新建隧道下穿既有重載隧道施工控制技術研究

王海軍 趙 巖 王海龍 李云赫

(1.北旺建設集團有限公司，河北 承德 067400；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

近年來，隨著客運專線、高速及城市輕軌等交通工程建設的迅猛發展，出現了許多下穿公路隧道、隧道及城市地鐵隧道等地下工程，這些隧道工程的修建不同于一般的隧道工程，由于復雜的地形情況及既有隧道的影響范圍，下穿隧道工程的設計及施工已經成為了現今國內外學者研究的重點難點[1-4].目前，正值2022年冬奧會籌辦的重要時期，主要賽區城市北京及張家口交通基礎設施的建設不可避免地會遇到城市地下工程及穿越山脈的隧道工程，特別是對于近接上下交叉隧道施工時，如何既確保既有干線的安全運營，又保證新建隧道的安全施工是須解決的關鍵問題[5-6].

目前國內外學者對上下型立體交叉隧道施工時的力學響應規律進行了大量的研究.龔倫[7]依托實際高鐵隧道工程，分析了新建隧道穿越既有隧道過程中既有隧道不同點襯砌內力增量及沉降規律；樊磊[8]依托北京地鐵7號線下穿既有隧道10號線車站工程，分析了兩隧道的相互影響規律；包德勇[9]運用ANSYS軟件對新建線路下穿既有高速公路進行了模擬，研究得到交叉隧道施工過程中的力學行為變化規律.馬霽南[10]以南寧地鐵一號線出段線與正線區間小凈距交叉隧道為依托，采用兩階段位移法得到下穿施工誘發既有隧道襯砌的豎向位移解，并提出相應的交叉隧道加固措施.裴麗[11]依托重慶兩江隧道開展了地下立體交叉隧道的相似模型試驗和有限元模擬工作，研究立體隧道近接施工交叉部位一定范圍內的穩定性影響規律及各種影響因素.付曉強[12]等以隧道施工下穿金陽步行街為工程背景.設計合理的裝藥結構和爆破參數，采用雷管跳段使用對起爆網絡進行優化，成功將地表振動速度控制在規定的范圍內.上述研究中既有隧道均為高鐵隧道或者高速公路隧道，而對下穿既有重載隧道的交叉隧道工程較少，因此本文結合新建京張草帽山隧道下穿唐呼既有重載北草帽山隧道工程，介紹隧道交叉段的主要施工措施及實時監測技術，以期為類似工程提供借鑒.

1 工程概況

草帽山隧道位于河北張家口市，山勢陡峭，山體大部分可見基巖暴露，地面高程674.14～809.02 m，相對高差80～110 m.隧道在DK173+954.4～DK174+970.9段下穿既有唐張重載鐵路，交接里程DK173+962.6，平面交角65°，兩隧道最小垂直凈距約16 m.此段的地質情況為：第四系上更新統洪坡積層(Q3pl+dl)新黃土、黏性土、砂類土、碎石土；侏羅系上統四岔組第一段(Js1)凝灰巖；中生界侏羅紀上統陶北營第三段(Jt3)凝灰巖.

既有隧道設計為V級圍巖，設計噴混厚度拱墻27 cm，仰拱25 cm，拱墻襯砌設計為50 cm，仰拱厚度為55 cm，仰拱填充厚度為124 cm，開挖斷面凈寬為1310 cm.該隧道于2015年通車運營.兩隧道平面交叉位置如圖1所示.

圖1 既有唐呼北草帽山隧道與新建草帽山隧道相交示意圖

2 主要施工技術

隧道施工遵循十八字方針，尤其是在新建草帽山隧道下穿段施工過程中須確保上跨唐呼重載隧道結構穩定及安全運營.為最大程度減小下方隧道開挖對上部既有隧道的不利影響，對下穿段采用如下施工措施.

2.1 超前小導管支護

小導管采用φ42熱軋無縫鋼管，外徑42 mm，壁厚4 mm，導管上鉆注漿孔，孔徑6 mm，孔間距100 mm，前端加工成錐形，尾部1 m為的不鉆孔的止漿段，尾部設加勁箍.小導管沿隧道拱部均勻布置，同鋼架配合使用時，尾端應與鋼架焊接.相臨兩環小導管之間的搭接長度不得小于1 m.小導管安裝頂入長度不小于設計長度的90%.小導管安裝完成后及時清孔，并用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時在小導管附近及工作面噴射混凝土，以防止工作面坍塌.

鉆孔后對小導管進行壓漿處理，注漿壓力一般為0.5～1 MPa，漿液采用1:1的水泥漿，注漿壓力0.5～1 MPa.當壓力達到設計注漿終壓并穩定10～15 min，注漿量達到設計注漿量的80%以上時，結束注漿.注漿參數根據注漿試驗結果及現場情況調整.注漿由兩側對稱向中間進行，自下而上逐孔注漿，如有竄漿或跑漿時，采用間隔注漿，最后全部完成注漿.圖2為隧道交叉段超前小導管施工效果圖.

圖2 交叉段超前小導管施工效果圖

2.2 超前大管棚支護

管棚鋼管用每節長4～6 m的熱軋無縫鋼管(Φ108 mm，壁厚6 mm)以絲扣連接(連接鋼管采用長400 mm、Φ114 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管)而成，每根總長為30 m.在拱頂140°范圍內設置超前長管棚，管棚環向間距中至中400 mm,外插角為0°～3°，管棚鉆孔施工誤差孔深誤差不大于50 mm，環向不大于100 mm.

從左往右，奇數號采用鋼花管，偶數號采用鋼管，鋼花管加工23根，鋼管加工22根；鋼花管上鉆注漿孔，孔徑6 mm，孔間距21 cm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止漿段150 cm，端頭20 cm加工成錐形.

將管棚鋼管用鉆機頂進打入孔中，打入長度不小于90%，管棚鋼管安設后用塑膠泥封堵孔口及周圍縫隙，防止漏漿.

管棚安裝完成后進行注漿，漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液，注漿分別從兩側底部開始往拱頂方向.首先對鋼花管進行單液注漿，注漿壓力取0.5～2 MPa，根據實際情況調整注漿參數，注漿結束后采用M10水泥砂漿充填鋼管，以提高管棚剛度.

在管棚施工期間縮小安全步距，按照仰拱封閉成環距離掌子面30 m，掌子面距離二襯端頭70 m控制.圖3為管棚鋼管現場示意圖.

圖3 管棚鋼管現場示意圖

2.3 襯砌支護參數優化

新建草帽山隧道交叉段屬于Ⅳ級圍巖，但由于既有重載長期高幅值、低頻率列車荷載對下穿隧道的影響，對下穿段DK173+954.4～DK174+970.9初期支護采用Ⅴ級加強支護，同時配合三臺階臨時仰拱法開挖以保證既有隧道的安全運營及新建隧道的安全施工.其中，初期支護采用C30噴射混凝土，厚280 mm，鋼筋網片采用φ8@20×20 cm，系統錨桿拱部采用φ22組合中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，錨桿長度4.0 m，間距1.2×1.0 m(縱×環)梅花形布置；鎖腳錨桿φ42無縫鋼管，長度為4.5 m,且每處打設4根鎖腳錨桿用來固定鋼架；采用工字鋼22a鋼架支撐，鋼架間距不大于0.8 m.仰拱襯砌采用C35混凝土，厚280 mm，二次襯砌采用C35混凝土，厚500 mm.

2.4 控制爆破施工

依據《爆破安全規程》(GB6722-2014)，可知爆破施工對于交通隧道引起的振動速度不得超過100 mm/s，考慮到新建草帽山隧道與既有重載北草帽山隧道的垂直凈距僅為16 m且重載列車引起的長期振動對隧道結構帶來的不利影響，因此此段隧道鉆爆開挖引起既有隧道振速不得超過30 mm/s，以確保交叉段施工的安全.

由于爆破施工引起的振動與炸藥類型、圍巖類別、爆心距及連線方式等因素有關，因此在下穿段DK173+954.4～DK174+970.9要嚴格控制爆破.為了減輕爆破振動，炸藥采用直徑為32 mm的2#巖石乳化炸藥.為保證爆破質量，周邊孔采用間隔裝藥結構，掘進眼、內圈眼、底板眼采用連續裝藥結構，周邊孔采用φ25的藥卷.所有裝藥炮眼均采用炮泥堵塞，其中周邊孔堵塞長度不小于200 mm.為了達到減振的效果，爆破施工采用多段雷管起爆，減小最大單響藥量，同時雷管跳段使用，避免相鄰雷管起爆引起共振.

控爆作業周邊眼炮孔布置與光面爆破一致，其余炮孔按淺密原則布置，炸藥均勻分布在各炮孔內，掏槽眼采用楔形掏槽形式.選用有足夠段數的非電毫秒雷管，選用100 ms或200 ms或半秒級雷管，以進一步改善爆破效果，降低爆破振動強度.同時掏槽眼與周邊眼要與大孔徑空眼布置，以增大爆破臨空面，達到減振的作用.

依據薩道夫斯基公式可以推導出最大單響藥量的計算公式(1).

(1)

式中，R為兩隧道的垂直凈距16 m，ν為爆破安全振速3 cm/s，K、α根據現場試驗得到，分別為K=181.69，α=1.81，由此可以得到交叉段最大單響藥量為4.55 kg.

3 交叉段隧道監測

“勤量測”是隧道施工中重要的環節，尤其是在立體交叉隧道段的現場監測對判斷圍巖的穩定性、初期支護是否合理及仰拱二襯的施工時機均具有不可忽略的作用[13-14].

3.1 監測內容

本次監測內容主要包括新建下穿隧道圍巖情況、新建隧道結構變形、既有隧道結構沉降及既有隧道結構振動速度四方面內容.通過隧道現場實測及時掌握交叉隧道圍巖的變化情況及初期支護或二襯的力學性質變化情況，為交叉隧道施工及襯砌支護參數的優化提供可靠的科學依據.

3.2 洞內觀察

對隧道掌子面及其支護結構進行觀察，可以實時了解到隧道圍巖產狀、成分、顏色，支護結構初步受力特征及隧道支護后的整體穩定性，為之后隧道施工提供依據.

3.3 新建京張高鐵草帽山下穿隧道段監測

在洞內按照要求布置監測點，該段洞內監控量測斷面采用每10 m布設一個監測斷面.開挖階段每天測試2次，如出現變形速率加大時，則加密監測次數(日變形速率安全值為：5 mm/d).監控量測資料均用計算機配專業技術軟件進行自動化初步分析、處理.根據實測數據分析、繪制各種表格及曲線圖，當曲線趨于平衡時推算出最終值，并提示隧道結構的安全性.

3.4 既有重載隧道監測

由于上部隧道每日均有重載列車C80及空車通過，因此下穿段施工過程中上部既有沉降及爆破振動速度的監測對既有線的運營顯得尤其重要[15-16].本次既有隧道監測過程中，隧道沉降儀器采用液壓式靜力水準儀，爆破振速監測采用TC-4850N爆破測振儀.

上跨既有隧道沉降監測斷面選擇在交叉斷面IDK25+620、交叉斷面兩側對稱各10 m的位置；既有隧道爆破振動速度監測斷面選擇在距上跨隧道交叉斷面5 m位置IDK25+625及對稱兩側分布，布置5個測點，每個測點間距均為10 m.

4 結 論

本文對新建京張草帽山隧道下穿既有重載隧道的主要施工技術進行分析研究，得到如下結論：

1)交叉隧道下穿段施工須配合超前小導管與超前大管棚對前方圍巖進行預加固，同時Ⅳ級圍巖采用Ⅴ級加強式初期支護，嚴格控制仰拱及二襯的安全步距以安全渡過隧道交叉段.

2)爆破振動及列車荷載的影響對交叉段施工造成不利影響，交叉段控制爆破施工具有重要的工程意義，最大單響藥量控制在4.55 kg以內，同時增加雷管段數、延時時間及增設大孔徑空孔均有助于降低爆破振動.

3)隨著下穿段施工過程中應重視現場監測數據的變動，交叉隧道結構變形及爆破振動速度進行監測對隧道施工具有重要的意義.