临近既有病害隧道的隧道安全施工技术研究

陈 健

（中铁十一局集团第五工程有限公司 重庆 400037）

1 工程概况

成渝高速中梁山隧道扩容改造工程二标段工程位于重庆市沙坪坝区，采用城市快速路标准，双向车道设计，设计车速80 km／h。标段左线位于既有左线病害隧道北侧，全长1 883.281 m，起止桩号ZK4+493～ZK6+376.281，含中梁山隧道出口左线段1 565 m，路基段318.281 m；右线位于既有隧道右线南侧，全长1 853m，起止桩号YK4+458～YK6+311，含中梁山隧道出口右线段1 442 m，路基段411 m。

2 施工技术原理

对于本工程，临近既有病害隧道的隧道安全施工技术主要原理为：首先通过对成渝高速中梁山隧道扩容改造工程既有左侧病害隧道的外观检查，初步分析病害原因，建立病害隧道评价体系，提出维修及加固建议。然后在新建隧道与既有病害隧道的平面关系上建立计算模型，采用有限法分析爆破振动是否满足爆破安全规程，拟定隧道爆破设计方案。最后通过既有线爆破振速监测，优化爆破施工方案，调整装药量、孔深、孔间距等爆破参数及以“人工+机械”开挖达到设计及安全规程爆破振速要求。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

如图1所示，临近既有病害隧道的隧道安全施工工艺叙述如下：

（1）对既有病害隧道全面检测，建立病害隧道评价体系，提出防治措施，利用实时监控量测指导安全施工。

（2）利用 Midas GTS有限元分析软件建模分析临近既有线最小距离爆破振速（＜2 cm／s）的影响，从而确定新建左、右线爆破施工方法及是否能同时进行爆破作业。

图1 施工工艺流程

（3）将数据处理技术和信息反馈技术应用于施工，采用监控量测指导施工，从而动态修正施工方法及装药量、孔深、孔间距等爆破参数，确保施工安全、快速。

（4）在既有病害隧道与新建左右隧道之间新建横通道，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，由新建左右隧道的一侧向既有病害隧道方向进行爆破施工，当隧道爆破振速临近2 cm／s时，改由既有病害隧道的一侧向新建左右隧道的方向进行周边钻孔取芯与挖掘机炮头破除相结合的开挖方式。

3.2 操作要点

3.2.1 既有线隧道病害分析及评定

根据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2003）［1］的有关内容规定，对受检隧道进行检测时，应全面检查隧道结构的基本技术状况，系统掌握隧道结构的功能状态并作出合理评价，对隧道结构的运营安全性作出评估，为新建隧道的施工和制定养护工作计划提供依据。通过检测达到以下目的：

（1）分析各隧道已有资料，查明缺陷或潜在缺陷以及损伤的部位、性质、严重程度，初步查清产生缺陷和损伤的主要原因。

（2）以隧道为单位，进行病害汇总，分析和评价既存缺陷和损伤对隧道技术状况和功能状态的影响［2-3］，建立病害隧道评价体系，以本工程为例，具体评价如表1所示。

（3）积累资料，为新建隧道的施工提供可靠数据。

表1 病害隧道评价体系

加强日后对既有病害隧道的监测，坚持预防为主，早发现、早维护，发现病害问题并尽早采取处理措施。有效控制新建隧道施工过程中的爆破施工，保障既有病害安全［4］。

3.2.2 计算模型的建立

利用Midas GTS有限元分析软件建立以既有病害隧道为中心并包括新建左右隧道的矩形三维模型，如图2与图3所示。根据三维模型划分单元和节点，初衬、二次衬砌结构可采用板单元模拟，锚杆宜采用弹性梁单元模拟，围岩应采用库尔-库仑材料属性的实体单元，边界条件可采用阻尼弹簧单元模拟［5］；对于爆破振动引起的冲击载荷，采用时程载荷来模拟［6］，并通过等效原理转化为作用于开挖面上的压力，再进行计算分析，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，确定新建左右隧道与临近既有病害隧道的最小安全爆破距离、新建左右隧道爆破施工方法以及能否进行新建左右隧道的同时爆破作业，以确保后续的爆破安全。

图2 模型横断面位置图

图3 三维爆破分析模型

对于爆破施工引起的振动荷载，将其转化为时程荷载，然后作用于开挖面上，同时计算衬砌X／Y／Z方向的最大速度，如图4所示。

图4 衬砌X／Y／Z方向速度最大时等值线

采用爆破掘进开挖，新建隧道距离既有隧道最近时，动弹性模量约为静弹性模量倍数为2、5、10倍，见表2。

表2 新建左线隧道爆破开挖时既有隧道衬砌最大振速

通过数值模拟计算结果表明，当新建隧道左洞或者右洞距既有病害隧道最短距离分别爆破时，爆破振速满足控制要求；当新建隧道左右洞既有病害隧道最短距离同时爆破时，爆破振速不满足控制要求。

因此，对于新建左右隧道与既有病害隧道大于最小安全爆破距离的隧道段均可以采用爆破。全新的三维建模方式，使分析结果更真实、准确、可靠。

3.2.3 动态爆破振速控制

（1）炮孔布置方式

隧道爆破按照设计及规范要求由外至里依次是周边眼、辅助眼、掏槽眼三级，炮孔间距根据现场围岩情况及既有病害隧道振动速度监测数据进行实时动态调整。周边眼间距为40～50 cm；掏槽眼间距为200～280 cm，竖向间距为60 cm；辅助眼间距为60～80 cm。

（2）现场爆破参数设计

按照本隧道26 m处Ⅴ级围岩衬砌类型台阶法爆破施工计算下列参数（见表3）。

表3 爆破参数

炮眼数目：N＝q×S／γ。式中S为隧道断面面积（取59.8 m2），q为单位炸药消耗量，γ为每米炮眼的平均装药量（取0.4）。根据现场施工经验，取q＝1.0 kg／m3，算出 N＝1×59.8／0.4＝149.5个，本设计取N＝140个。

单次循环最大药量计算如下：Q＝qv＝qSLη，式中η为炮眼利用率，一般为0.8～0.95，本设计取0.8；Q＝qSLη＝1×59.8×1.6×0.8＝76.5 kg。

（3）爆破振动控制计算

根据《爆破安全规程》（GB 6722-2014）［7］规定了爆破振动峰值速度，为

式中：V为监控点所在质点振动峰值速度（cm／s）；R为监控点至爆源中心的距离（m）；Q为单次炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量（kg）；K、α是与爆破点至监测点间的地形、地质条件有关的系数和衰减系数。

根据爆区周边环境的情况，该地区地震波影响的最近建构筑物为既有隧道，为了尽量减少爆破对既有病害的影响，在26 m处振速控制在2.0 cm／s时计算一次爆破时允许一次齐爆药量。

通过爆破振动安全允许距离 R＝（K／V）1／αQ1／3，换算得出：Q＝［R×V1／α／K1／α］3；爆区距离最近建构筑物最小安全距离R＝26 m；安全允许振动速度V＝2.0 cm／s；地形地质条件相关系数 K＝150；地形地质条件相关衰减指数α＝1.8。根据以上计算出爆破震动安全允许距离是以R为26 m时，计算齐爆药量（单段最大装药量）为13.18 kg，本爆破设计最大一段药量为8号炮眼15段起爆11.5 kg，经计算完全达到控制爆破要求。

3.2.4 既有病害隧道监测

通过对既有病害裂缝和拱顶沉降监测，及时发现新建隧道施工对既有病害现状裂缝的影响情况，监测其宽度、长度等发展趋势。

对爆破振速实时监测，振速偏高时，动态调整爆破参数或开挖方式，保障既有病害隧道安全［8］。

通过对既有病害隧道监测分析出可能出现的结果，以拟用Midas GTS有限元分析软件选取各测点速度是否满足爆破安全规程为前提，在施工现场随时调整动态爆破参数的情况下，一系列监测数据（振速未超过2.0 cm／s；既有病害裂纹增加不明显）表明新建隧道极大降低了对既有病害隧道的影响，保证了既有病害隧道安全运营。

3.2.5 优化爆破参数

根据既有病害隧道内爆破振速监测数据及内裂纹监测情况进行调整，最大限度地减小爆破对既有病害隧道支护结构及中间围岩的不利影响。优化炮眼布置方式，并适时调整炮孔间距，进一步确保爆破安全［9-10］。图5为中梁山隧道开挖原炮眼布置，经分析优化后确定为图6的炮眼布置，该调整确保了既有病害隧道的爆破安全。

图5 原炮眼布置

图6 优化后的炮眼布置（炮眼布置及装药左右对称）

3.2.6 横通道“人工 +机械”开挖

在既有病害隧道与新建左右隧道之间新建横通道，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，由新建左右隧道的一侧向既有病害隧道方向进行爆破施工，当隧道爆破振速临近2 cm／s时，改由既有病害隧道的一侧向新建左右隧道的方向进行周边钻孔取芯与挖掘机炮头破除相结合的开挖方式［11-12］。

（1）工艺流程

施工工艺流程：测量放线→搭设简易台架→水磨钻机周边钻孔取芯→挖掘机炮头中心破除→出渣。

（2）测量放线

测量人员测量放线时，应用有明显标志颜色的油漆准确标出开挖断面的中线和轮廓线，画出周边的位置。

水磨钻钻孔孔位可沿轮廓线连续布置。由于水磨钻行程仅有60 cm，有效成孔深度在50 cm左右，需多次钻孔才能达到非爆区的设计循环进尺。

（3）搭设简易台架

用于钻孔台架采用脚手架搭设。垫三角木楔（板）→放置纵向扫地杆→逐根竖立杆→搭设第一层横向水平杆→铺设脚手板→搭设第二层横向水平杆→铺设脚手板→加设剪刀撑→加设斜撑。

（4）水磨钻机周边钻孔取芯

沿测量布置点均匀布置取芯，取芯点中心位于设计内径基线位置，取芯直径为170 mm，取芯外倾角为15°，取芯长度约600 mm，外周岩芯取完后中间岩体形成一个环形临空面。

（5）挖掘机炮锤施工

炮机开始凿打作业，炮机凿打作业分层分台阶进行，按照顺序依次破除，每层控制在2 m。

（6）出渣

凿打后的岩石用挖机、自卸车及时进行清理。

3.3 实施效果评价

图7为成渝高速中梁山隧道扩容改造工程二标段爆破施工对既有病害隧道的振动速度监测数据，监测数据发现，在施工周期内，爆破施工在既有病害隧道产生的振动速度均未超过2 cm／s，最大振动速度为2015年3月监测的1.86 cm／s，满足施工爆破振动控制要求。

图7 中梁山既有隧道施工爆破监测振动速度

临近既有病害隧道的安全施工技术的应用，有效地解决了新建隧道与既有病害隧道施工的干扰，在施工过程中减少材料费、人工费、机具费，降低工程造价，加快施工进度，取得较好的经济效益。在成渝高速中梁山隧道扩容改造工程二标段施工中，运用该施工技术，其经济效益显著，初步估计约降低成本205万元，具有较高的推广、应用价值，发展前景广阔。

4 结束语

通过在成渝高速中梁山隧道扩容改造工程二标段爆破施工过程中应用本技术，有效降低了爆破振速，控制隧道超欠挖，在保证隧道的施工质量的同时确保了既有病害隧道的安全运营。研究成果对临近既有病害隧道新建隧道安全施工具有很强的指导作用和重要意义。特别对于类似临近既有构筑物新建、扩建、改建地下工程（隧道、横通道）的开挖工程，具有较高的推广价值和社会效益。