蔡振宇,黃 旭
(中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南 洛陽 471009)
重慶軌道交通6號(hào)線大龍山站—花卉園站區(qū)間中厚水平層狀巖小凈距重疊隧道爆破開挖時(shí)序探討
蔡振宇,黃 旭
(中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南 洛陽 471009)
為減少小凈距重疊隧道爆破開挖對(duì)結(jié)構(gòu)及中夾巖的不利影響,以重慶軌道交通6號(hào)線大龍山站—花卉園站區(qū)間重疊隧道(長約500 m)爆破開挖為依托,首先結(jié)合工程實(shí)際情況及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn),說明重疊段總體施工方案優(yōu)選為“先上洞后下洞”的開挖方法,但需根據(jù)凈距大小采用不同的施工措施;然后通過理論計(jì)算論證了上下間距較小時(shí)爆破開挖不能保證結(jié)構(gòu)安全,需要采用減震爆破及非爆破的開挖技術(shù),才能保證中厚層狀巖最小凈距重疊隧道“先上洞后下洞”開挖方法的實(shí)現(xiàn)。實(shí)施效果證明:對(duì)于中夾巖厚度小于3.5 m的最小凈距地段(長約25 m),可先行開挖上洞上臺(tái)階,預(yù)留下臺(tái)階,并待后行下洞減震爆破通過后,再采用非爆破開挖預(yù)留的上洞下臺(tái)階,以完全消除爆破開挖對(duì)最小凈距中夾巖的影響,確保了最小凈距段結(jié)構(gòu)及施工安全。
重疊隧道;層狀巖;小凈距;減震爆破;非爆破開挖;中夾巖
既有的工程實(shí)踐及研究成果證明,隧道層狀巖的破壞機(jī)理、模式及其穩(wěn)定性均與其他結(jié)構(gòu)類型圍巖有著顯著區(qū)別,主要體現(xiàn)在層狀巖在地震動(dòng)的作用下易沿層理面掉塊、擴(kuò)展性松動(dòng)及坍塌,從而在拱部形成平層[1]。而對(duì)于小凈距隧道而言,中夾巖柱厚度較薄,因爆破開挖的多次擾動(dòng)而成為受力薄弱環(huán)節(jié),圍巖的穩(wěn)定性差,因此,施工中對(duì)中夾巖柱體的保護(hù)將非常重要[2]。小凈距隧道施工的重難點(diǎn)是如何合理選取開挖順序、控制爆破震動(dòng),確保隧道開挖過程圍巖的穩(wěn)定[3]。目前,國內(nèi)上下重疊小凈距隧道愈來愈多,相對(duì)于水平小凈距隧道,上下重疊小凈距隧道更需要確定合理的開挖順序及減震爆破,因?yàn)楹笮兴淼捞幱谙刃兴淼赖臄_動(dòng)區(qū)內(nèi),對(duì)先行隧道有卸載作用,保留圍巖會(huì)產(chǎn)生更大變形[4]。故重疊隧道施工過程中,采用何種開挖時(shí)序,即先開挖上行洞后開挖下行洞,或先開挖下行洞后開挖上行洞的施工時(shí)序至關(guān)重要。通過對(duì)地表沉降、結(jié)構(gòu)及圍巖變形等進(jìn)行綜合分析得出:先下行洞后上行洞的施工時(shí)序更可控、可靠[5]。
前人對(duì)水平層狀巖隧道、小凈距隧道及上下重疊隧道施工技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究,均認(rèn)為必須選擇合適的開挖時(shí)序,以減輕后行隧道對(duì)先行隧道的影響。付仁鵬[6]介紹了北京地區(qū)盾構(gòu)長距離連續(xù)下穿古舊平瓦房施工時(shí),采取“先下后上、前后錯(cuò)開、支撐加固”的施工原則,通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制、夾層土注漿加固和下線洞內(nèi)臨時(shí)支撐臺(tái)車進(jìn)行下線隧道加固等關(guān)鍵措施,成功地完成了盾構(gòu)長距離下穿大面積古舊平瓦房的施工。廣州地鐵某區(qū)間重疊隧道暗挖施工亦是采用“先下洞后上洞”的施工時(shí)序,超前加固、下洞支撐加固、回填注漿加固等方法保證了施工及隧道結(jié)構(gòu)的安全[7]。同樣,深圳地鐵羅湖—國貿(mào)區(qū)間重疊隧道施工亦采用的是“先下洞后上洞”的施工工序[8]。而上述工程或國內(nèi)絕大多數(shù)重疊隧道施工均采用“先下洞后上洞”的施工方案,采用的施工措施與本文也不盡相同。只有李少利等[9]在重慶軌道交通6號(hào)線近光電園站大跨區(qū)間重疊隧道施工中,通過研究提出了先上洞上臺(tái)階開挖后下洞開挖初期支護(hù)及二次襯砌后,再開挖上洞預(yù)留下臺(tái)階,然后上洞二次襯砌的方法進(jìn)行重疊小凈距段施工,保證了隧道結(jié)構(gòu)及施工安全。其時(shí)序開挖方法與本文相同,并在同一地區(qū)。實(shí)際上,該工程施工后,由于預(yù)留上洞下臺(tái)階爆破開挖,其震動(dòng)可能會(huì)對(duì)相距較近(1.3 m)的下洞二次襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,故應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)措施,確保已建結(jié)構(gòu)的安全。
在文獻(xiàn)[9]工程成功進(jìn)行“先上洞后下洞”施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上(與本工程同屬一家施工單位),本文重點(diǎn)介紹了重疊段后行下洞爆破對(duì)中夾巖的震動(dòng)影響及最小凈距段上洞預(yù)留下臺(tái)階非爆破開挖技術(shù),以期為類似工程施工提供參考和借鑒。
重慶軌道交通6號(hào)線大龍山車站—花卉園車站區(qū)間重疊隧道位于龍山大道下方,其中,右線在上,長509.961 m;左線在下,長513.93 m。均采用鉆爆法先期施工,為后期TBM步進(jìn)至大龍山車站提供了通道。重疊隧道上洞最小埋深16 m,下洞最大埋深42.5 m,開挖斷面尺寸為(6.975~9.567)m×(7.08~9.5)m(高×寬),上、下洞之間中夾巖厚度0~9.80 m,大多數(shù)里程中夾巖厚度都在1 m以上,而且重疊隧道中夾巖厚度在1 m以下的里程較短。采用復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)為噴、錨、網(wǎng)支護(hù),二次襯砌為C40鋼筋混凝土。重疊斷面型式如圖1所示。

圖1 大龍山車站—花卉園車站區(qū)間重疊隧道斷面型式圖
重疊段隧道地質(zhì)巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主。其中,砂巖呈中-厚層狀構(gòu)造,巖性較硬,巖體較完整,屬Ⅲ級(jí)圍巖;砂質(zhì)泥巖呈中-厚層狀構(gòu)造,巖性較軟,巖體較完整,屬IV級(jí)圍巖。地下水不發(fā)育,無其他不良地質(zhì)條件。
重慶軌道交通6號(hào)線大龍山車站小里程端區(qū)間重疊隧道設(shè)計(jì)開挖時(shí)序?yàn)椤跋认露春笊隙础保匆诖簖堒囌净拥降撞拍荛_始掘進(jìn)相鄰的重疊段區(qū)間下方隧道,下方隧道二次襯砌完成后再掘進(jìn)上方隧道,然后二次襯砌,待其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求后TBM再通過。若如此,則整個(gè)重疊段鉆爆開挖施工工期較長,嚴(yán)重影響TBM步進(jìn)通過及后期正常掘進(jìn),使總體工期壓力增大。另外,對(duì)工程本身而言,由于位于重慶主城區(qū)內(nèi),22:00后及節(jié)假日不允許爆破作業(yè),對(duì)隧道開挖影響較大,需盡可能提前進(jìn)行鉆爆施工才能保證施工工期。故本工程重疊隧道需要采取“先上洞后下洞”的開挖時(shí)序,以確保施工工期。
國內(nèi)外對(duì)重疊隧道開挖時(shí)序研究很多,但大多數(shù)學(xué)者均主張先開挖下方隧道,后開挖上方隧道,即“先下洞后上洞”的方案。呂奇峰等[10]對(duì)重疊隧道進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬后,提出將施工順序分為“先上后下”和“先下后上”,并將二者進(jìn)行對(duì)比分析,通過研究2種施工順序的塑性區(qū)分布以及襯砌內(nèi)力的影響率,最終得出先下后上的施工順序較為合理。
重疊隧道“先上洞后下洞”開挖的施工風(fēng)險(xiǎn)主要有2點(diǎn)。首先,在上洞已開挖的情況下,下洞拱部爆破時(shí)中夾巖會(huì)失穩(wěn)甚至破壞;其次,下洞開挖時(shí)上洞會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,結(jié)構(gòu)有可能開裂。盡管可采用減震爆破技術(shù)進(jìn)行施工,降低施工風(fēng)險(xiǎn),但在2個(gè)隧洞相距較近的情況下,仍需要采用非爆破法進(jìn)行開挖,以確保下洞開挖時(shí)上洞結(jié)構(gòu)及中夾巖的安全與穩(wěn)定,即重疊隧道最小間距的確定是決定后行洞采用何種開挖方法的關(guān)鍵。
JTGD 70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)小凈距隧道中夾巖厚度進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定,但隨著減震爆破技術(shù)的進(jìn)步,許多技術(shù)人員及學(xué)者認(rèn)為規(guī)范中規(guī)定的最小凈距仍有壓縮空間,并通過研究得到了一些結(jié)論:V級(jí)圍巖的最小合理凈距為0.75B,Ⅳ級(jí)圍巖的最小合理凈距為0.5B,Ⅲ級(jí)圍巖的最小合理凈距為0.25B。規(guī)范最小限制與最小合理凈距如表1所示。

表1 規(guī)范最小限制與最小合理凈距的對(duì)照表[2]Table 1 Minimum clearance between stacked tunnels
注:B為隧道開挖斷面寬度。
本工程主要為中厚層狀的砂巖及砂質(zhì)泥巖,屬Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖,對(duì)照表1,取Ⅳ級(jí)圍巖的最小合理間距0.5B為重疊段最小中夾巖厚度,即當(dāng)中夾巖厚度大于3.5 m時(shí),后行開挖的下洞可采用減震爆破進(jìn)行施工;當(dāng)厚度小于或等于3.5 m時(shí),則采用非爆破技術(shù)開挖后行下洞,至少下洞的上半斷面應(yīng)采用非爆破開挖。或者認(rèn)為重疊隧道中夾巖厚度在3.5 m以上時(shí),采用減震爆破技術(shù)可降低“先上洞后下洞”開挖所帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)統(tǒng)計(jì),重疊段中夾巖厚度在3.5 m以下的里程約占本段總長的46%,即長約25 m,位于重疊段小里程端,與大龍站相接。此里程段上洞最早開挖,為了保證后行開挖下洞爆破時(shí)中夾巖厚度在3.5 m以上,先行上洞開挖時(shí)只開挖上半斷面,預(yù)留下半斷面。后行下洞減震爆破開挖通過此里程段后,再采用非爆破法開挖預(yù)留的上洞下半斷面。對(duì)于其他中夾巖厚度大于3.5 m的里程段,則上洞先行采用全斷面法掘進(jìn),后行下洞采用減震爆破臺(tái)階法施工。重疊段隧道施工時(shí)序如圖2所示。
為了研究重疊隧道爆破對(duì)中厚水平層狀中夾巖的穩(wěn)定性影響,本工程委托西南交通大學(xué)對(duì)“先上洞后下洞”及“先下洞后上洞”2種開挖時(shí)序中夾巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算[11]。模擬計(jì)算時(shí)選取的中夾巖厚度假定為1.5 m,其中先行洞采用全斷面法開挖,后行洞采用臺(tái)階法開挖。

施工步序如下:①—②—③—④。對(duì)于重疊段首先開挖及初期支護(hù)上洞上半斷面①,預(yù)留上洞下臺(tái)階④,至一定距離后放坡開挖下臺(tái)階至全斷面,形成全斷面開挖上洞。待相鄰基坑到底后臺(tái)階法減震動(dòng)爆破開挖下洞②,下洞洞通或開挖至一定距離后二次襯砌下洞重疊段③,重疊段二次襯砌完成后即可非爆破開挖上洞預(yù)留的上臺(tái)階④。最后在對(duì)下洞二次襯砌臨時(shí)加固支護(hù)的情況下進(jìn)行上洞二次襯砌,二次襯砌至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后完成TBM步進(jìn)過站。
圖2重疊段隧道施工時(shí)序示意圖
Fig.2 Construction procedure of stacked tunnels
通過研究得出:
1)中夾巖塊脫落。“先上洞后下洞”時(shí)序開挖時(shí),上洞拱肩附近巖塊易脫落成平拱,平拱跨度0.85D~0.88D,厚度2d;中夾巖(下洞拱頂)在下洞爆破荷載作用下向上揚(yáng)起,產(chǎn)生折斷塌落破壞。“先下洞后上洞”時(shí)序開挖時(shí),上洞亦是拱肩附近巖塊脫落成平拱,平拱跨度及厚度同“先上洞后下洞”;中夾巖(下洞拱頂)脫落跨度及深度基本與上洞相同,但中夾巖有所保留,同時(shí)拱腰也出現(xiàn)了少量巖塊脫落。2種開挖工序下的中夾巖塊脫落情況如圖3和圖4所示(圖中D為隧道開挖寬度;d為巖層層厚)。
2)巖層面開裂。“先上洞后下洞”時(shí)序開挖時(shí),爆破荷載作用下中夾巖已基本被破壞;而“先下洞后上洞”時(shí)序開挖時(shí),中夾巖有所保留。2種開挖時(shí)序巖層面開裂情況如圖5和圖6所示。
總之,本工程通過委托西南交通大學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬得出結(jié)論:中厚水平層狀巖重疊隧道施工的關(guān)鍵部位為中夾巖。當(dāng)中隔巖墻厚度在1.5 m左右時(shí),無論是“先上洞后下洞”還是“先下洞后上洞”時(shí)序開挖,都不能保證中隔巖墻的穩(wěn)定。故“先上洞后下洞”開挖時(shí),后行隧道應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格的減震爆破技術(shù)并結(jié)合非爆破開挖技術(shù),將開挖爆破對(duì)中夾巖的破壞減小到最低程度。

圖3 先上后下雙洞巖塊脫落情況Fig.3 Rock falling when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

圖4 先下后上雙洞巖塊脫落情況Fig.4 Rock falling when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel

圖5 先上后下巖層面開裂情況Fig.5 Cracking of stratification interface of ground when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

圖6 先下后上巖層面開裂情況Fig.6 Cracking of stratification interface of ground when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel
4.1 鉆爆設(shè)計(jì)
通過模擬計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)際,確定重疊段隧道總體施工方案是“先上洞后下洞”時(shí)序開挖。但在中夾巖厚度小于3.5 m地段,采用先開挖上洞上臺(tái)階,預(yù)留上洞下臺(tái)階,然后開挖下洞后再開挖上洞下臺(tái)階,即“先上洞上臺(tái)階、后下洞、再上洞下臺(tái)階”時(shí)序開挖。
由于先行上洞爆破開挖時(shí)下洞并未施工,其周圍亦無重要的建(構(gòu))筑物,為了提高工作效率及施工進(jìn)度,采用常規(guī)的臺(tái)階法(中夾巖厚度小于3.5 m地段)或全斷面法爆破開挖;后行下洞施工則全部采用臺(tái)階法施工,進(jìn)行嚴(yán)格的減震爆破開挖。下洞臺(tái)階法減震爆破炮孔布置如圖7所示,減震爆破參數(shù)如表2所示。

圖7 重疊隧道下洞臺(tái)階法減震爆破炮孔布置圖(單位:mm)Fig.7 Layout of blast holes of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method (mm)

表2 下洞臺(tái)階法減震爆破參數(shù)表Table 2 Parameters of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method
4.2 減震爆破施工技術(shù)措施
下洞全里程均采用減震爆破開挖,其減震措施如下:
1)拱部周邊孔。在爆破區(qū)域拱頂周邊開挖輪廓線上,間隔布置裝藥孔及減震孔,裝藥孔的間距為50 cm,裝藥孔與減震孔的間距為25 cm。
2)減震孔。在掏槽區(qū)設(shè)φ108 mm減震孔,拱頂周邊減震孔采用φ42 mm中空減震孔,間距55 cm,與裝藥孔間隔布置。隧道仰拱開挖輪廓上布置φ108 mm中空減震孔,間距40 cm。
3)循環(huán)進(jìn)尺及炮眼深度。隧道掘進(jìn)每循環(huán)進(jìn)尺1.0 m。因此,掏槽眼深1.2 m,輔助眼、擴(kuò)槽眼、周邊眼及底板眼孔深均為1.0 m,減震孔比裝藥孔深20~30 cm,為節(jié)約施工循環(huán)時(shí)間,φ108 mm中空孔集中施作,一次鉆孔深度為30 m左右;φ42 mm周邊減震孔每循環(huán)施作。
4)裝藥量。裝藥量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值,然后根據(jù)薩氏公式進(jìn)行驗(yàn)算。爆破震動(dòng)最大時(shí)刻均出現(xiàn)在掏槽區(qū)爆破,故首先應(yīng)控制掏槽眼、輔助眼、擴(kuò)槽眼最大單段藥量,最大單段藥量按薩氏公式Qmax=R3(V/K)3/α進(jìn)行計(jì)算。周邊眼及底板眼由于布置了減震孔,裝藥量按公式計(jì)算后再按70%~80%折減。
5)爆破震動(dòng)監(jiān)測。每炮應(yīng)進(jìn)行爆破震動(dòng)監(jiān)測。爆破震動(dòng)速度以GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》的要求進(jìn)行控制。爆破后,應(yīng)根據(jù)實(shí)測震速調(diào)整爆破參數(shù)。
前25 m先行上洞上臺(tái)階采用常規(guī)爆破施工,預(yù)留的下臺(tái)階待后行下洞(減震爆破施工)通過后采用機(jī)械切割進(jìn)行開挖。切割機(jī)選用22 kW以上的大功率巖石切割機(jī),在隧道寬度范圍內(nèi),按50~80 cm的間距切割,切割厚度30~50 cm,人工撬出后,用小型農(nóng)用車運(yùn)出。下臺(tái)階機(jī)械切割施工如圖8所示,切割后的下臺(tái)階如圖9所示。

圖8 下臺(tái)階機(jī)械切割圖

圖9 下臺(tái)階機(jī)械切割成型圖
采取減震措施后,后行下洞減震爆破施工時(shí),在先行開挖出的上洞進(jìn)行了爆破震動(dòng)監(jiān)測,得知爆破在正上方的先行上洞中夾巖(厚度大于3.5 m)處產(chǎn)生的最大爆破震速在9.63~12.85 cm/s,與測得的先行上洞邊墻及拱頂處的最大爆破震速(分別為10.66 cm/s及8.37 cm/s)相差不大,上洞初期支護(hù)或圍巖無明顯的新裂紋產(chǎn)生或剝落,中夾巖基本完好。現(xiàn)本工程早已完工,不僅成功地完成了大龍山站小里程端上下重疊隧道的施工,保證了其結(jié)構(gòu)安全及中夾巖的穩(wěn)定,而且確保了TBM按期順利地通過并步進(jìn)過站,節(jié)省了大量的費(fèi)用和工期,降低了施工風(fēng)險(xiǎn),施工過程中沒有發(fā)生一起工程事故,得到了專家和業(yè)主的高度評(píng)價(jià),創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。
1)盡管國內(nèi)許多學(xué)者認(rèn)為小凈距重疊隧道施工時(shí)序一般應(yīng)為“先下洞后上洞”,但本工程實(shí)踐證明:只要采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧丿B隧道“先上洞后下洞”的施工時(shí)序是可以消除不利影響,能夠保證重疊隧道結(jié)構(gòu)及施工安全的。
2)分析計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)中夾巖厚度較小時(shí),無論是“先上洞后下洞”,還是“先下洞后上洞”的時(shí)序開挖,都不能保證中夾巖的安全與穩(wěn)定。后行隧道應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施減震爆破技術(shù)或非爆破開挖技術(shù),將開挖爆破對(duì)中夾巖的破壞減小到最低程度。
3)將上下重疊隧道中夾巖厚度控制在3.5 m以上,然后采用減震爆破控制后行下洞爆破震動(dòng),將其對(duì)上洞已支護(hù)結(jié)構(gòu)及中夾巖的影響控制在最低程度是本工程成功的關(guān)鍵所在。
4)采用切割機(jī)械切割圍巖進(jìn)行后行洞預(yù)留下臺(tái)階非爆破開挖是本工程成功的有力保障。
通過在中厚水平層狀巖中進(jìn)行小凈距重疊隧道減震爆破施工,確定合理且安全的上下重疊隧道的施工方案,加快了總體施工進(jìn)度,滿足了相應(yīng)節(jié)點(diǎn)工期要求,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但限于類似本工程實(shí)例的數(shù)量限制,針對(duì)不同地區(qū)不同地質(zhì)情況下進(jìn)行同類試驗(yàn)的效果對(duì)比需進(jìn)一步深化。
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DiscussiononBlastingExcavationSequenceofClosely-spacedStackedTunnelsinMedium-thickLayeredRocksCaseStudyonDalongshan-HuahuiyuanRunningTunnelonLine6ofChongqingMetro
CAI Zhenyu,HUANG Xu
(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)
Dalongshan-Huahuiyuan running tunnel on Line 6 of Chongqing Metro has a 500 m-long closely-spaced stacked tunnel section,which is located in medium-thick layered rocks.The blasting excavation of the stacked tunnel may have adverse impact on the tunnel structure,as well as on the rocks between the twin tunnel tubes.It is proposed that the upper tunnel tube should be excavated before the lower tunnel tube and that countermeasures should be taken according to the thickness of the rocks between the twin tunnel tubes.Theoretical calculations made shows that,for the twin tunnel tube section with thin rocks between the tunnel tubes,vibration-reducing blasting technology and non-blasting excavation technology should be adopted so as to ensure the safety of the tunnel structure.For the 25 m-long twin tunnel tube section with less than 3.5 m-thick rock between the tunnel tubes,the top heading of the upper tunnel tube should be excavated,while the bench of the upper tunnel tube should be reserved; Then the lower tunnel tube is excavated by blasting means before the bench of the upper tunnel tube is excavated by non-blasting means,so as to minimize the adverse effect on the rocks between the twin tunnel tubes and,in the end,to ensure the safety of the tunnel structure and the tunneling activity.
stacked tunnel; layered rock; small clearance; vibration-reducing blasting; non-blasting excavation; rock between twin tunnel tubes
2014-01-21;
2014-03-14
蔡振宇(1968—),男,湖北陽新人,1990年畢業(yè)于西南交通大學(xué),橋梁工程專業(yè),本科,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事隧道及地下工程施工工作。
10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.013
U 455.6
A
1672-741X(2014)05-0478-06