某地铁区间隧道下穿悦来立交施工技术

马宏伟

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

0 引言

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，地铁、轻轨等工程大量修建在城市，已成为拉近城市中心与郊区，甚至是邻近城市的重要方式。城市作为人类社会的主要功能区，其规划不可能面面俱到，在建筑物、结构物、构筑物林立的情况下，修建轨道交通，必然会出现与既有工程立体交叉的情况。

在隧道下穿既有建(构)筑物施工技术方面，文献［1］对超浅埋隧道下穿高速公路、国道详细分析了重点、难点，并提出了一些新的思路和经验;文献［2］综述了施工中常用的各种超前地质预报技术;文献［3－5］对既有建筑物保护采用了控制爆破措施，设置减震孔的保护措施，有效地保护了既有建(构)筑物的安全;文献［6－7］提出了小净距隧道施工相关技术;文献［8－9］给出了隧道下穿采用的施工监测方法和支护参数，判别支护体系和施工是否有效地控制了围岩位移和变形。

近年来，国内采用以暗挖隧道形式下穿既有工程的项目不断增多，特别是城市地铁工程，由于选取的施工方法不当或监测不到位，造成地面塌陷、建筑物倾斜、交通中断、管线破坏、人员伤亡、机械损毁的事故频繁发生［9］，甚至发生灾难性的事故，给国家和人民群众造成了巨大的经济损失和恶劣的社会影响;因此，如何保证城市既有道路的安全通车，又要保证地铁下穿城市道路的安全施工，是一个急需解决的难题。

1 工程概述

1.1 工程简况

某地铁区间隧道起点里程K8+764.300，终点里程K9+060.000，长295.7 m，其中 K8+855～ +910段区间隧道下穿悦来立交，长55 m，为单洞单线隧道，左右线间距为4.4～6.6 m，隧道断面宽5.86 m，高6.28 m，埋深14.5～20 m，隧道顶与悦来立交道路距离约18 m，采用钻爆法开挖。

悦来立交为城市主干路，已运营2年，交通量非常大，下方设置有一排桩基，基底高程249 m，正好位于区间隧道左右线的中间，隧道洞底高程245.5 m，较桩基低3.5 m，详见图1。

图1 区间隧道与悦来立交平面示意图Fig.1 Relationship between tunnel section and Yuelai overpass

1.2 工程地质情况

隧道穿越地层由第四系全新统松散层(主要为人工填土、粉质黏土)和侏罗系中统沙溪庙组岩层组成，基岩主要为紫褐色－紫红褐色的砂质泥岩和泥岩。岩体节理裂隙发育，岩层倾向285～330°，倾角2～20°。岩体中等风化，饱和抗压强度标准值3.8～13.4 MPa，为极软岩－软质岩，基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ级，地下水不发育，没有腐蚀性。

1.3 施工重难点分析

1)施工组织与相关方协调，确保安全，保护既有工程是重点［1］。地铁隧道穿越立交施工，必须安全顺利通过，既不能阻断道路交通，又要保证行车安全，不出任何安全事故，也不能损坏既有桩基工程。

2)控制隧道左右线间中间岩柱稳定技术是施工难点［6－7］。施工中，应从隧道开挖方法、左右错开距离、中间岩柱加固、控制爆破、监控量测等方面入手，不断探索，不断总结经验，采取合理的施工对策，才能保证理想的施工效果。

3)隧道与立交的桩基距离非常近，控制爆破对桩基的振动要求非常高。如何采取措施控制爆破振动，减少爆破对桩基的扰动，降低对道路交通的影响是一个施工难点。

4)减震孔施工是难点［4－5］。为减少对桩基及中间岩柱的爆破振动，需打设减震孔，孔径大，钻孔深，而开挖面距离桩基最近，仅1.45 m，如果施工时钻孔不慎，可能下垂至隧道开挖轮廓之内，也可能外插打入中间岩柱，甚至是桩基内，影响中间岩柱和桩基的安全。

5)施工监控量测是重点［10］。施工中，及时监测立交路面沉降、隧道内拱顶下沉、周边收敛等，尤其是中间岩柱的变形监测是重点。同时，爆破振速监测也是一个非常重要的方面，应事先进行爆破试验，做好爆破振速测试，为控制爆破对周边的扰动提供依据。

2 施工方法与组织

2.1 施工测量

开工前，对导线网复测，实行三级复核制，确保导线无误。开挖放线时，根据设计图纸用全站仪放出隧道中线、开挖轮廓线，画开挖轮廓线时，画点间距控制在60 cm一个，每个开挖循环均放线一次。

2.2 超前地质预报

区间隧道地质情况较简单，下穿立交段距离较短，施工中，采取地质素描和超前水平钻孔进行地质预报。

2.2.1 掌子面地质素描

对已开挖的掌子面地质状况在现场实地调查，进行详细编录，采集必要的数据，主要包括地层岩性、节理发育程度、围岩稳定状况，实测岩层产状、节理产状及间距等，分段描绘、统计、分析，进行掌子面的工程地质评价，作出掌子面的断面图，运用地质学理论，预报隧道施工前方的工程地质、水文地质情况，做出地质展示图及预报通知，并留存数码影像资料［2］。掌子面地质素描可随时进行，不影响施工，直观地反映了掌子面的地质情况，为及时调整施工方法和设计变更提供了依据。

2.2.2 掌子面超前地质水平探孔

水平探孔采用风钻钻孔［2］，在每个开挖循环，掌子面的拱顶、起拱线各打入一根超前探孔，孔径φ42，长5 m，从钻进速度上判断掌子面前方围岩情况。风钻风压稳定，推力稳定时:钻进速度越快，说明岩石越软;钻进速度越慢，说明岩石越硬。通过超前探孔的钻速、冲洗液及岩性的变化等，进行分析，精确判明开挖面前方的地质情况，为调整爆破参数、支护参数、开挖进度等提供依据。

2.3 控制爆破开挖

爆破采用浅孔弱爆破开挖，遵循“短进尺，弱爆破，多循环”的原则。开挖采用作业台架，人工手持风钻全断面爆破开挖，单循环进尺控制在1.0 m。隧道左右线间距仅4.4～6.6 m，属小间距隧道，为减少扰动，保证施工安全，开挖时两隧道应错开一定距离。考虑现场情况，施工时先开挖右线，后开挖左线，施工过程中右线比左线一直超前30～40 m［6］。

开挖掏槽方式采用楔形掏槽，未进入下穿立交时，在现场进行爆破试验，钻孔深度1 m，并监测采用全断面楔形掏槽时的非电毫秒各段爆破振动速度，发现掏槽眼的爆破振动速度最大，因此，爆源按掏槽孔考虑。

调查周围情况，附近基本没有建筑物，开挖爆破振动主要考虑对桩基的影响。

根据减震爆破理论，当边界条件相同时，爆破开挖最大振动速度值不取决于一次起爆的总装药量，而取决于一次起爆某单段的最大装药量［3，12］。

根据萨道夫斯基经验公式，最大单段装药量与爆破允许振速计算［3，12］:

式中:Qmax为最大单段允许装药量;v为振速控制标准，这里取10 cm/s;R为爆源中心点到振速控制点的距离，取4.2 m;K为与爆破技术、地震传播途径介质有关的系数，取300;α为爆破振动衰减系数，取1.8。

振速控制点桩基为地下工程，v的取值参考GB 6722—2003《爆破安全规程》交通隧道允许振速10 cm/s;K，α 的取值参考表［11－12］1。

表1 不同岩性的K，α值Table 1 Values of K and α under different lithology

根据隧道爆破经验，在本工程中，掏槽眼某单段允许最大药量仅0.26 kg是不可能达到掏槽效果的。从未进入下穿立交时，由现场进行的爆破试验可知，单段最大装药量为3.1 kg，与允许最大单段装药量数据相差10多倍，仅靠目前的开挖方法是不能保证桩基安全的，必须采取相应的减震措施。

根据文献［5］施工经验。在隧道周边设减震孔，减震孔内均不装药，减少对桩基的爆破振动。在未进入立交段现场做试:首先在隧道周边打设一环φ150减震孔，监测发现振速为18.2 cm/s，高于允许值;后在隧道左右线相邻侧打设一环φ150减震孔，监测发现振速为6.6 cm/s，符合要求。

施工过程中，结合围岩情况，根据现场监测情况，参照表1及时调整K，α，从而确定一次单段最大装药量，严格控制装药量，确保桩基安全。

2.4 减震孔施工

隧道左右线周边沿开挖轮廓线环向设置一排减震孔，减震孔的间距为30 cm;隧道左右线相邻侧从拱顶向下到拱脚设置一排减震孔，减震孔的间距为30 cm，与开挖轮廓线减震孔层间距30 cm。减震孔采取水平钻进，孔径为φ150，每20 m一组，采用潜孔钻机施工。采用减震孔减弱爆破冲击波对桩基的扰动，保证悦来立交的安全，见图2。

2.4.1 测量放样

按要求，在掌子面上准确画出需施作的减震孔孔位。

图2 减震孔施工示意图Fig.2 Sketch of the vibration－absorption hole construction

2.4.2 搭钻孔平台、安装钻机

钻机平台设置在核心土上，钻孔由高孔位向低孔位进行。钻机要求与已设定好的孔口方向平行，必须精确核定钻机位置。用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

2.4.3 钻孔

钻头采用φ150，岩质较好的可以一次成孔。钻进时，产生坍孔、卡钻，需补注浆后再钻进。钻机开钻时，可低速低压，待成孔10 m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

认真做好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，为开挖洞身做地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

2.4.4 清孔验孔

用地质岩芯钻杆配合钻头(φ150)进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。用高压气从孔底向孔口清理钻渣，用经纬仪、测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。

2.5 隧道周边施工

隧道开挖采用光面爆破，在隧道周边布置减震孔开挖后，周边会出现很多减震孔的残孔，表面不平整，可能出现很多欠挖，采用爆破开挖施工难度大，可能造成较大的超挖。为保证开挖成型，采用液压破碎锤或铣挖机对减震孔周边残孔进行凿除。另外，施工减震孔爆破开挖后，相邻减震孔之间也可能残留大量岩壁，采用液压破碎锤或铣挖机处理难度相当大。因此，打眼时，可根据现场情况，在减震孔之间增设光面爆破炮孔，装适量炸药随开挖爆破。

2.6 初期支护及辅助措施施工

初期支护采用C25喷射混凝土、I18工字钢钢架、φ42超前小导管、拱部φ25中空注浆锚杆、边墙φ22砂浆锚杆、φ32钢筋对拉预应力锚杆及φ8钢筋网等，施工顺序:施作减震孔—开挖—初喷混凝土—架立钢架—超前锚杆、系统锚杆、对拉锚杆—铺设钢筋网—复喷混凝土至设计厚度，详见图3。

图3 初期支护示意图Fig.3 Primary support

2.6.1 超前支护

超前支护采用外径42 mm，壁厚3.5 mm，长3 m的热扎无缝钢管，钢管环向间距约30 cm，纵向间距1 m，搭接长度 2 m，外插角 100～150°，拱部140°范围施作。

钻孔采用φ50大钻头。安装时，小导管从工字钢腹板穿过或尾部焊接于钢拱架上，与钢拱架共同组成支护体系，尾端支撑于钢架上，也可焊接于系统锚杆的尾端。注浆采用KBY－50/70双液注浆机压注水泥－水玻璃浆液。

2.6.2 对拉预应力锚杆

为防止隧道左右线相邻侧中间岩柱施工过程中发生垮塌，危及施工安全，对中间岩柱采取加固措施，采用φ32螺纹钢筋对拉预应力锚杆［7］，设置范围为拱腰以下，长度依相邻侧中间岩柱长度而定，设置间距为1 m×1 m。对拉锚杆布置详见图4。

桩基尺寸1.5 m×1.5 m，施工对拉锚杆时应避开桩基，适当调整对拉锚杆位置，不能将对拉锚杆打在桩基上。

在先行隧道侧开挖后及时施作预应力水平对拉锚杆，进行初次张拉，在后行隧道开挖后，预应力水平对拉锚杆再次张拉至设计值。预应力张拉时，采用双控法，张拉设备为穿心式单作用千斤顶，一端面固定，一端张拉。锚杆固定端和张拉端沿纵向间隔一排布置，在同一截面上间隔进行张拉，以避免产生局部应力集中现象。螺纹钢筋的锚固需在没泵开动，压力表指针稳定行。千斤顶施加预应力时采用边张拉、边拧紧锚具的方法，施加初始预加力的相应油压值一般为设计油压的10%，以此作为丈量钢筋伸长的起算点。预拉力锚杆的张拉采用双控法，油压值的误差不超过±2%，伸长量的误差不超过 ±5%［6］。

施工时，应严格按设计参数施工，必要时，根据现场地质和监测情况，增加加固措施，确保施工安全和桩基安全。

图4 对拉锚杆布置示意图Fig.4 Layout of prestressed anchor bolt

3 施工监测

为及时反馈施工过程中的安全状况，在施工中需进行岩体位移、围岩压力、初期支护应变、爆破振速等监测，了解隧道开挖及初期支护变形情况、围岩压力变化规律、支护结构的稳定性、爆破振动等，以便及时发现问题及时处理，为隧道安全施工提供动态指导，确保隧道及桩基的安全。主要施工监测项目见表2。

4 结论与讨论

4.1 结论

地铁隧道下穿悦来立交工程施工中，通过理论计算、现场试验，根据监测结果，及时采取合理的减轻爆破振动、加强初期支护措施;采取打设减震孔减轻爆破对悦来立交桩基的振动;采取增加预应力对拉锚杆加固相邻隧道中间岩柱;用超前小导管加强拱顶支护，加上常规的喷射混凝土、钢架、钢筋网、系统锚杆等支护措施，以地质素描、超前探孔、施工监测为手段指导施工，既保证区间隧道安全通过下穿立交段施工，又确保了桩基安全，对周围环境、道路交通也没有造成不良影响，是类似工程中可行的施工方法之一。

表2 监控量测项目［10］Table 2 Projects of monitoring measurement

4.2 讨论

采用本文所述的施工方法和措施在下穿悦来立交工程施工中取得了成功，但在细节上还有一些地方需要改进，值得探讨，需要在实践中进一步验证。

1)减震孔施工参数没有很好的考虑经济因素和施工效率，需要在类似工程中逐步实践、探索、完善。

2)为了保护中间岩柱，施作了对拉预应力锚杆，原有的系统锚杆是否可以取消不做，需要理论指导、实践验证。

3)桩基等类似地下工程在GB 6722—2003《爆破安全规程》中，建筑物的安全允许振动标准表中没有专门的规定，本文参考交通隧道允许振速是否合理，值得推敲。

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