖。既有浴龍山隧道分別與新建隧道交叉處拱頂、左右拱腰、左右拱腳以及左右墻腳的襯砌結構各特征點處受力如表5和表6所示。

表5 右幅隧道襯砌結構受力

表6 左幅隧道襯砌結構受力

浴龍山隧道結構二次襯砌設計為C13混凝土,其極限抗壓強度為10.5 MPa；極限抗拉強度為1.3 MPa,所要滿足的強度安全系數見表7。

表7 混凝土強度安全系數

根據計算結果,新建隧道開挖引起既有鐵路隧道K201+045～K201+136段拱頂襯砌向上抬起,最大位移量約為7.5 mm；需對內凈空位移及拱圈沉降進行監測。從新建隧道正下方往外,既有隧道的上抬位移逐漸減小,在20 m外的區域既有隧道受新建隧道的影響就已經變得較弱了；洞周應力1.3～1.5 MPa,塑性應變基本上位于新建隧道周圍,沒有擴展,并未使既有鐵路隧道洞周出現明顯的塑性區；改變了既有鐵路隧道K201+015.4～K201+159.6段襯砌結構承載能力,主要是襯砌的拱頂和墻腳出現拉應力,形成抗裂破壞,部分位置截面強度安全系數不滿足《鐵路隧道設計規范》要求,影響既有隧道襯砌的安全,需要對洞身圍巖進行加固處理。

3.2 爆破模擬結果分析

(1)爆破分析有限元模型

本部分采用三維有限元模型,在爆破荷載的作用下進行瞬態動力分析,以確定新建隧道爆破作用對既有鐵路隧道的影響。其中,數值模型的幾何尺寸、網格劃分以及圍巖、襯砌力學參數等均與前述施工過程分析相同。

在本數值模型中,采用1972年Lysmer和Wass所提議的粘性邊界(viscous Boundary)理論,利用MIDAS-GTS中的曲面彈簧功能來建立邊界條件；對于一般的爆破彈性分析,可以認為爆破荷載加載區在掌子面以及一個開挖循環周圍,且以壓力的形式均布作用在孔壁上,方向垂直于隧道截面；把爆破荷載簡化為具有線性上升段和下降段的三角形荷載等。根據MIDAS-GTS所提供的爆破荷載模式,本模型采用美國National Highway Institute里提及的爆破荷載公式以及Statfield里提及的有關時程動壓力計算公式來確定爆破荷載,由此可得其加載曲線如圖4所示。

圖4 爆破荷載時程數據

(2)爆破振動容許值

根據《隧道施工要點集》一文中,對襯砌應力增加和振動速度容許值要求分別見表8～表9。

表8 襯砌應力增加的容許值標準 MPa

表9 振動速度容許值 cm/s

(3)爆破計算結果分析

振速分析：垂直振速峰值位于既有隧道拱頂區域,由拱頂往下逐漸衰減,水平振速從拱頂往下則出現先增大后減小的趨勢；但是垂直振速峰值在既有隧道截面均大于水平振速峰值,即爆破對既有隧道的影響主要集中于拱頂部位,拱部最大振速超過11 cm/s,對于既有隧道的健全度為B,振動速度超過表9中要求容許值4 cm/s。

應力分析：左右拱墻及以下部位受到了沿著x和y方向的較大拉應力,有可能產生拉伸破壞。若拉伸應力超過混凝土的抗拉強度時,在既有隧道的橫向和軸向會產生拉伸裂紋,局部部位既有隧道襯砌拉應力超過表8中容許值1 MPa。

4 工程難點處理措施

4.1 施工方法、支護類型及鉆爆控制

在施工方法上采用雙側壁導洞法開挖,最大限度減小對既有隧道的影響；如地質情況允許,應采用人工和機械混合開挖的方式以避免爆破振動對既有隧道的影響。

初期支護的剛度越大,抵抗變形的能力越強,而雙側壁導坑法施作兩側弧形導坑的鋼架時,很難將其控制在同一平面內,支護承載能力大大降低。因此,龍翔隧道上跨段采用雙層初支加強,第一層：間距0.5 m的I25a鋼架,噴35 cm厚C25混凝土；第二層間距1.0 m的格柵,噴25 cm厚C25混凝土。

如地質情況決定必須采用鉆爆施工,施工中應對爆破振動速度進行嚴格控制,新建隧道爆破時,既有隧道的振動速度應控制在4 cm/s以內。為了達到減振的目的，應將一次爆破的所有藥孔分成較多段按順序起爆；段數越多,單段爆破最大藥量就越少。這種分段微差爆破方式能有效降低最大振動速度。同時為避免微差爆破延時不夠或延時誤差造成應力波疊加,使振動加強,在選擇雷管段數時,應加大相鄰段別的段位差。如果分段微差爆破方式的減振效果仍無法滿足要求,可以進一步采用縮短爆破進尺,縮短炮孔長度,降低單孔裝藥量等方式最大限度地降低爆破振動對既有隧道的影響。

4.2 監控量測

新建龍翔隧道上跨既有隧道施工時,對廣大線浴龍山隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m進行以下項目監控量測：凈空位移收斂量測；拱圈豎向位移量測；已有原始裂紋發展情況量測；隧道襯砌開裂監測；對爆破時的振動速度進行監測,進行動態設計,及時利用監控量測結果指導設計和施工。

龍翔隧道施工過程中如出現既有隧道豎向位移值突然增大,位移速度加速等情況,量測頻率應增加。進行既有隧道洞內狀況觀察時應在新建隧道每次爆破后都要觀察,一般應每天觀察1次；量測元件的安設及初讀的時間應在爆破后24 h內,并在下一次爆破之前完成。水平凈空變化量測和拱頂豎向位移量測應設在同一斷面,并可采用斷面儀進行量測。

4.3 浴龍山隧道加固和病害處理方案

由于浴龍山隧道襯砌現狀較差,1998年竣工,工程施工質量水平不高。隧道采用先拱后墻法整體式襯砌,襯砌采用C13素混凝土,其極限抗壓和抗拉強度較低；隧道拱墻交接處縱向施工縫有滲漏水病害,且局部漏水嚴重；隧道局部位置存在襯砌開裂病害；既有隧道拱墻背超挖較大,回填不密實的情況下可能存在空洞。因此對既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受新建龍翔隧道左右幅開挖的影響段落應進行加固和病害處理。

(1)襯砌裂縫處理

襯砌開裂采用錨固加強方案,即通過錨桿的作用將隧道襯砌和周邊圍巖緊密地聯系在一起,形成一個共同受力的整體,抑制襯砌裂紋的進一步發展。隧道縱向、斜向裂縫按裂縫寬度分類采取不同的整治措施。

①裂縫縫寬<5 mm時,采用灌漿+錨桿處理,對裂縫灌注AB灌漿樹脂,騎裂縫兩側布設φ32 mm自進式中空注漿錨桿,錨桿間距1.5 m。

②裂縫縫寬>5 mm時,采用鑿槽嵌補+灌漿+錨桿處理,用AB樹脂砂漿嵌補且預留注漿孔,待AB樹脂砂漿固化后給裂縫壓注AB灌漿樹脂,裂縫兩側設φ32 mm自進式中空注漿錨桿,錨桿間距1.0 m。

③錨桿長度依據圍巖情況采用3～4 m。AB灌漿樹脂采用自動壓力灌漿技術進行施工。

(2)拱腳處理

對于K201+015.4～K201+159.6段隧道內拱腳縱向因空隙而造成滲漏水地段,首先應對有滲水地段的拱腳兩側用高壓水沖洗(在無水源條件時,亦可用鋼絲刷或濕布清除)干凈,而后用超細水泥漿(水灰比0.5∶1)進行表面抹縫處理,并打孔預埋注漿管(孔距0.8～1.2 m,孔深50 cm,φ6～8 mm),待表面水泥注漿達到一定強度后,對拱腳壓注超細水泥漿(水灰比1.5∶1,用每隔3孔注漿的方式逐孔注漿,以確保漿液均勻擴散),注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

(3)滲漏水處理

隧道滲漏水整治采取“拱部以堵、邊墻以排為主,防、堵、截、排相結合”的原則。

對于K201+015.4～K201+159.6段滲漏水嚴重地段,對表面沖洗干凈后,采用表面壓抹超細水泥漿(水灰比0.5∶1),同時對拱部采用φ42 mm鋼花管壓注超細水泥漿(水灰比1.5∶1,注漿固結范圍為隧道結構外2 m,孔距1 m×1 m梅花形),注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。邊墻一般地段鑿槽(10 cm×8 cm)預埋φ7 cm半圓形PVC管將水引排到側溝內(對于滲漏水的集中段,采取每5 m開槽設暗溝排水),無側溝段將水引至鋪底處的橫向排水管內導入側溝,而后采用GTL快速堵漏劑封堵,排水槽表面用超細水泥漿(水灰比0.5∶1)進行表面壓抹處理。

(4)拱墻背后空洞處理

采用φ42 mm注漿管對襯砌背后空洞壓注充填M10水泥砂漿,并固結空洞內充填物,注漿壓力0.3～0.4 MPa。為防止壓力過大破壞襯砌結構,在壓漿時不能一次注滿,分幾次壓漿,使二襯與圍巖成一個整體受力,改善襯砌受力模式,確保安全。

(5)結構補強處理

①對隧道K201+068.68～K201+111.51段42.83 m拱墻全環鑿槽嵌入I16型鋼鋼架,每榀鋼架間距1.0 m,鋼架采用φ42 mm鎖腳錨管固定,并采用C25噴混凝土封槽,表面用超細水泥漿(水灰比0.5∶1)進行表面壓抹處理。

②對隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2m拱墻全環增設φ32 mm自進式中空注漿錨桿進行加固,錨桿長3.5 m,間距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,錨桿注漿材料采用超細水泥漿(水灰比1.5∶1,采用每隔3孔注漿的方式逐孔注漿,以確保漿液均勻擴散),注漿壓力0.3～0.4 MPa。

③K201+068.68～K201+111.51段注漿錨桿與鋼架聯接,其余地段在注漿錨桿布設部位應預先對襯砌表面鑿除20 cm×20 cm寬,8 cm深的空洞。待注漿完畢后放入錨桿墊板及螺母后,用C25干硬性混凝土封口并壓抹平順。

5 結論

(1)在地質勘察詳盡、準確，設計合理，施工措施得當，監控和量測及時、充分的前提下,龍翔隧道近距離上跨既有隧道的工程安全性是可以得到保證的。

(2)在近距離上跨既有隧道的情況下,新建隧道應盡量采用每步驟開挖量小的施工方法；在地質條件允許的條件下,盡量采用人工和機械混合開挖的方式,以避免爆破振動對既有隧道的影響；必須鉆爆施工時,應對爆破振動速度進行嚴格控制,采用分段微差爆破等方法最大限度地降低爆破振動對既有隧道的影響。

(3)為了徹底消除工程隱患,為動態設計提供依據,新建隧道施工過程中應對既有隧道進行周密的監控量測，及時利用監控量測結果指導設計和施工。

(4)新建隧道近距離上跨既有隧道的情況下,應根據工程實際對既有隧道做出加固設計。設計內容可包括新建隧道開挖前對既有隧道的預加固；新建隧道開挖過程中對既有隧道產生影響后的加固補強；新建隧道開挖過程中出現嚴重危及既有隧道結構安全情況時的應急搶險加固預案。

本文所得到的相關結論是在工程設計的基礎上利用工程類比和數值模擬的方法總結分析后得出的。隧道工程與詳細現場施工工況和巖層實際工程性質息息相關,影響因素紛繁復雜,本文相關結論還有待進一步在工程實踐中進行檢驗。

[1] 陳丹錫.隧道近距離穿越危房的微擾動控制技術研究[D].上海：同濟大學,2008.

[2] 大緣將夫，藤田進.隧道穿越地層及房屋建筑的動態[J].隧道譯叢,1991(1):25-35.

[3] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]174號 鐵路運營隧道襯砌安全等級評定[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB/T2820.2—1997 鐵路橋隧構筑物劣化評定標準·隧道[S].北京：中國鐵道出版社，1997.

[6] 羅衍儉,繆 侖.既有隧道上方修建輕軌車站的力學分析[J].城市軌道交通研究,2004(1)：44-47．

[7] 彭道富,李忠獻.楊年華.近距離爆破對既有隧道的振動影響[J].中國鐵道科學,2005(4)：73-76．

[8] 吳浩藝,劉 慧.史雅語,等.臨近側向爆破作用下既有隧道減震問題分析[J].爆破,2002(4)：74-78．