新建暗挖隧道下穿既有隧道施工控制技术研究发展概述

刘忠强+李旭

摘要： 随着近年来国家基础工程建设力度的加大，地铁暗挖隧道下穿既有隧道的施工项目逐渐增加。保证新建隧道的施工安全和既有隧道的正常运营是施工的重难点。本文通过对新建隧道下穿既有隧道的施工控制文献研究分析，论述了隧道载荷、振动爆破、监控量测对新建隧道下穿既有隧道的影响。结论认为，在修建此类隧道时采用工程类比法分析荷载，利用弱振动爆破形式，加强监控量测有利于保证施工的安全和既有隧道的正常运营。

Abstract： With the increase of national basic engineering construction in recent years， the construction projects of underground tunneling undercrossing the existing tunnels have gradually increased. It is a important and difficult task to ensure the construction safety of the new tunnel and the normal operation of the existing tunnel. This paper studied and analyzed the literature about the construction control of the newly built tunnel undercrossing the existing tunnel， and discussed the influence of the tunnel load， vibration blasting and monitoring measurement on the construction. The conclusion was that the use of engineering analogy method to analyze the load and the use of weak vibration blasting mode to strengthen the monitoring and measurement is beneficial to ensure the construction safety and the normal operation of the existing tunnels.

关键词： 下穿既有隧道；施工控制；隧道荷载分析；振动爆破；监控量测

Key words： undercrossing existing tunnel；construction control；tunnel load analysis；vibration blasting；monitoring measurement

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0238-03

0 引言

随着地下空间的不断开发和利用，同时伴随着“十三五”规划的推进，国家及政府对基础设施的资金、力度的大力投入和支持，城市地铁施工成为重点建设项目，然而在暗挖隧道工程规划与建设中，新建隧道下穿既有隧道类的施工项目随之不断增加，由于不同的地质条件、地形条件和运营情况等因素，这类工程在施工的过程中存在较大的安全隐患。而我国在此类工程中研究相对较少，因此在我国建设此类工程需要考虑国外的先进经验，针对性采取一定的措施，在保证施工安全的前提下，采用合理的施工技术及工艺流程，才能保证施工的顺利进行。在修建此类隧道时，新建隧道施工过程中，会对既有隧道围岩、衬砌等的受力特征及稳定性，变形、裂缝变化和正常的运营等产生影响。为了确保新建隧道施工时尽可能减少对既有隧道的扰动，应对其进行一定的施工控制，采取合适的施工方法，嚴格控制爆破试验获得的爆破参数进行爆破作业，按照监控量测方案进行监控，以确保既有隧道的安全[1]。

1 国内外研究发展现状

至今，针对新建隧道下穿既有隧道的工程，国内外研究较少，多数是对单孔隧道和水平平行隧道采用数值模拟的方法分析研究并取得了一些成果[2，3]，然而目前工程界对于小净距、大角度间距等下穿隧道的受力机理、施工过程力学形态等规律的认识尚有不足，缺乏一定系统性的研究，局限于半经验半解析解，在施工上较水平平行隧道更难于控制[4，5]。因此急需要对此类隧道的设计与施工等关键技术展开可行性研究工作。

在国内方面，陈先国，高波[6]利用ANSYS软件对地铁近距离平行隧道进行了模拟，分析了不同开挖顺序对隧道的影响，研究表明第二孔隧道的掘进对已修建的第一孔隧道有较大的影响。张志强，河川[7]以南京地铁区间盾构隧道下穿玄武湖公路隧道为例，并进行了三维有限元数值模拟研究，分析了不同推力作用下的变形及监测，结果表明应降低推进力—放慢掘进速度，不宜加大推进力—快速通过，且推进力量值切换点应在距离既有隧道正下方大于6m处，并加大对既有隧道底板的监控，以保证安全性。杨年华，刘慧[8]通过DYNA—2D程序对近距离爆破引起的隧道周边振动场的研究，论述了爆破性质、地质条件对爆破衰减的影响，并根据动分析，提出有关降低爆破振动的措施。毕继红[9]等运用有限元的基本理论，采用ANSYS软件对邻近隧道爆破震动对既有隧道进行了研究，分别就不同围岩类型、不同隧道间距下既有隧道的振动进行了分析。张玉军[10]等以丰泽街隧道下穿泉厦高速公路太平山隧道为例，进行了三维有限元计算，分析了围岩的应力和变形状态，给出了相应的开挖、支护的方法和施工时的监测内容的建议。

国外对于这方面的研究，日本研究较为突出，其出版的《近接隧道施工的设计与指南》详细分析了影响新建隧道与既有隧道的六大主要主要因素，包括：隧道的净距、立面相对位置关系、新建隧道的规模、施工方法、地形和地质条件、既有隧道衬砌结构的施工质量。其中，按隧道位置的相对关系划分交叠隧道相互影响的范围如表1[11，12]。endprint

SolimanE，DuddeckH[13]等采用有限元分析的方法对地层中近接两条地铁隧道开挖进行了力学分析，阐明了一个单孔隧道的应力与位移的变化，并比较得出了双孔隧道的相应变化。Chehade F H[14]等利用数值模拟的方法分析了修建双隧道，或修建与既有隧道相邻隧道时，隧道的相对位置和施工工程队衬砌的影响。

2 施工控制技术

隧道施工应坚持“二十一字原则”，即“管超前、预注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。施工方法的选取应遵循如下三条的判别原则：首先是充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态；其次是预支护原理的正确运用；最后是开挖能量最小原理。在施工中，应根据实际情况和设计要求采用合适的施工技术。本文研究的是新建隧道下穿既有隧道的施工控制，为了保证新建隧道施工的安全和既有隧道正常的运营，需要采取合理的措施和技术，特别是在隧道荷载分析，振动爆破，监控量测等方面。

2.1 隧道荷载分析 一般通过对隧道的荷载确定，才能根据隧道荷载范围制定合理并科学的隧道结构设计方案以及好的施工措施和技术。然而在此类下穿隧道的施工中，荷载所采用的一般是围岩的松动压力。围岩压力的确定目前常用的方法有下列三种：第一，现场实地测量法，此类方法是研究的发展方向，也是一种以实际为出发点的方法，但是由于受到测量设备和技术水平的局限，其计算方法还存在好多不足之处，仍然不能普遍采用；第二，理论公式计算法，它基于相关理论运用实践研究分析围岩压力的有效方法。由于围岩地质状态的改变，所用的计算参数难以取得确定的值，以及各种影响因素，要建立一种适合各种实际情况的通用围岩压力理论计算方法存在许多困难，因此也存在好些不足之处；最后是经验法或工程类比法，即统计法，这类方法的实施必须以大量的前期勘测与资料统计为基础，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，并作为后建工程确定围岩压力的依据的方法。此类方法能够较真实的反应围岩压力，故是目前使用较多的方法。对于隧道结构计算的结果不能直接用于荷载设计环节中，一方面，围岩的物理学参数不能被准确测定；其次是由于隧道所受荷载由可变荷载和永久性荷载控制，且其量级比较大，不能准确计算出；另一方面，隧道的自承能力不仅是由围岩自身所控制，还受施工时间、施工方法、支护形式等因素的影响。因此，计算值应加以修正再用于工程实践中。

2.2 振动爆破 爆破作为隧道开挖的一种方法，应根据不同的条件选择合理的爆破方法才能取得好的爆破效果。然而在新建隧道下穿既有隧道的爆破过程中，若以强振动爆破的方式开挖，会对既有隧道的框架结构以及受力等产生严重的影响，以威胁到隧道的质量安全。因此在此类隧道的开挖中一般采用弱振动的爆破形式，再者综合对一些工程的研究分析和监测，还需对既有隧道受爆眼的距离、装药情况、炸药类型、地层条件以及隧道健全度加以控制。爆破振动的破坏程度是以振动速度为衡量标准。根据《爆破安全规程》[15]规定，既有隧道允许的振动速度为小于10-12cm/s，施工过程中应该根据新建隧道与既有隧道岩层的垂直厚度来控制新建隧道开挖爆破的振动。在新建隧道与既有隧道的交叠处，需在其2-3倍洞径前后范围施工时，应合理控制爆破振动速度[16]，以保证施工的顺利进行。

通过对质点峰值的振动速度的控制，根据公认的前苏联学者萨道夫斯基经验公式[17]，可以得出爆破振动安全距离如下：

式中：R—爆心距测点距离，m；Q—最大段装药量，kg，齐发爆破取总装药量，微差爆破或秒差爆破取最大装药量；K—地质系数；？琢—爆破地震波衰减系数；V—测点因爆破引起的振速，cm/s；m—药量指数。

注：根据工程地质条件及《爆破安全规程》（GB6722—2003）确定经验公式法参数。

2.3 监控量测 监控量测是监视围岩稳定及判断设计与施工方法是否正确的重要手段，另一方面对于保证施工安全和提高经济效益也有积极的影响。隧道现场监控量测方案是基于隧道的地形地貌、支护结构、支护参数、隧道施工方法等条件确定的。监控量测项目有一部分是必测的，还有一部分选测的，主要根据围岩级别和现场条件具体确定監控量测项目。一般来说，必测项目能够为隧道施工提供更直观、更可靠的围岩状况的数据。本文所研究的隧道项目中，需要对既有隧道和新建隧道进行监控量测，根据所得数据指导施工活动，以进一步提高施工活动的安全系数。鉴于此，对于既有隧道和新建隧道进行及时的监控是必不可少的一项工作。

2.3.1 既有隧道的监测 对既有隧道的监测主要是根据对监测结果的研讨总结出一套符合实际的地层稳定性规律，同时掌握既有隧道衬砌的力学状态及其变化趋势，同时全面了解隧道结构变形、整体沉降、爆破振动速度、衬砌表面应变的影响作用，提前制定应急处理措施来应对一些安全隐患或安全事故，为支护参数的优化调整和施工方案的制定提供科学依据。按照常规操作方法，既有隧道的监测断面应该选在其左右线隧道中线与新建隧道中线交叉部位及其两侧对称布置[18]。

2.3.2 新建隧道的监测 根据围岩条件、隧道工程规模、支护类型和施工方法等进行监控量测项目的选择。此类新建隧道中主要对新建隧道水平相对净空变化、拱顶相对下沉、爆破振动速度等项目量测。如果发现地质变化幅度大，应采取相应的紧急措施来应对。再者应对所监测的数据进行分析与整理，及时的反馈和调整，以致于能很好地进行信息化施工。

2.3.3 交叉点的监测 在临近交叉点施工时，要加强对新建隧道和既有隧道的监控量测，对新、既隧道系统进行严密监控，加密测点，加大量测频率。通过监测分析结果，合理调整施工开挖方法、爆破参数及起爆方式，以确保既有隧道的安全和新建隧道的顺利施工。并且在交叉点施工后，应对既有隧道交叉点附近隧道衬砌结构应重新进行安全性评价，以确保随着时间的推移隧道也是安全的。

3 结论与展望

本文概述了隧道荷载分析、振动爆破、监控量测在新建隧道下穿既有隧道施工控制技术的研究。得到结论如下：①不同施工顺序和工艺流程对新建和既有隧道的影响程度分析和对比，采用工程类比法对隧道荷载的分析有助于设计环节中施工控制，同时也有利于提高施工效率，改善施工进度。②爆破振动对既有隧道的影响较大，要严格控制爆破的各种参数，严格控制其振速及爆破的距离，以确保安全性。③加强对既有隧道、新建隧道的监控量测，并及时进行信息反馈和预测预报，以指导现场施工。endprint

对于新建隧道下穿既有隧道的施工控制技术，除了以上主要三方面外，还包括支护的优化、施工方法的选取、加固措施的实施等。在以后的研究开发中可以通过实验法、统计法、数值分析法、模型模拟法等主要方法，也可以采用监测法、类比法、对比法等来对此类隧道进行研究分析，可以再结合国外的研究成果，形成一套相对成熟的技术理论和创新科技，能够为以后相关项目的设计施工提供可靠的理论支撑和丰富的施工经验，完善相关管理体系。

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