隧道原位擴建對鄰近建筑物影響評估的研究

朱根橋，林 志，朱育才，楊 成

（1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400030；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司 隧道工程所，重慶 400067；3. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

1 前 言

隨著我國經濟建設的迅速發展，公路交通量的增長遠超預期，一些4車道乃至6車道高速公路已經不能滿足交通量增長，而公路隧道一般作為控制性工程，其改擴建的難度更大。目前雙洞雙向4車道改擴建為雙向8車道隧道主要有兩種方式及其交叉方式，即在既有隧道旁新建隧道形成雙向8車道隧道和將既有2車道隧道原位擴建成4車道隧道，形成雙洞雙向8車道大斷面隧道[1－4]。

既有隧道旁新增的隧道與小凈距隧道類似，施工工藝相對簡單，施工經驗也相對成熟，但將既有隧道原位擴建成大斷面隧道在國內外還非常少見，可參考的資料很少。從概念上分析，一般認為原位擴建大斷面隧道其工程難度較大，特別是對圍巖穩定性和周邊建構筑物安全的影響較大。因此，本文結合重慶市機場路渝州隧道的原位擴建工程，采用數值計算和現場監控量測分析，對隧道原位擴建對周邊建構筑物的影響進行分析評估。

2 隧道原位擴建形式

根據擴建隧道與原隧道的位置關系，單洞原位擴建可以歸納為3種形式：單側擴建，即原隧道的一側邊與擴建隧道重合；兩側擴建，即原隧道在擴建隧道的中間，但底邊與原隧道重合；周圍擴建，即原隧道在擴建隧道的內部，邊緣與擴建隧道均不重合。根據胡居義、唐穎對福廈漳高速公路大帽山隧道擴建工程的研究，隧道原位的形式如圖 1所示。

3 工程概況

渝州隧道是重慶市機場路拓寬改造的控制性工程。隧道現狀為雙洞4車道，平面成喇叭型布置，進口段兩隧道結構間巖石凈距約 7.8 m，出口段為15 m。隧道單洞凈寬10 m，凈高6.7 m，圓拱直墻式素混凝土襯砌。隧道左洞全長 350.5 m，隧道右洞全長271.5 m。隧道進口方向左側約38 m有8層磚混居民樓2棟。

本次機場路改造擬建設城市快速路，雙向8車道，設計車速 80 km/h。現利用現狀隧道進行改擴建，保持現狀隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變分別向兩側擴挖，形成雙洞8車道隧道。改造后，隧道凈跨17.081 m，凈高8.482 m，如圖2所示（Sm代表泥巖；Ss代表砂巖；J2S為地層層位，侏歲系中統沙溪組）。

通過對場地的地面地質調繪和綜合分析已有區域地質成果，沿線出露的地層主要有第四系人工素填土、殘坡積層粉質黏土，下伏基巖巖性以砂質泥巖與砂巖為主。擴建隧道采用復合式襯砌結構，二襯采用鋼筋混土，支護襯砌參數見表1。

表1 材料物理力學參數Table1 Material physico-mechanical parameters

為嚴格控制地表沉降，采取短進尺、強支護、弱爆破、勤觀測的原則施工。拆去既有隧道結構時，采用預裂爆破，鉆爆作業多循環、弱爆破、密布眼、少藥量。其次，因隧道中間巖柱厚度小，對其保護、加固極為重要，在施工中采用“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”原則，施工方案如圖 3所示。

圖3 渝州隧道施工步序圖Fig.3 The construction steps map of Yuzhou tunnel

4 模型建立

采用有限元 Midas-GTS軟件。根據原隧道實際情況，特建立模型取邊界條件為129 m×42.5 m×60 m（橫向×縱向×豎向）。考慮到隧道擴挖對房屋建筑的影響，將房屋簡化為8 m×9 m×18 m的彈性梁[6]，隧道圍巖材料特性按均勻彈塑性考慮，采用Drucker-Prager準則[6－7]。根據地勘資料和設計資料，確定本次計算所采用的 IV級圍巖和支護結構的物理力學參數，見表2。

根據建筑物位置，為反映建筑物距離兩隧道中心線不同距離情況下隧道擴挖影響，每次水平平移10 m建立1個模型，共6個模型，如圖4所示。

表2 材料物理力學參數Table2 Material physico-mechanical parameters

圖4 建筑物距離兩隧道中線不同位置的模型網格圖Fig.4 Model grid-map of different distance from centerline of tunnels

5 開挖影響分析

5.1 計算結果分析

為分析地表房屋沉降，選定建筑物的4個角為分析點，標定為左一、左二、右一、右二（進口往出口），并采用這4點的沉降數據作為建筑物沉降分析，如表3和圖5所示。分析可知，（1）地表最大沉降曲線與小凈距隧道類似，即建筑物的存在對地表沉降曲線影響不大，簡單分析時可以不考慮建筑物的存在即假定為Greenfield的情況。由于這種方法只考慮了原場的地面沉降，未考慮房屋結構建筑的變形，因而比較保守，但它可減少不必要的房屋計算[6]。（2）地表沉降槽曲線的影響半徑為40 m左右，即距離擴挖后隧道軸線40 m以外，隧道擴建對地表影響已經很小，可以將其劃為安全區。（3）建筑物為砌體結構，當建筑物離中線10 m和30 m時，建筑物的沉降差（傾斜）最大，沉降差分別達到8.0 mm和10.2 mm。根據《建筑地基基礎設計規范》[8]，作為砌體結構的允許局部傾斜值為 0.002×18 m =36 mm，滿足規范需求，建筑物安全。

表3 建筑物標記各點的沉降最大值Table3 The maximum settlement of gauge points in the building

圖5 建筑物標記各點最大沉降圖Fig.5 The maximum settlement map of gauge points in the building

5.2 監控量測數據分析

渝州隧道地表監測的重點左洞進口左側磚混結構住宅樓，出口機場雷達站4個鐵塔。本次只取天工鄰儒1棟作為主要監測對象，布置監測點如圖6所示，其監測數據如圖7、8所示，反映了隧道擴挖作業對房屋影響的全過程。

圖6 房屋沉降監測點平面布置圖Fig.6 The settlement monitoring point layout of building

圖7 天工鄰儒1棟監測點沉降位移圖Fig.7 The settlement displacement map of the monitoring points

圖8 物管處監測點沉降位移圖Fig.8 The settlement displacement map of the monitoring points

根據以上的工程實測數據可知，隨著日期增加，建筑物沉降都在增大，并最終趨于穩定，沉降最大值達到4.7 mm，沉降差達到3.7 mm，建筑物安全。與數值分析對比分析，建筑物離中線 40 m左右（見圖4），監測數據比較符合實際情況，沒有太大的偏差。

6 爆破影響分析

隧道原位改擴建均會出現小凈距的情況，后開挖隧道的爆破振動對先開挖隧道產生較大影響：近區巖體損傷、中遠區巖體振動等危害，從而對巖體及臨近既有隧道的安全穩定造成威脅。在隧道臨近存在建筑物的情況下，爆破振動還必須考慮對建筑物及居民安全的影響。因此，如何控制擴建隧道的爆破開挖對相鄰隧道的影響，保證既有隧道運營安全是施工的難點，也是國內外爆破與巖石力學界關心的核心問題之一。

6.1 爆破方案

隧道掘進Ⅳ級圍巖較完整，按每循環2.0 m考慮，經計算，輔助眼單孔裝藥量控制在0.78 kg以內。光爆眼的裝藥量取0.12 kg/m，采用2#硝胺乳化炸藥，非電雷管導爆管起爆，圍巖爆破裝藥參數見表 4。實際藥量通過爆破試驗確定，現場根據實際爆破效果及巖層情況可適當調整。

隧道炮孔布置見圖9。上部炮眼數為51個，加上周邊光爆眼35個，共計86個；下部炮眼數為63個，加上周邊光爆眼25個，底板眼10個，共計98個。由于隧道開挖有兩個臨空面，因此上、下部開挖作業均不設掏槽眼，直接采用排炮形式，類似于露天臺階爆破，確定掘進眼間距取0.8～1.2 m，二周眼間距為0.6～0.7 m，眼孔孔深2.0 m，除周邊眼外均采用垂直眼，周邊眼外斜5°。

表4 圍巖爆破裝藥參數表Table4 The rock blasting charge parameter table

圖9 隧道爆破開挖順序及周邊炮眼示意圖Fig.9 The tunnel blasting excavation sequence and the surrounding borehole schematic

根據本工程的特點，爆破網絡設計洞外采用電爆破網絡聯接，孔內采用毫秒微差電雷管，串并聯網絡聯接；洞內采用非電導爆管網絡連接，孔內采用非電毫秒微差雷管。

6.2 爆破地震破壞的主要判斷依據

關于爆破震動安全判據，目前仍然多采用質點振動速度作為衡量爆破震動強度的惟一指標。大量工程實踐和試驗研究表明，選用單一的振動參數來描述爆破震動的特征是很不全面的，因此，在評價爆破震動對建（構）筑物的危害時，除用振動速度作為破壞判據外，還應考慮爆破震動持續時間的累積破壞作用、振動頻率與建（構）筑物固有頻率關系[9－10]。一般建構筑物應滿足以下安全要求。

表5 爆破震動安全判據[11]Table5 Blasting vibration safety criterion

6.3 臨近隧道現場爆破監測分析

爆破震動作用對鄰近隧道的影響主要是爆破震動導致相鄰巖石力學性質的劣化，尤其對有構造帶通過或節理裂隙較發育的巖石影響更大。爆破震動作用會使圍巖原有裂隙張開與擴展，新裂隙的產生，巖體聲波速度的降低，滲透系數的增大，進而可能引起地表建筑物或地下構筑物的破裂、倒塌隧洞冒頂、片幫等災害，危害很大。

隧道開挖是單邊開挖，先對隧道左洞進行交通封閉，開放右洞，為分析隧道左洞的爆破開挖是否對隧道右洞的影響，在隧道左洞開挖爆破時對隧道的右洞進行監測，如圖10所示。同時，對附近的房屋進行監測，通過隧道爆破振動監測，得到爆破的最大振速數據如圖11所示。

圖10 隧道震動監測點布置平面圖Fig.10 Tunnel vibration monitoring point layout of floor plan

圖11 臨近隧道監測的最大振速圖Fig.11 The maximum vibration velocity map of the neighborhood tunnel

由圖11可見，根據監測數據，鄰近隧道最大振速為4.756 cm/s，其振速波形見圖12。根據我國新實行的爆破振動安全允許標準[1]可知，監測到的最大振速為4.756 cm/s，頻率為92.773 Hz，在允許振速范圍之內，臨近隧道在爆破震動下是安全的。

圖12 鄰近隧道最大振速波形圖Fig.12 The maximum vibration voscillogram of the neighborhood tunnel

6.4 臨近房屋現場爆破監測分析

隧道左洞爆破擴挖時，對房屋進行爆破振動監測，對數據整理分析結果如圖13所示。房屋監測到的最大振速為1.66 cm/s，其監測的振速波形圖如圖14所示，根據我國新實行的爆破震動安全允許標準，顯示出在允許振速范圍之類，符合要求。

圖13 房屋監測的最大振速圖Fig.13 Maximum vibration velocity map of the neighborhood building

圖14 鄰近建筑物最大振速波形圖Fig.14 Maximum vibration velocity waveform of the neighborhood building

7 結 論

（1）隧道原位擴建有單側擴建、兩側擴建和周圍擴建3 種形式，從施工力學的角度考慮，單側擴建的形式最優。

（2）渝州隧道地表最大沉降曲線與小凈距隧道類似，地表沉降槽曲線的影響半徑在40 m左右，即擴挖后隧道軸線40 m以外是安全區。

（3）渝州隧道最大地表沉降差距離中線 10 m和30 m，實測臨近建筑物沉降最大值達到4.7 mm，沉降差達到3.7 mm，滿足規范要求，建筑物安全。

（4）臨近隧道和建筑物的振動特征均遠低于規范限制值，說明既有隧道形成的臨空面對于吸收和釋放爆破振動能量的作用很大，消能作用很好，在這一點上與傳統的小凈距隧道有很大差別。

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