新建隧道横通道钻爆法施工对既有隧道的影响研究

■ 蔡亦来

(1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路工程试验检测中心站，福州 350004)

近年来，随着高速公路提速和扩建加宽进程的加快，公路隧道开发利用规模不断扩大，隧道线路多线叠交和新建隧道近距离穿越既有隧道及其他各种地下建 (构)筑物的现象也与日俱增。由于受地质条件和施工水平的制约，隧道近距离施工难免会对周围岩土体产生扰动，造成地表沉降，近接隧道和邻近建(构)筑物开裂、破损甚至坍塌等严重环境危害。另一方面，随着我国交通基础设施建设的快速发展，隧道工程的规模也快速增加，公路隧道建设已经进入高数量、高难度、高技术、高风险的四高建设期，开展邻近隧道工程建设阶段的爆破影响研究也日益重要。隧道作为公路干线中的重点工程，其质量的好坏及安全程度直接影响着公路干线的正常运营，关系着国家交通运输事业和国民经济的发展。在以往复线隧道修建过程中，新建隧道钻爆开挖产生的爆破振动对临近既有隧道结构造成损坏，影响公路干线正常运营的事故也时有发生，给国家带来了巨大经济损失，严重影响了公路交通运输事业的发展和进步。

本文紧密依托新建隧道工程建设，针对近距离长大隧道主洞和横通道开挖爆破对既有多病害条件下的隧道的影响展开系统研究，力求避免设计、施工和运营阶段可能发生的事故，杜绝不必要的重大损失和社会负面影响，本文研究既具有重要的工程应用价值和现实意义，也具有一定的理论指导作用。

1 概况

本文所依托工程隧道为原有高速隧道扩容，扩容方案为在既有隧道两侧新建两个单洞两车道隧道。图1是新建隧道与既有隧道建成后效果图，红色为既有隧道，蓝色为新建隧道。新建隧道按新奥法设计，钻爆法施工。隧道属于特长隧道的范畴，对应于既有隧道也设置了车行横通道和人行横通道，其位置与左右线隧道正交。新建隧道与既有隧道对应位置的标高基本一致。

隧道工程区地层主要为一套海相与浅海海相碳酸岩盐、内陆相碎屑岩和碎屑岩沉积。出露的地层除白垩系、第三系缺失外，自二叠系至第四系均有不同程度的发育。其中，侏罗系出露厚度最大、分布最广，三叠系次之，二叠系最少。隧道岩性主要有灰岩、白云岩、盐溶角砾岩、泥灰岩 、砂岩等。 灰岩、白云岩、泥灰岩、角砾岩等碳酸岩盐主要出露于背斜轴部，呈长条状展布；背斜两翼主要以砂岩、泥质岩等为主，具有较大的分布面积。

既有隧道V级围岩段衬砌采用50cm素混凝土，初期支护为18cm厚喷射C20混凝土；采用长3.5m的φ22砂浆锚杆。Ⅳ级围岩段隧道初支为14cm厚C20喷射混凝土，长3.0m的Φ22浆锚杆。

新建隧道V级围岩初期支护采用Φ42小导管，喷射厚25cm的C25混凝土，内设间距80cmI18型钢，间距20×20cm的Φ8钢筋网。在拱部和边墙分别采用间距100(环)×80(纵)cm长度3.5m的Φ25中空注浆锚杆和Φ22砂浆锚杆，隧道二次衬砌为厚50cm的C30钢筋混凝土。

图1 新建隧道与既有隧道效果图

2 计算方法及参数的确定

2.1 基本假定

为简便起见，在建模计算和有限元分析中做如下基本假定：

(1)隧道岩土体的开挖是瞬间过程，即不考虑岩土体时间效应；

(2)岩土体是各向同性、连续的弹塑性材料，材料塑性屈服准则采用 屈服准则；

(3)初始地应力仅考虑重力荷载作用。

2.2 计算参数

有限元计算参数中，新建横通道初期支护按C25混凝土选取，二衬按C30混凝土选取，既有隧道二次衬砌为C25混凝土。围岩力学参数采用新建隧道工程勘察报告中建议值，见表1。

表1 新建隧道岩土体设计参数表

2.3 车行横通道

2.3.1 新建右三号车行横通道的选取

本文选取右三号车行横通道位于新建隧道YK4+145和既有隧道JYK4+157.34处。既有隧道围岩条件最差，主要为黑色炭质页岩夹泥质页岩、泥质粉硬岩，岩层破碎，节理极为发育，富含地下水。该通道位于既有隧道右线紧急停车带区域，根据设计可知，在右三号车行横通道断面处，新建隧道围岩等级为V级，以燧石灰岩为主，溶洞溶隙发育，位于断层影响带范围内，岩体破碎，围岩自稳能力差，地下水十分发育，受断层影响龙潭组煤系地层中瓦斯易沿溶隙、裂隙涌出，瓦斯涌出量大。

右三号车行横通道与既有右线隧道及其人行横通道的位置关系见图2。

图2 右三号车行横通道与既有隧道平面位置关系

2.3.2 计算模型

取右三号车行横通道、既有隧道右线紧急停车带以及该区域既有人行横通道作为计算区域，建立有限元计算模型。底面施加三向位移约束，模型4个侧面施加法向位移约束。隧道埋深约310m，模型顶面距离地表约190m，在模型顶面施加上覆岩体重力荷载6032kPa。计算模型共64358个节点，45696个单元，如图2、图3.

图3 右三号车行横通道计算模型

2.3.3 横通道施工前的计算结果与分析

在右三号车行横通道施工前，首先进行既有隧道与人行横通道的施工工况模拟，分三个步骤进行计算：

(1)在重力荷载作用下进行地应力平衡；

(2)开挖既有右线隧道与人行横通道；

(3)施加既有右线隧道与人行横通道衬砌。

计算获得的既有右线隧道、既有人行横通道二次衬砌第一主应力与第三主应力分布情况如图4。

图4 右三号车行横通道开挖前既有隧道衬砌应力

右三号车行横通道开挖前，主线隧道与既有人行横通道第一、第三主应力最大值与分布位置见表2。在右三号车行横通道开挖前，既有右线隧道衬砌第一主应力整体较小，在一般部位均小于1.35kPa，在边墙脚部与人行横通道交界处较大，最大值为16.25kPa(拉应力)，小于C25混凝土抗拉强度1.27MPa，位于既有隧道拱腰与既有人行横通道相交处；既有右线隧道第三主应力整体较小，最大值-51.30kPa(压应力)，小于C25混凝土抗压强度11.90MPa，位于边墙脚与既有隧道交界处。

既有人行横通道衬砌大部分区域的第一主应力数值较小，小于C25混凝土抗拉强度1.27MPa，局部最大值为2.21kPa(拉应力)，位于拱肩与主线隧道交界线附近；第三主应力最大值-4.93kPa(压应力)，小于C25混凝土抗压强度11.90MPa，位于边墙脚与主线隧道交界处。

表2 右三号车行横通道开挖前衬砌应力最大值

右三号车行横通道开挖前，既有隧道人行横通道位置处的围岩位移见图5。

在既有人行横通道纵剖面上，x向 (垂直于主线隧道方向)围岩最大位移1.479mm，位于人行横通道与主线相交处；竖向最大沉降6.315mm，最大隆起4.143mm；垂直于人行横通道方向最大水平位移1.891mm，位于人行横通道与主线隧道接口位置。

右三号车行横通道开挖前，原隧道人行横通道与右线隧道相交区域围岩塑性区分布情况见图6。由图可见塑性区主要分布在人行横通道与主线隧道相交区域以及主线隧道拱肩、边墙脚附近。

2.3.4 横通道施工后的计算结果与分析

本节数值模拟右三号车行横通道施工过程，包括对既有右线隧道衬砌拆除、新建三号车行横通道的开挖和施加支护。

既有右线隧道、人行横通道与三号车行横通道衬砌第一主应力与第三主应力计算结果如图7。

图5 右三号车行横通道开挖前人行横通道纵断面围岩位移

图6 右三号车行横通道开挖前人行横通道处围岩塑性区分布

在新建右三号车行横通道施作后，既有右线隧道衬砌第一主应力整体较小，在一般部位均小于0.80MPa；个别部位最大值为9.34MPa(拉应力)，大于C25混凝土抗拉强度1.27MPa，位于既有隧道边墙脚与新建车行横通道相交处；既有右线隧道第三主应力整体较小，大部分区域小于-1.70MPa，最大值-20.52MPa(压应力)，大于 C25混凝土抗强度11.90MPa，位于拱腰与新建车行横通道相交处。

图7 右三号车行横通道开挖后隧道衬砌应力

既有人行横通道衬砌第一主应力大部分区域小于53.45kPa，最大值为0.64MPa(拉应力)，位于边墙脚与主线隧道交界线附近，小于C25混凝土抗拉强度1.27MP；第三主应力力最大值-2.27MPa(压应力)，小于混凝土C25抗压强度11.90MPa，位于拱肩与主线隧道交界处。

右三号车行横通道开挖后，主线隧道与既有人行横通道第一、第一主应力最大值与分布位置见表3。

右三号车行横通道断面围岩在坐标轴三个方向的位移分布情况见图8。

表3 右三号车行横通道开挖后衬砌应力最大值

图8 右三号车行横通道开挖后围岩位移

右三号车行横通道开挖后，隧道围岩位移整体较小。垂直于既有隧道轴线水平位移最大值出现在右三号车行横通道与既有右线隧道交接部位，量值为2.532mm；围岩最大沉降位于主线隧道拱顶，为7.780mm，最大隆起位于主线隧道底板，为4.513，mm；垂直于右三号车行横通道围岩最大位移2.042mm，位于既有人行横通道与主线隧道相交区域。

右三号车行横通道开挖后，围岩塑性区分布见图9。塑性区主要分布在右三号车行横通道与既有右线隧道交界线周边，以及既有隧道拱肩、拱腰与边墙脚区域。原人行横通道纵断面围岩塑性区范围也较大。

图9 右三号车行横通道开挖后围岩塑性区分布

3 监控量测结果与分析

为加强观测确保横通道施工安全，一方面对监控量测断面按间距5m加密布置，另一方面还结合上章计算结果，除了将常规的隧道顶部、边墙及隧道拱脚部作为稳定性监控的重点控制部位外，还特别增设了边墙沉降测点，具体测点布置示意图如图10。测量中量测频率及精度要求根据现《公路隧道施工技术规范》规定进行。

图10 测点、测线布置示意图

图11中蓝色数据点为右三号车行横通道(位于新建隧道桩号YK4+145)处的边墙竖向变形测点监测曲线。由图11可以看出，右三号车行横通道可划分为快速增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段。右三号车行横通道在开挖后前6天的时间段内变形较快，变化速率为0.8～1.5mm/d，最终变形为3.3mm。

图11 边墙竖向变形时程曲线图

为分析探讨隧道围岩变形规律，现选取右三号车行横通道中靠近既有隧道处的监测断面进行分析。

(1)拱顶沉降

典型的拱顶沉降时程曲线见图12。

由图12分析可知，横通道的隧道拱顶沉降其随时间的变形特征可划分为快速增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段，并在12天之后基本趋于稳定，呈收敛趋势，具体如表4。以右三号车行横通道拱顶沉降快速增长阶段为前6天，变形速率约为1.0～2.0mm/d，随后一个星期变形速率约为0.1～1.5mm/d，随后趋于稳定，累计位移最大为9.37mm。

图12 拱顶沉降时程曲线图

(2)周边收敛

典型的周边收敛时程曲线见图13。

图13 周边收敛时程曲线图

由图13分析可知，横通道的隧道周边收敛其随时间的变形特征也可划分为快速增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段，14天之后基本趋于稳定，呈收敛趋势，具体见表5。右三号车行横通道测点的周边收敛快速增长阶段约5天，变形速率约为0.9～1.2mm/d，随后一个星期变形速率约为0～0.25mm/d，随后趋于稳定。右三号 横通道累计收敛最大为3.12mm。

表4 拱顶沉降位移阶段划分及特征

表5 周边收敛位移阶段划分及特征

综上所述，新建隧道右三号车行横通道区段施工，其支护结构及围岩变形总体上呈收敛趋势，这表明新建隧道在经历了一段时间后变形趋于稳定，同时也表明已有支护及施工措施可保证隧道围岩的稳定性与安全。

右三号车行横通道(新建隧道YK4+145处)典型断面的拱顶沉降、周边收敛数值计算结果与监控量测值的比较见表6。由该表可以看出，右三号车行横通道典型断面实测终值为数值模拟结果的81%～83%，比数值模拟结果减小约20%，即监控量测实测值约为数值模拟结果的80%左右。由于监控量测总是在开挖完成且初期支护实施后才能埋设测点并开始测量计算，因此监测工作不可避免地存在一定程度的滞后性，无法及时测量测点埋设前的隧道围岩的沉降及收敛变形，因此实测数据较计算结果减少约20%，这实际上是对未能及时测得的变形损失的反映。另外，监控量测数据与数值计算结果在隧道围岩总体变形趋势及最终位移量值方面其吻合程度也较好，这表明本文所使用计算方法及其结果是可靠的，可以为具体的施工实践提供指导和帮助。

表6 实测值与数值模拟结果对比

4 结论与展望

(1)新建横通道监控量测数据与数值计算结果在隧道围岩总体变形趋势及最终位移量值方面其吻合程度较好，表明本文所使用的计算方法及其结果是可靠的，可以为具体的施工实践提供指导和帮助。

(2)工程地质条件一直难于被人们所充分了解和掌握。即使有充分的地质勘探技术和资金支持，囿于山岭隧道沿线地形地貌多变，地质单元类型复杂多样，现有的勘察设计也不可能完全摸清弄透隧道的所有地质条件。因此，以地质模型为依托的有限元计算模型也只能是在一定程度上的近似，有限元分析在先天上就具有缺陷。如何更精确查明地质条件，根据实际工程和地质状况，建立最优的数值计算模型并寻找最佳的计算方法进行计算研究应该是我们隧道工程领域共同的追求。

(3)本文主要选用的是振动速度为研究对象，振动速度能否成为振动安全的唯一判据目前还有深入研究的必要。为了更接近实际情况，今后研究中可将频率、振动持续时间等引入爆破振动研究，建立三参数甚至四参数的模型必将更真实地反应工程的实际情况。