既有城市隧道擴建施工方案初步探討

羅祿森

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

1 工程概況

成渝城際客運鐵路專線為國家規劃建設的“滬漢蓉”城際客運專線的重要組成部分，目前正在緊張施工中。線路全長約302 km。引入重慶樞紐的新紅巖隧道全長6 699 m，位于重慶繁華的沙坪壩區，設計行車速度100 km/h。部分線位沿既有梨樹灣～菜園壩線。既有線建于1971年～1975年間，隧道設計均為單線隧道，故沿既有線位的隧道進行單線擴建雙線設計。隧道洞身上部多居民點分布，主要為多層磚房。為了盡量避免隧道施工對上部房屋建筑的影響，新紅巖隧道線位在沿既有線位的基礎上進行了局部繞行。

由于新紅巖隧道穿越于繁華城區，且進出口淺埋段上部居民、商業房屋建筑較多，隧道拱頂地表房屋調查表按埋深統計總表見表1。新紅巖隧道進口淺埋段現場情況如圖1所示。因此，如何在減小隧道施工對地表房屋及居民的影響下確定隧道施工方案成為隧道設計的重點、難點。

表1 隧道拱頂地表房屋調查統計表

圖1 新紅巖隧道進口現場照片

根據新紅巖隧道所處地質條件及周邊環境綜合分析，確定施工方案的影響因素主要有以下兩個方面。

(1)隧道開挖引起淺埋段隧道地表沉降、造成地表房屋開裂；

(2)隧道爆破施工段落爆破振動影響地表建筑、爆破噪聲影響居民生活問題。

本文主要針對隧道施工對環境的兩方面影響，通過FLAC數值模擬，分析不同埋深隧道的施工沉降規律，結合地表建筑爆破振動安全允許值，確定新紅巖隧道施工方案。

2 隧道施工引起的地表沉降規律

地表沉降主要發生在淺埋隧道段，主要原因是由于隧道上方覆土太淺無法形成承載拱，導致隧道上部土體隨隧道洞身開挖下沉。

新紅巖進出口淺埋段為既有單線隧道擴建雙線隧道，除地表有1～2 m黏土層，隧道洞身均位于泥巖夾砂巖弱風化地層。地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。

本次分析地表沉降主要是以隧道進口淺埋段擴挖施工段為研究對象，采用FLAC數值模擬實際施工步序，分析不同埋深條件下擴挖隧道對地表沉降的影響以及沉降槽的分布形式。

2.1 計算工況

由于地表房屋分布較多，且與隧道的相對位置關系復雜，本次分析主要選取各個埋深條件下房屋分布最不利工況進行分析，具體計算工況表詳見表2所示。地表沉降分析典型斷面見圖2。

表2 計算工況

圖2 地表沉降分析典型斷面(10 m埋深)

2.2 計算參數

根據地勘報告及隧道設計參數，本次數值分析計算參數如表3所示。

表3 圍巖及支護力學參數

2.3 計算模型

計算模型為平面模型，兩側距離隧道中心為65 m(約5倍洞徑)，底部邊界離隧道軌面約40 m，隧道頂面覆土按各工況實際埋深選取，上部邊界自由。其中隧道初期支護、二次襯砌均采用實體單元進行模擬，地表房屋均按照均布荷載考慮。

圖3 隧道部分網格細部

圖4 整體計算模型(10 m埋深工況)

2.4 計算結果

2.4.1 隧道施工位移場

分析各種埋深條件下，隧道施工完成后隧道的位移場分布規律，10 m埋深工況隧道施工完成后位移場分布見圖5所示。

圖5 施工完成后位移場分布(10 m埋深)

小結：①從位移與埋深的關系來看，隨著隧道埋深的增加，隧道開挖后初期支護豎向位移減小。②從施工步驟來看，擴挖既有隧道右上臺階的位移增長量約占總沉降量的80%左右，為施工控制關鍵工序。

2.4.2 地表沉降曲線

地表沉降曲線是反映隧道施工對地表建筑影響程度的直接體現。下面根據各種工況下隧道施工地表各監測點最終位移分布，繪出地表沉降槽，各種工況下地表沉降曲線見圖6所示。

圖6 各種埋深工況地表最終沉降曲線

小結：①從地表沉降值與隧道埋深關系來看，地表沉降值隨隧道埋深增加而減小，隧道埋深從5 m增加到20 m，地表沉降值從65 mm減小到21 mm。②從地表沉降槽橫向寬度來看，隨著埋深的增加，橫向影響寬度增加；另外，地表沉降槽橫向寬度還與隧道頂地表房屋分布位置有關。總體而言，隧道地表沉降槽橫向影響寬度在隧道中線左右側15 m左右。③各工況地表沉降主要指標如表4所示。

表4 各工況地表沉降主要指標

3 地表沉降對建筑物及結構的影響控制指標

根據國內外相關規范及文獻，確定地表沉降對建筑物及結構的影響控制指標，參見相關規范及文獻如表5、表6所示。

表5 建筑物的地基變形允許值

表6 建筑物容許最大沉降量

注:括號內數值適用于剛性較大的基礎。

綜合以上分析，結合本線隧道頂建筑多為磚墻結構、房屋質量普遍不高的現狀，本次確定地表最大沉降以35 mm控制，以兩基礎之間間距10 m考慮，橫向10 m內沉降點差異沉降按25 mm控制。

4 爆破對地表建筑及居民的影響

4.1 爆破振動國家安全控制標準

我國爆破安全規程(GB 6722-2003)規定：地面建筑物的爆破振動判據，采用保護對象所在地質點峰值振動速度和主振頻率。安全允許標準如表7。

表7 爆破振動安全允許標準

結合我國爆破安全規程，確定土窯洞、土坯房和毛石房屋爆破振動控制標準為：0.5 cm/s；一般磚房及框架房屋，爆破振動速度控制標準為2.0 cm/s，極限振動速度控制標準為5 cm/s。

4.2 爆破對居民的影響

爆破對居民的影響主要是爆破噪聲以及爆破沖擊波超壓。結合我國爆破安全規程，爆破沖擊波超壓小于0.02×105Pa，爆破噪聲控制在55 dB以下。

5 隧道施工方案及房屋臨時安置原則分析

5.1 隧道施工方案探討

根據地表房屋爆破振動控制標準，按地表建筑物最大振動速度小于2 cm/s控制，埋深15 m以下控制爆破方案需采用逆臺階法，炮孔布置多，且要求單孔起爆，施工進度慢；爆破對地表建筑及居民仍存在影響，施工風險高。而埋深15 m以上段落采用控制爆破施工，施工工期能夠保證，對環境的影響可以控制。

由此，建議埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

5.2 地表房屋臨時安置原則分析

根據施工引起的地表沉降規律，結合地表沉降對建筑物及結構的影響控制指標，可以初步認為：埋深在15 m時，地表沉降最值約31 mm，10 m橫向沉降點沉降差值約為20.46 mm，均在控制值邊界，故可以認為15 m埋深以上隧道地表沉降對地表房屋基本無安全性及使用功能影響。

由此，建議隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用臨時安置。

6 初步結論

(1)由于城市隧道位于房屋密集區，施工方案的選擇需根據不同埋深以及地表建構物情況來確定，綜合考慮施工地表沉降及爆破振動的影響。

(2)根據施工對地表房屋的影響、施工進度、施工風險等綜合考慮，建議埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

(3)根據隧道施工引起的地表沉降對地表房屋的影響，建議隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用臨時安置。

(4)國內不同城市的地質情況及施工環境各異，本文旨在提出城市隧道施工方案設計的要點，對城市隧道工點設計提供參考。

[1] TB 10003-2005鐵路隧道設計規范[S]

[2] GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范[S]

[3] GB 6722-2003爆破安全規程[S]

[4] 鐵道部第二勘查設計院.鐵路工程設計技術手冊-隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1999