新建隧道施工对邻近既有隧道的影响及对策

2010-07-30王晓梅石文慧

铁道建筑 2010年7期

王晓梅，石文慧，程瑶

(1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074;2.中国地质大学工程学院，武汉 430074;3.山西华晋岩土勘察有限公司，太原 030021)

1 工程概况

新石庙沟隧道属改建铁路襄渝线安康至重庆增线段，位于陕西省安康市境内，隧道起讫里程为YDK323+138～YDK323+595，主体为单线铁路隧道，其中进口紧邻石庙沟车站，进口段30 m为喇叭口隧道，情况如表1所示。该隧道进、出口段与既有隧道间距接近20 m。双线基本平行，轨面高程基本一致，如图1所示。

表1 新石庙沟隧道概况

图1 石庙沟隧道线路布置

既有石庙沟隧道已建成30多年，属傍山隧道，为进出川渝的国家铁路一级干线，运输繁忙，在新隧道施工中，严禁造成任何影响既有线路运营的工况或事故。隧道断面形状为直墙拱顶，复合式衬砌，承受偏压。隧址位于吉河—王家坝平移断层南翼，基岩多裸露，地层单斜，岩体破碎，节理较发育。主要岩性为绢云母片岩及片理化凝灰岩，中厚层～厚层状，受区域变质影响较深，岩体较破碎。进口段岩层极破碎、风化带最厚约达20 m。新隧道进口 YDK323+138～YDK323+350段和出口YDK323+550～YDK323+595段为V级围岩，中间其余地段为Ⅳ级围岩

通过核查既有隧道，发现该隧道部分衬砌混凝土老化，表面已剥落，局部有纵横裂纹，衬砌内表面局部有滴水现象，边墙局部淌水，其它多处呈现表面润湿。推测有局部衬砌与围岩结合不紧密发生脱离。

2 新建石庙沟隧道对既有隧道影响分析

新建隧道对既有隧道的影响，取决于以下因素:①隧道的间隔，即既有隧道衬砌外缘到接近新建工程外缘的最小距离;②隧道的相对高度的位置关系;③新建隧道的规模;④新建隧道的施工方法(特别是开挖方式);⑤地形和地质条件(地层的软硬、埋深等);⑥既有隧道衬砌的结构和力学健全度等[1]。下面结合石庙沟隧道的隧道间隔、地形及地质条件、新隧道施工爆破振动的影响等方面进行进一步说明。

2.1 隧道间隔

从前面的叙述可知，新旧石庙沟隧道的轨面高程基本一致，隧道中线距离<20 m，根据隧道的位置关系和间隔大小，按照日本1997年公布的《接近既有隧道施工对策指南》，两隧道间隔为1.5D～2.5D(D为隧道直径)，属于要注意的范围［1－3］。随着新隧道开挖面的向前推进，由开挖面引起的支护能力就会随之减弱，两隧道之间的围岩应力发生重分布，隧道发生变形，将相应地出现非稳定状态区。如图2所示，新建隧道的开挖，使围岩产生松动，原来的平衡状态被打破，衬砌在左侧侧向围岩压力的强迫作用下，发生了向右的位移，就仿佛新隧道对旧隧道有一种拉伸作用似的，最靠近新隧道一侧边墙受到的影响明显比其它地方大。这种“拉伸作用”可能会引起衬砌结构的破坏和衬砌变形侵限。

图2 开挖新隧道引起既有隧道衬砌的变形

2.2 地形及地质条件

结合隧道线路布设条件和实际地质条件，隧道处于山脊一侧，存在一定的偏压作用，并且围岩破碎，围岩级别普遍较低。在偏压情况下，新石庙沟隧道的开挖产生了两种影响:一种是对既有石庙沟隧道的“拉伸作用”，另一种是既有隧道右侧围岩压力大增。通过分析，既有隧道所受偏压效应明显大于新建隧道的“拉伸作用”，所以衬砌产生了远离新隧道的变形，就好像新隧道在压迫旧隧道似的(图3)。

图3 既有隧道衬砌在偏压围岩压力下的变形

2.3 新隧道爆破振动对既有隧道的影响

新建隧道施工爆破时，大量装药爆破释放的能量部分直接以应力波的形式传播到周围岩体中，并进而引起应变，会危及既有隧道衬砌结构的安全及稳定。在爆破冲击波的作用下，既有隧道衬砌迎爆侧边墙所受到的影响最为显著。既有隧道衬砌迎爆侧面处于比背爆侧高得多的高应力状态。对于迎爆侧来说，其内侧与外侧的应力值会有所差别，迎爆侧内侧的主应力比外侧略大[2]。

爆破振动对建筑物破坏程度以所在地质点峰值振动速度作为衡量标准。对于邻近施工爆破，应采用控制爆破使开挖范围外的岩石引起的爆破振动速度最小，使之不影响既有线隧道结构和行车安全。按照我国的《爆破安全规程》(GB6722－2003)规定，既有隧道允许爆破振动速度不应超过10 cm/s［4－5］。由于该既有隧道抗震能力较差，爆破振动速度宜控制在 6 cm/s以下。

2.4 既有隧道衬砌的结构和力学健全度

既有石庙沟隧道已建成30多年，部分衬砌混凝土老化，衬砌内表面局部有滴水现象，边墙局部淌水，其它多处呈现表面润湿。表明既有石庙沟隧道衬砌结构的安全度已接近其承载力的极限，其力学健全度也大大的降低。新建石庙沟隧道的开挖必然会对既有隧道产生较大的影响，如处理不当，极容易造成既有隧道衬砌结构失稳破坏。

3 施工中的工程对策

3.1 既有石庙沟隧道加固

新石庙沟隧道与既有线净距 <20 m，并且既有隧道部分衬砌已出现混凝土老化等现象，为确保既有隧道安全，对其采取加固措施。

具体措施如下:

1)衬砌背后钻孔压注水泥浆，封堵衬砌和围岩裂隙，隔离水源，堵塞水点，以排除衬砌背后积水，增强衬砌与围岩黏接。能使衬砌与岩层结合密实，以防止围岩进一步变形，并相应地加固衬砌和使其均匀受力。

2)在靠近新建线路一侧，对既有线隧道拱腰及边墙部位采用系统锚杆加固，锚杆为R25 mm中空锚杆，长3 m，间距1.0 m，梅花形布置。

3.2 新建石庙沟隧道施工措施

新石庙沟隧道施工安排在既有石庙沟隧道加固后进行，主要施工措施如下［6-9］:

1)开挖时采用“套拱法”进洞;进洞后 YDK323+138～YDK323+160段采用双侧壁导坑法施工;Ⅳ级围岩采用台阶法施工;单线Ⅴ级围岩采用上部弧形导坑预留核心土三台阶法施工。几种开挖方法视围岩及对既有隧道的影响平滑过渡。隧道开挖后对隧道围岩进行施工阶段围岩级别判定。

2)洞身台阶法开挖时部分地段将上下半断面分别分成两部分开挖，先开挖远离既有隧道的一侧，再开挖另一侧;同时减小钻孔深度，减少单孔装药量。利用先开挖的空间为临近既有隧道的开挖部创造出临空面，减少了对既有隧道的振动影响。

3)洞身爆破开挖采用微振动控制爆破或光面爆破工艺，塑料导爆管微差毫秒雷管起爆，并将掏槽眼布置在远离既有隧道的一侧。

4)采用短进尺、炮孔线形布置和起爆、加强炮孔堵塞等以减小爆破振动。

5)在紧邻既有隧道一侧边界首先打隔离减振孔;或每两个装药周边孔之间设一空孔做减振孔，形成孔间距为25 cm的一排密孔，它既可以有效地反射隧道开挖区爆破时产生的应力波和振动波，减少振动波对既有隧道的破坏，又可起到导向孔的作用。

6)喷锚支护紧跟开挖面及时施作，以减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛及影响到既有隧道。待喷锚支护全断面施作完成后，开挖并灌筑仰拱混凝土，使支护尽早闭合成环，整体受力，确保支护结构稳定。

3.3 安全监测

在新建隧道施工对邻近既有隧道影响的研究中，对现场进行监控量测是非常重要的工作。

1)新石庙沟隧道地质情况现察

在每次爆破后对新石庙沟隧道地质状况进行监测，采用的仪器以地质罗盘、数码相机为主，主要确定围岩的岩性、地层产状、结构面产状，最终确认围岩的级别，看是否与原设计围岩级别有差别。另外也要加强对新建隧道的地表下沉、隧底隆起等项目的监测。

2)既有隧道洞周衬砌表面裂缝发展及渗水情况

在每次给定的天窗时间(没有列车通过的时段，每天约1 h)进行，在原有裂缝及施工缝处贴观测块标记(如图4)，仔细观察其是否继续发展、是否有新裂缝出现，原有裂缝渗水是否有增大趋势，是否有新增渗水裂缝。

图4 既有隧道裂缝发展情况观测块

3)既有隧道周边收敛位移

采用SL－2便携式钢尺收敛计，每25 m设一个监测断面，每个断面设4条测线(图5)。主要是对隧道壁面两点间相对变形量的量测。它是判断围岩动态的最主要的量测项目，是隧道围岩应力状态变化的最直观反映。

图5 位移测线布置

4)混凝土表面应变

采用振弦式应变计进行量测，每50 m布设一个量测断面，每个量测断面上布设5个测点，分别安装在拱脚处、直墙中部、直墙下部等位置。通过监测混凝土衬砌表面变形情况，了解混凝土衬砌的变形特征以及混凝土衬砌的应力状态，进而掌握混凝土衬砌所受应力的大小，确保隧道围岩及衬砌的安全性。

5)爆破振速测试

在新石庙沟隧道开挖爆破时，用振动测速仪对既有隧道的振动速度进行监测，以控制新石庙沟隧道开挖爆破的振动，指导新隧道的爆破施工，确保既有隧道的安全。由于新隧道进口和出口段为V级围岩，中间地段为Ⅳ级围岩，所以本次爆破振动监测在既有隧道的这三段各测试一次，分别选择在新隧道开挖掌子面邻近时进行。

3.4 数据整理分析

将监测得到的各项数据进行整理和分析，找出变化的规律。以既有隧道周边收敛位移为例:图6为监测所得既有隧道YDK323+575断面洞周收敛位移—时间曲线，测线3的最大累积收敛位移为1.280 mm，最终累计收敛位移0.475 mm，并趋于稳定，隧道二次衬砌未开裂，满足相关规定的要求[10]。其它断面情况基本类似，最大洞周收敛位移均很小，而且基本趋于减少或稳定。

同样对其它监测项目的数据整理和分析，表明皆符合安全的要求，证明对既有隧道的加固和新建隧道开挖中采取的相关措施是正确合理的。