丹平路猫公坝隧道上穿供水隧道的风险控制

2013-08-06车明升

城市道桥与防洪 2013年4期

车明升

（深圳市交通公用设施建设中心，广东深圳 518040）

1 工程概况

随着我国铁路、公路及市政建设事业的高速发展，越来越多的隧道工程投入建设。受地物、地形和地质条件等因素的限制，同一场地区域内两条隧道在不同高度位置相互穿越的情况逐渐增多[1]。许多新建隧道与既有隧道之间净距较近，施工过程影响既有隧道结构，影响其运营安全的情况时有发生。

深圳市丹平快速路是《深圳市干线道路网规划》中“七横十三纵”的重要组成部分。道路性质为城市快速路；设计行车速度80 km/h。

猫公坝隧道位于丹平快速路主线桩号K3+257～K3+939位置上，穿越深圳水库北侧的猫公坝山。该处围岩为第四系坡积、残积土、不同风化程度混合花岗岩。

猫公坝隧道左线长度678 m，右线长度673 m，结构形式为小净距复合衬砌隧道。

猫公坝隧道（拟建）左线与现况既有布吉水厂供水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角55°、净距3.7 m），同时与深圳市东部引水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角43°、净距19.8m），如图1所示。

鉴于两条供水隧道的重要作用，新建猫公坝隧道必须保证供水隧道的结构安全。

2 工程地质与水文地质条件

猫公坝隧道洞口段属于山岭岗丘地貌，风化厚度较大，地形较平缓，洞口多为第四系坡残积土及不同程度风化基岩，洞口现状稳定性好，无滑坡、崩塌等不良地质现象。左线该处围岩为第四系坡积、残积土、不同风化程度混合花岗岩，岩体为结构碎块状镶嵌结构或松散结构。滴水或渗水为主。围岩开挖后无自稳能力。右线该处围岩为第四系坡积、残积土、不同风化程度混合花岗岩、碎裂岩及F6断裂糜棱岩带，岩体为结构碎块状镶嵌结构或松散结构。滴水或渗水为主，局部出现线状流水。围岩开挖后无自稳能力。

图1 交叉隧道位置及三条隧道断面图

根据区内地下水赋存条件及含水岩组特征，将其划分为松散土类孔隙水、基岩裂隙水两种类型。

2.1 松散土类孔隙水

分布在人工填土层、第四系冲洪积砾砂和坡残坡积层的颗粒孔隙之中，属潜水性质。地下水主要接受大气降雨和基岩裂隙水的补给，沿沟谷排泄于地表或下部基岩裂隙水中，水位和水量受季节变化明显。受含水层分布范围、厚度，地下水补给来源的限制，水量中等～贫乏。

2.2 基岩裂隙水

分布在区内基岩山区及第四系孔隙潜水的下部，主要为块状岩裂隙水，含水岩组为加里东期混合花岗岩或侏罗系砂岩。水力性质以潜水为主，在山间谷地一带局部具承压性质。地下水主要接受大气降雨补给，由于区内地形高差大，地下水迳流通畅，排泄于山间低洼的沟谷溪流和附近的水库之中，地下水动态较不稳定，雨季和降雨后地下水位上升，水量增大；枯季则地下水位降低，水量减少。

3 工程安全性评价标准

地下近接施工之所以会对既有结构的稳定性和安全性造成影响，主要是因为新建地下工程施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布.进而引起地层变形。而上跨隧道施工是在经过至少一次扰动的围岩中再次进行洞室开挖，其力学过程要相对复杂，既有结构的变形往往是上跨施工关注的重点。其变形是地层变形的直接结果。而既有隧道的存在同样也会反作用于地层，使其变形与自由场地层不同。

隧道近距离穿越对既有隧道变形的影响主要包括横向和纵向两个方面[2]。对隧道横向变形的认识目前比较充分，主要是在其横向结构特性上。在抗压强度足够时，由于衬砌采取了合理的柔性设计思想，衬砌周围的岩土压力和抗力总是趋于将衬砌环压紧。只要衬砌环不首先破坏，隧道横向结构的稳定性及承载能力是可以保证的。

但有时会受结构纵向变形的影响。隧道纵向结构适应竖直变位的能力比较低，因此隧道的竖直沉降或上浮对隧道结构相当不利。在隧道竖直变位和曲率达到一定程度以后，会导致隧道环向结构缝将张开过大，结构缝防水系统失效；衬砌结构产生环向裂缝，降低结构耐久性，缩短结构使用年限。情况最不利时，可能导致隧道纵向弯拉破坏。

基于以上原因，应对新建隧道开挖时，既有隧道纵向结构竖直变位和所形成变位曲线的曲率半径进行严格控制。上海地铁技术保护标准要求为：周围施工引起的隧道纵向沉降不能大于5 mm，纵向沉降曲线半径不能小于15000 m。在该项工程中，由于布吉供水管在隧道内，可以适当降低要求，对布吉供水隧道要求纵向结构竖直变位不大于10 mm，变位曲线的曲率半径不小于10000 m的控制指标。深圳市东部引水隧道由于是重力流输水方式隧道，输水直接在隧道内,因此对结构安全要求较高。结构采用上海地铁技术保护标准：要求竖直变位不大于5 mm，变位曲线的曲率半径不小于15000 m的控制指标。

4 施工控制与处理措施

4.1 施工方法及钻爆控制

在施工方法上采用双侧壁导洞法开挖，最大限度地减小对既有隧道的影响；如地质情况允许，应采用人工和机械开挖混合的方式以避免爆破振动对既有隧道的影响。

如地质情况决定必须采用钻爆施工，施工中应对爆破振动速度进行严格控制：（1）爆破产生的震动不能对既有隧道衬砌产生破坏效应。（2）爆破飞石必须控制在安全范围内，确保人员和设备安全。

新建隧道爆破时，既有隧道的振动速度应控制在在10 cm/s以内。为了达到减振的目的应将一次爆破的所有药孔分成较多段按顺序起爆；段数越多，单段爆破最大药量就越少。这种分段微差爆破方式能有效地降低最大振动速度。

同时为避免微差爆破延时不够或延时误差造成应力波叠加，使振动加强，在选择雷管段数时，应加大相邻段别的段位差[3～4]。

如果分段微差爆破方式的减振效果仍无法满足要求，可以进一步采用缩短爆破进尺，缩短炮孔长度，降低单孔装药量等方式最大限度地降低爆破振动对既有隧道的影响。

4.2 中夹岩体的加固

新建猫公坝隧道与布吉供水隧道间最小净距为3.7 m。为了减少既有隧道上浮值，降低新建隧道施工对既有隧道的影响，应对中夹岩体进行加固。该项工程采用中空注浆锚管（D=50 mm、L=4 m、下倾角45°）进行加固。新建隧道仰拱部分锚管环向间距35 cm，隧道纵向每2 m设置一排；加固范围为猫公坝隧道与布吉供水隧道相交点两侧各30 m范围内的仰拱以下岩体（见图2）。

图2 中夹岩体加固方案示意图

4.3 既有隧道的监控量测

从工程类比及计算分析可以判定，猫公坝隧道施工对东部引水隧道的影响很小，但是对布吉供水隧道存在一定的影响。为了详细摸清这一影响的规律，彻底消除工程隐患，为动态设计提供依据，新建隧道施工过程中应对布吉供水隧道进行周密的监控量测。根据工程具体需要拟定监控量测方案见表1所列，量测断面布置见图3所示。

表1 监控量测项目及量测方法一览表

图3 量测断面布置示意图

监控量测范围为猫公坝隧道与布吉供水隧道相交点两侧各40 m范围内的布吉供水隧道。

猫公坝隧道施工过程中如出现既有隧道竖向位移值突然增大，位移速度加速等情况，量测频率应增加。进行既有隧道洞内状况观察时应在新建隧道每次爆破后都要观察，一般应每天观察一次；量测元件的安设及初读的时间应在爆破后24 h内，并在下一次爆破之前完成。水平净空变化量测和拱顶竖向位移量测应设在同一断面，并可采用断面仪进行量测。

量测数据统计分析和信息反馈：（1）施工期间，监测人员在每次监测后根据监测数据绘制拱顶下沉、衬砌表面应力、爆破震速、水平位移等随时间及工作面距离变化的时态曲线，了解其变化趋势，并对初期的时态曲线进行回归分析。预测可能出现的最大值和变化速率。根据拱顶下沉、水平位移量大小和变化速率，综合判定围岩和支护结构的稳定性。并根据变形管理等级及时反馈给设计和施工人员。（2）数据统计和分析：将量测记录及时录入计算机，根据记录绘制洞内各测点的位移u-时间t的关系曲线（见图4）。

图4 位移u-时间t关系曲线图

若位移u-时间t关系曲线如图4中（b）所示出现反常。表明围岩和支护已呈不稳定状态，应加强支护，必要时暂停开挖并进行施工处理。

当位移u-时间t关系曲线如图4中（a）所示趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，从而推算最终位移值和掌握位移变化规律。

各测试项目的位移速率明显收敛、围岩基本稳定后，才能进行下步施工。

4.4 既有隧道的加固

隧道工程地质和水文地质情况存在一定的不确定性，并且从现场情况来看布吉供水隧道建成于1991年，其衬砌环向变形缝和施工缝有比较明显的渗漏水现象，衬砌局部存在裂缝，也有渗漏水现象出现。

鉴于以上原因，将布吉供水隧道的加固分为三个阶段：

（1）新建隧道开挖前，对布吉供水隧道内部裂缝进行嵌缝补强，同时增设变形缝和施工缝防水措施：

布吉供水隧道二衬内表面存在少量裂缝，裂缝的宽度、深度都不大。采用高强水泥浆对裂缝进行补强。沿裂缝延伸范围凿成楔型槽，槽宽不小于5 cm，深度接近裂缝宽度，槽体外窄内宽，用水冲洗干净后，用高强水泥浆嵌补。

在衬砌环向变形缝和施工缝靠隧道内部一侧，先对缝体进行清理，施工缝则需要延环向开凿宽4 cm,深3 cm的槽体。缝体、槽体用水冲洗干净后，采用聚氨酯遇水膨胀止水胶进行环向挤抹，以起到增强缝体防水性能的作用。

（2）新建隧道开挖过程中，如布吉供水隧道确实产生较多新的裂缝，可以采用喷射混凝土的方法对裂缝进行补强。喷射混凝土可以使已裂损的块体紧密结合，阻止这些块体进一步松动[5]。同时在喷射压力作用下混凝土嵌入裂缝内一定深度，使裂缝粘结闭合，增强了裂损衬砌的整体性，可以大幅度提高裂损衬砌的承载能力，达到加固的目的。当裂损较严重时，可将喷射混凝土与钢筋网结合使用已达到更好的加固效果。

（3）新建隧道开挖过程中，如确实对布吉供水隧道的结构安全产生重大影响，或裂缝密集，裂缝的深度和宽度影响混凝土整体性，或二衬有掉块，发生较大变形和裂损，则应采用钢骨混凝土拱架整体替换原有二衬。方法是将原有二衬环向整环凿槽，嵌入型钢拱架，拱架之间用纵向钢筋连接，施工完拱架后用模筑混凝土封闭。