高擋墻施工距臨近隧道的極限安全凈距研究

羅培新

(中國鐵路烏魯木齊局集團公司，新疆烏魯木齊 830011)

1 隧道的極限安全凈距

在臨近既有鐵路線隧道區域修筑如路基、擋墻等土工結構時，由施工引起的隧道應力重分布和二次變形是工程設計必須考慮的問題。尤其是地質構造復雜，以黏性土和軟巖為主要結構面的隧道，臨近區域的工程活動更容易影響隧道的穩定性[1]。目前，分析建筑物及擋墻施工對臨近隧道影響的常用方法是理論數值分析[2]，并取得了一定成果。研究表明，隧道臨近區施工對隧道受力及變形的影響主要體現在兩個方面：一是新建工程形式及不同圍巖支護形式對隧道的應力應變具有一定影響；如周旭光等討論了不同布樁方式對隧道變形的影響[3]。黃俊討論了隧道開挖對不同圍巖等級既有隧道的極限位移的影響，結果表明：Ⅰ～Ⅳ級圍巖范圍內，圍巖等級越高，隧道安全系數越大，而Ⅴ級圍巖所得的安全系數較實際值偏高[4]。張治國等利用Galerkin方法建立了Winkler地基條件下建筑施工對臨近隧道位移及變形的分析方法，并提出了響應的有限元微分方程[5]。張俊峰基于地下連續梁理論，采用Boussinesq解對由于基坑開挖導致的隧道變形進行了求解[6]，吉茂杰等以殘余應力方法研究了基坑開挖對隧道變形的影響規律，并基于分層總和法推導出了考慮基坑開挖引起隧道變形的計算方法[7]，伍尚勇等通過建立Midas/GTS三維模型分析了雙側深基坑開挖對地鐵隧道的影響，其研究結果表明：對稱開挖比不對稱開挖能更好的控制隧道水平位移，但不利于控制隧道抬升[8]。二是凈距的影響；一般凈距越大，工程施工對既有隧道的應力及變形的影響就越小，但其具體規律則各不相同。何連昇等的研究表明工程施工影響隧道變形范圍約在開挖深度的3倍左右[9]。王立峰等考慮了基坑分塊開挖的先后順序對隧道變形的影響，并指出基坑開挖對隧道的影響范圍為開挖深度的2.5倍[10]。許建鋒等詳細分析了杭州軟土地質條件下地鐵隧道臨近區項目施工對隧道安全性的影響，結果表明隧道變形隨凈距的增大而快速減小，呈現冪指數函數的關系[11]。高廣運等采用修正劍橋模型分析了不同基坑與隧道位置關系下隧道變形的變化規律，結果表明隧道變形大小與基坑距離關系并不完全單調，而是在一定距離內達到峰值，隨后趨于平緩[12]。此外，劉飛飛還研究了滲流作用對隧道位移的影響，結果表明，滲流作用對隧道的水平位移與軸力影響顯著，在考慮滲流時，水平位移增大了2.58倍，管片軸力增大了29.3 %[13]。

當新建工程方案確定時，影響既有隧道穩定性的主要因素是兩者間的凈距，然而目前研究所得的結果并不統一，也尚無相關標準或規范可供參考。鑒于此，本文以婁邵鐵路栗家山隧道以西新建項目為工程實例，基于單線相鄰隧道最小凈距法分析了進、出口段不同圍巖等級下的7個典型斷面的極限安全凈距，最終確定了該工程距隧道的極限安全凈距并給出了相應的施工注意事項，為項目施工及保障既有隧道的安全提供了支持。

2 工程概況

以婁邵鐵路栗家山隧道的安全性分析為實例，栗家山隧道全長320m，為新建電力牽引的雙線鐵路區間隧道，隧道內線間距為5.0m。隧道范圍地表為第四系殘坡積粉質黏土，下伏石炭系中上統地層。第四系殘坡積粉質黏土夾碎石：軟塑—硬塑，含少許角礫，層面埋深約9.75m，層厚5.85～8.13m，土石等級為Ⅱ級。石炭系中上統：巖性以灰巖及頁巖全風化為主。炭質灰巖，全—弱風化，灰黑色，泥質結構，薄層狀構造，層面埋深約4.0m，土石等級為Ⅲ級；灰巖，弱風化，灰白—灰色，主要礦物為方解石，隱晶質結構，厚層狀構造，層面埋深4.1～15.6m， 土石等級為Ⅴ級。

隧道襯砌為采用鉆爆法施工的復合式襯砌結構，由隧道進口至出口分別選取了Ⅴ級圍巖偏壓型襯砌結構(20m)、Ⅴ級圍巖淺埋型襯砌結構(38m)、Ⅳ級圍巖淺埋型襯砌結構(20m)、Ⅲ級圍巖巖質地層襯砌結構(175m)、Ⅳ級圍巖淺埋型襯砌結構(25m)、Ⅴ級圍巖淺埋型襯砌結構(42m)。隧道現場及典型剖面圖如圖1～圖3所示。

圖1 栗家山隧道工程現場

圖2 栗家山隧道出口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(單位：m)

圖3 栗家山隧道出口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(單位：m)

根據規劃，在栗家山隧道以西擬新建項目，總用地面積約79 072m2。同時在靠鐵路側的路塹邊坡，按照開挖路塹坡腳設置樁板墻和重立式路塹擋土墻進行擋護。在DK0+024～DK0+242.50段設置路塹樁板墻工程，樁截面為1.5m×2.0m，樁長10～20m；DK0+000～DK0+024及DK0+242.50～DK0+320段設置重力式路塹擋土墻工程，墻高2.4～5.0m，擋土墻基礎埋深1.2m。樁板墻和重立式路塹擋土墻墻腳外側設置2.0寬平臺和0.6m×0.6m矩形C25鋼筋混凝土排水溝。 為防止開挖擋土墻時擋土墻后臨時邊坡發生坍塌，擋土墻后臨時開挖邊坡采用錨桿噴混凝土臨時防護，錨桿長5m，噴混凝土厚10cm。擋土墻以上刷坡率為1∶1.75，分級刷坡，每級邊坡高6m，邊坡之間設置3m寬平臺，平臺上設置0.4m×0.4mC25混凝土矩形截水溝。刷坡坡面設置錨桿框架梁進行防護，框架內采用穴植容器種植灌木苗。工程平面圖如圖4所示。

圖4 栗家山隧道剖面位置

3 隧道安全性分析及極限安全凈距確定

分析擋墻施工對栗家山隧道的安全性影響后，即可確定擋墻墻底距隧道的最小安全凈距。由于現行規范沒有針對雙線鐵路隧道與邊坡工程不產生近接施工影響的最小間距要求，可按TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》中推薦相鄰單線隧道間最小凈距要求計算，如表1所示。

表1 兩相鄰單線隧道間的最小凈距 m

根據前述工程概況，選取進、出口段不同圍巖等級下的7個典型斷面進行計算，結果如圖5～圖11所示，各圖剖面標號與圖4所對應。

圖5 出口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面4)(單位：m)

圖6 出口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面5)(單位：m)

圖7 出口段Ⅲ級圍巖深埋襯砌橫斷面(剖面6)(單位：m)

圖8 進口段Ⅲ級圍巖深埋襯砌橫斷面(剖面14)(單位：m)

圖9 進口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面15)(單位：m)

圖10 進口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面16)(單位：m)

圖11 進口段Ⅴ級圍巖偏壓襯砌橫斷面(剖面17)(單位：m)

以安全凈距40m為例，根據上述各典型剖面計算結果可知，高擋墻的施工對不同圍巖級別埋深的安全性影響各不相同。當圍巖深埋襯砌為Ⅲ級時，無論是進口段還是出口段，最小間距曲線均未達到擋墻底部；當圍巖深埋襯砌為Ⅳ級時，其最小間距曲線同樣未達到擋墻底部，但相較于圍巖深埋襯砌為Ⅲ級的情況距墻底更近一些，這說明圍巖深埋襯砌為Ⅳ級比圍巖深埋襯砌為Ⅲ級對安全凈距的要求更為嚴格，但均大于40m。而當圍巖深埋襯砌為V級時，最小間距曲線已有部分在兩相鄰隧道最小間距線以內。這一情況下，擋墻凈距已不滿足規范要求，但實際工程中對鐵路路塹邊坡進行了刷坡，使得隧道左右側受力更加對稱，部分地抵消了擋墻施工對隧道應力重分布的影響，因此可認為此時已經達到了其極限安全凈距。最終，推薦擬建擋墻距栗家山隧道邊線的極限安全凈距為40m。

為了加強現場施工的安全保證，根據現場勘查情況，在擋墻施工時，應遵循以下施工規定：

(1)建設項目靠鐵路側邊坡應嚴格做好防護，確保邊坡自身安全穩定；并切實做好坡面排水，避免對栗家山隧道產生不良影響。

(2)建設項目邊坡施工期間嚴格施工工藝要求，靠近隧道側巖石開挖必須采用控制爆破，控制爆破震速應不高于3m/s，以減少施工對栗家山隧道的不良影響。

(3)擬建項目場地內建筑工程的設計及施工均不應影響路塹擋護工程的安全。

(4)路塹擋護及場地內建筑工程施工期應加強施工監測，通過信息化施工，確保施工期間邊坡和栗家山隧道的安全。

4 結論

本文以婁邵鐵路栗家山隧道分析為實例，分析了高擋墻施工對臨近隧道的安全性影響，確定了高擋墻施工與臨近隧道極限安全凈距，并根據工程實際情況給出了相應的施工建議和措施，得到了以下結論：

(1)臨近隧道的高擋墻的最小安全凈距目前缺少系統性的參考規范和標準，本文推薦采用TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》中規定的相鄰單線隧道間最小凈距要求計算。

(2)進、出口段不同圍巖等級下典型隧道斷面的計算結果表明：Ⅲ級與Ⅳ級圍巖深埋襯砌斷面情況的極限安全凈距均大于40m，V級圍巖深埋襯砌斷面情況的安全凈距略小于40m，但刷坡措施隧道左右側受力更加對稱，部分地抵消了擋墻施工對隧道應力重分布的影響，最終推薦擬建擋墻距栗家山隧道邊線的極限安全凈距為40m。

(3)為保證隧道運營和現場施工安全，在修筑擋墻時應遵守做好坡面排水，靠近隧道側巖石開挖必須采用控制爆破，控制爆破震速應不高于3m/s，加強施工監測，通過信息化施工等原則。