富水暗挖隧道近接既有盾構區間控制爆破與降水施工變形控制技術

王振華

（中鐵三局集團廣東建設工程有限公司，廣東 廣州 510000）

目前，由于中國城市化的發展狀況和人們的日常出行需求，必須要在城市內部建設相應的地鐵線路，幫助人們提高生活水平和生活質量。在建設過程中，常遇到臨近施工問題，城市地下工程臨近施工是關鍵控制環節，也是高風險控制點。因此，對臨近施工進行分析，采取合適的技術措施控制隧道變形，保證隧道變形不超過控制值是非常關鍵的。

1 工程概況

廣州市軌道交通13 號線二期工程天河公園站—E41盾構井暗挖區間位于天河區天河公園內，總體呈東西走向，西接天河公園站站后折返線（與開通運營21 號線天河公園站相接），東接E41 盾構井。區間左線采用盾構法施工，與右線最近距離4.925 m，右線采用暗挖礦山法施工，總長度367.79 m，分A、B、C 三種斷面，其中A、B 斷面為單洞雙線存車線，采用CD 法施工，C 斷面采用上下臺階法施工。工程線路平面圖如圖1所示。

圖1 線路平面圖

2 水文地質條件

本區間全部位于天河公園內，總體地勢較為平坦，主要為公園綠地、道路、湖泊等，地面標高13.28～20.72 m。隧道拱頂以上巖土層分為填土層、陸相沖積-洪積砂層、沖積-洪積-坡積土層、殘積層、巖石全風化帶、巖石強風化帶，隧道穿越地層主要為巖石強風化帶，局部拱頂的巖石全風化帶以及局部夾層巖石中風化帶。

地下水主要為第四系孔隙水和基巖風化裂隙水，基巖裂隙水主要賦存于強、中風化巖中的風化裂隙之中，為承壓水，兩者之間局部有一定水力聯系，地下水穩定水位埋深為1.80～6.30 m（標高4.50～17.52 m），年變化幅度為1.00～1.50 m。另本隧道位于天河向斜核部北側，向斜核部為較好的匯水構造，局部地下水水量豐富，同時本場地內地下水還接受天河公園湖、棠下涌的側向補給，天河公園湖、棠下涌與珠江水系有一定水力聯系，水位和水量除受降雨影響外，受潮汐作用影響明顯。線路平面圖如圖2 所示。

圖2 線路平面圖

3 施工重難點

右線大斷面暗挖巖層風化不均，導洞ⅠⅠ、導洞ⅠV全部需采用爆破施工，導洞Ⅰ、導洞ⅠⅠⅠ根據需要，需局部采用爆破施工，右線進洞之初，左線盾構已貫通，左右線之間凈距4.925～6.144 m，超近距離臨近既有盾構區間隧道爆破施工對既有線結構影響。

大斷面暗挖采用CD 法施工，斷面最大開挖面積120.5 m2，隧道巖層多為強風化砂礫巖，局部拱頂為全風化砂礫巖，地下水豐富，開挖過程中拱頂有掉塊現象，安全風險高。

4 施工技術控制

4.1 爆破控制措施

總體遵循“啟動遠離保護物，盡早創造臨空面，控制單孔最大藥”的原則，將礦山法開挖步序調整為導洞1（右上）→導洞2（右下）→導洞3（左上）→導洞4（左下），創造臨空面，減少振動傳遞。

斷面布孔及起爆順序示意圖如圖3 所示。掏槽孔采用四孔掏槽，四孔擴槽，布置在導洞1-1 的中央偏下，孔深比設計開挖進尺深400 mm，采用楔形、菱形等掏槽布孔方式；輔助孔盡量與隧道輪廓線、臨時中隔壁和臨空面平行布置，孔深比設計開挖進尺深200 mm；隧道輪廓周邊孔直接靠輪廓線布置，臨時中隔壁周邊孔及底孔超出設計輪廓線往外約150 mm，孔深與輔助孔相同。周邊孔孔間距取400～600 mm（平均值為450 mm），最小抵抗線取400～600 mm（平均值為550 mm）；輔助孔間距取700～1 000 mm，排距取600～800 mm；掏槽孔間距450 mm、700 mm，排距600 mm。

圖3 斷面布孔及起爆順序示意圖

掏槽孔和輔助孔采用反向耦合連續裝藥，周邊孔采用正向不耦合間隔裝藥[1]，為了確保爆破效果，炮孔的填塞長度一般不得小于炮孔長度的1/3。

考慮到左線盾構隧道已經成型，水平凈距4.9～6.2 m。根據GB 6722—2003《爆破安全規程》規定，隧道八部開挖各個分部均采用單段最大藥量與左線盾構直線距離進行安全校核。按《爆破安全規程》規定，工業和商用建筑物所能承受的最大允許安全振動速度為2.5～5.0 cm/s，交通隧道所能承受的最大允許安全振動速度為10～20 cm/s，為了保證爆破振動不影響盾構安全，按“就小不就大”原則，爆破振動速度取5.0 cm/s進行安全校核。

4.2 各導洞爆破設計

4.2.1 導洞1-1 部

若1-1 部為土層，直接采用機械開挖，并為3-1部和1-2 部創造臨空面；若為巖層，在1-1 部采取掏槽方式進行爆破開挖。1-1 部布孔及起爆順序圖如圖4 所示，1-1 部掏槽孔與左線盾構直線距離示意圖如圖5 所示，導洞1-1 部爆破振動速度校核表如表1 所示。

圖4 1-1 部布孔及起爆順序圖

圖5 1-1 部掏槽孔與左線盾構直線距離示意圖

表1 導洞1-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.2 導洞1-2 部

導洞1-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖6 所示，導洞1-2 部爆破振動速度校核表如表2 所示。

圖6 導洞1-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表2 導洞1-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.3 導洞2-1 部

導洞2-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖7 所示，導洞2-1 部爆破振動速度校核表如表3 所示。

圖7 導洞2-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表3 導洞2-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.4 導洞2-2 部

導洞2-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖8 所示，導洞2-2 部爆破振動速度校核表如表4 所示。

表4 導洞2-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

圖8 導洞2-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

4.2.5 導洞3-1 部

導洞3-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖9 所示，導洞3-1 部爆破振動速度校核表如表5 所示。

圖9 導洞3-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表5 導洞3-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.6 導洞3-2 部

導洞3-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖10 所示，導洞3-2 部爆破振動速度校核表如表6 所示。

圖10 導洞3-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表6 導洞3-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.7 導洞4-1 部

導洞4-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖11 所示，導洞4-1 部爆破振動速度校核表如表7 所示。

圖11 導洞4-1 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表7 導洞4-1 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.8 導洞4-2 部

導洞4-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系如圖12 所示，導洞4-2 部爆破振動速度校核表如表8 所示。

圖12 導洞4-2 部布孔起爆順序及與左線盾構直線距離關系

表8 導洞4-2 部爆破振動速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.3 爆破效果監測

根據爆破監測，各部爆破效果，爆破振速滿足控制要求，如表9 所示。

表9 爆破各部參數統計表

5 降水施工技術

5.1 降水總體方案設計

區間右線大斷面暗挖地下水穩定水位埋深為1.80～6.30 m（標高4.50～17.52 m），隧道斷面大，穿越地層以強風化砂礫巖為主，拱頂局部為全風化碎屑巖，地面水系發達，總水域面積達到11.6 萬m2，對地下水有一定的補給作用，并且隧道位于天河向斜核部北側，裂隙發育，為典型的匯水構造，局部地下水水量豐富。

隧道開挖過程中，掌子面滲漏水水量較大，特別是導洞1-1 部，滴漏水十分嚴重，長時間暴露后掌子面出現了局部掉塊現象，安全風險顯著增加[2-3]。

從確保施工安全和生產進度兩方面，同時考慮地下水抽排對公園環境的影響角度出發考慮，采取了地面降水為主，洞內引排為輔的掌子面降水方案，將洞內水位降至掌子面上導洞以下。

初步方案：大斷面隧道范圍內地勢較平坦，降水模型近似為基坑降水，降水井在隧道兩側施工，距離隧道邊線約為3 m，單側井間距rij為15 m，鉆孔直徑300 mm，管直徑150 mm，承壓降水井，降水井類型為管井降水，降水設計深度sd=7.8+10+1=18.8 m。

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》附錄E.0.3 和廣州市軌道交通十三號線首期延伸線（天河公園—魚珠）天河公園至棠下站區間詳細勘察階段巖土工程勘察報告（編號：KC-2018-047/2017-004-X-02-01）2.8.7 章節，承壓水完整井的基坑降水總涌水量計算公式：

式（1）中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；k為滲透系數（取強風化層系數），m/d；M為承壓水含水層厚度，m；sd為基坑地下水位的設計降深（取降至隧道上下導洞分界線以下1 m），m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m。

將k=0.9 m/d，M=14.63 m，sd=18.8 m，R=178.35 m，r0=9.45 m 代入式（1）得：

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》7.3.10，降水井的設計單井流量可按下式計算：

式（2）中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；n為基坑模型總降水井數量。

將Q=529.29，n=2 代入式（2）得：

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》7.3.11，本隧道處管井單井出水能力公式如下：

式（3）中：q0為單井出水能力，m3/d；rs為過濾器半徑，設計為0.15 m；l為過濾器進水部分長度，取5 m；k為含水層滲透系數，本次隧道斷面含水層的厚度加權平均值，m/d。

將rs=0.15 m，l=5 m，k=0.9 代入式（2）得：

根據詳細勘察階段巖土工程勘察報告，抽水試驗孔MUZ3-THGY-S19，計算得承壓完整井穩定流水力坡度平均值i為0.19。

采取隧道兩側邊線以外3 m 布置降水井，降水井間距15 m，單口降水井降水需輻射最遠距離為L=24/2=12 m，根據水平距離L、基坑地下水位的設計降深sd和水力坡度i，計算降水井水位設計降深sw：

管井設計深度：

式（4）中：H井為管井降水井設計深度，m；h1為基坑開挖深度（取地面至隧道上下導洞交界面距離），m；h2為井點露出地面的高度，m；h3為基底降水線至基底（導洞分界線）的距離，m；i為水力坡度（具體數值根據勘察報告結果）；L為單口降水井降水需輻射最遠距離，m；h4為管井濾管長度，m。

將h1=21.1 m，h2=0.2 m，h3=1 m，h4=6 m，i=0.2，L=12 m 代入公式（4）得：

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》7.3.6，計算承壓完整井理論降深s0：

式（5）中：s0為基坑地下水位降深，m；n為降水井數量；j為第j口降水井；qj為第j口降水井的單井流量，m3/d；M為承壓含水層厚度，m；k為含水層的滲透系數，m/d；R為影響半徑，m；rij為第j口井中心至i點（降深計算點）的距離，m。

將n=2，j=1、2、3、4，qj=274.75 m3/d，k=0.9 m/d，R=168.7 m，r=12 m，M=14.63 m 代入公式（5）得：

已知sd=18.8 m，則s0略小于sd，施工過程中加密降水井布置至10～15 m，且理論降深s0計算時并為考慮群井效應，施工時洞內輔以排水措施，故降水井方案滿足要求。

5.2 降水施工

根據理論計算獲得的方案進行現場降水施工，降水井在隧道兩側施工，距離隧道邊線約為3 m，井間距適當加密布置至10～15 m，降水井深度大于30.7 m，承壓降水井，降水井類型為管井降水，成孔直徑600 mm，管井直徑300 mm，底部濾管長度大于6 m。

鉆孔完成后孔內放置直徑300 mm的PVC波紋管，底部濾管采用鋼管，鋼管穿孔，管外用濾網包裹，管與成孔空隙之間填充瓜米石，井口位置采用黏土填實，深度約為500 mm。

采用深井潛水泵進行管井降水，水泵流量15 m3/h，揚程30 m，功率4.5 kW，水管管徑5 cm。

目前進尺最多的導洞1-1 進尺135 m，里程為YDK29+911.773 ， 降水井施工起始里程為YDK29+828.273，距離洞門口51.5 m，完成降水井16個（編號1～16 號），單口降水井施工時間約10 h，具體信息如表10 所示。

表10 降水情況統計表

5.3 降水效果

2021-07-25 ，針對掌子面上導洞1 采取計時接水測量法對涌水量進行了測量統計，統計結果如表11 所示。

表11 地面降水前洞內導洞1 涌水量統計表

表10（續）

從上表可以看出，導洞1 在2021-07-25 上午平均涌水量為16.56 m3/d，下午涌水量為14.62 m3/d，2 次平均值為15.59 m3/d，掌子面日失水量很大，不利于施工，而且施工風險極高。

按照理論設計方案施工降水井后，在降水過程中，掌子面上導洞（導洞1-1、導洞1-2、導洞3-1、導洞3-2）滲水明顯減少，隨著降水的繼續，如圖13、圖14 所示，最終上導洞掌子面接近干爽，拱頂無掉塊現象，如表12、圖15 所示，超挖控制到位，施工進度也明顯提升。

圖13 拱頂小導管線性滴漏水

圖14 導洞1-1 降水后效果

表12 降水前后總體功效對比表

圖15 降水前后初支施工進度圖

地面降水期間對地面沉降值進行了持續監測，頻率為1 次/d，監測范圍為掌子面前端30 m，選取了11月1 日至12 月1 日期間YDK29+876.000 和YDK29+896.000 兩個斷面的數據，顯示地面呈現明顯持續沉降，累計沉降最大值-23.7 mm。

6 主要結論

通過采用優化暗挖大斷面隧道開挖順序，按照遠離既有盾構區間先行導洞開挖，先行導洞四孔掏槽、四孔擴槽，角部增設減振孔的防范，降低爆破掏槽對既有盾構區間的影響程度。

通過采用數碼電子雷管起爆技術，合理控制單段起爆藥量、設置起爆延時（100 ms），降低爆破振動速度。施工過程中區間內管片未出現任何異常。

采用地表降水和洞內降水相結合的降水技術，確保了強風化礫巖為主地層，地下水較豐富地區，降水效果，同時地表沉降的監測數據表明，降水施工未對地表沉降造成明顯影響。

7 結束語

綜上所述，在富水地層中臨近既有線施工過程中，需要全面考慮周邊環境，探清水文地質條件，過程進行爆破振動監測，優化爆破設計參數，減少了對臨近既有線結構的影響，保證了隧道安全。通過主動降水，加強對各個施工環節管理，有效降低了隧道開挖過程中水對圍巖的影響，降低了施工風險，保證了施工進度，同時也給類似工程項目提供了一定借鑒。