浅埋大断面隧道下穿建筑地表沉降控制与微爆研究

赵宝珠

(中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300)

1 引言

随着经济的快速发展，城市间的快速交通和城市地铁建设规模也不断扩大。我国属多山、多丘陵的国家，隧道穿越或跨越已有构筑物的立体交叉工程项目层出不穷。目前，在我国多山地区的浅埋隧道施工中，施工人员多使用钻爆法，而爆破带来的振动将会造成围岩应力的重分布，会使地表沉降量增大。因此浅埋隧道爆破施工时应注意对地层的下沉量和已有构筑物的影响。为降低爆破动工带来的地层沉降和已有构筑物结构的扰动，牛泽林[1]针对爆破法在复杂地质条件下大断面浅埋隧道下穿已有构筑物的应用，研究提出了一种综合爆破减振体系；李峰[2]针对朔州隧道围岩上软下硬的爆破环境，提出以弧形导坑预留核心土的方式施工上部软弱围岩、以水压爆破法施工下部坚硬围岩的工艺措施；朱泽兵[3]等人在重庆轻轨-大坪车站的爆破施工中，采用了分部开挖、浅眼多循环等措施来控制爆破振速，最终隧道顺利施工完成；崔可佳[4]对隧道使用爆破法动工引起的已有构筑物的沉降进行了探讨；阮清林[4]以长洪岭隧道施工为依托，提出钻爆法远距离穿越聚集住宅区隧道施工措施及注意事项；李新志[5]根据穆陵关隧道施工引起的地表沉降变形特征以及现场监测数据，针对性提出浅埋大跨隧道施工工艺；汪振伟[6]研究了降低都市隧道施工引起地层沉降的方法，并提出了地表沉降预测公式；陈虹[7]对城镇浅埋隧道钻爆施工中地表沉降变化规律进行研究，指出了在不同埋深和不同围岩条件下隧道施工对地层的影响范围；苏宇[8]以青岛地铁3号线在坚硬围岩环境下钻爆施工为依托，列出了构筑物对钻爆振动的响应特点；罗正[9]介绍了浅埋隧道钻爆振动对周边既有构筑物的扰动规律；黄名利[10]比较了不同爆破施工方案在长洪岭隧道施工引起的振动响应规律，结合工程实际最终选择非爆破开挖技术；董继涛[11]等通过对软弱围岩隧道近距穿越住宅区施工技术的研究，为现场施工提供指导。这些文献仅探究了钻爆动工对周边既有构筑物和地层沉降的扰动，并寻求方法改进以降低这些不利影响，但对于上部软弱围岩、下部坚硬围岩环境下的钻爆施工与围岩加固时机带来的冲突影响没有进行过多的探讨。如果首先加固处理围岩，则钻爆振动带来的扰动就会加大；而若不对围岩加固处理，钻爆动工可能因为围岩变形量过大发生坍塌事故。

本文在前期研究成果的基础上，针对浅埋大断面隧道上部软弱围岩、下部坚硬围岩的施工环境提出了先局部围岩超前加固，然后控爆施工，最后围岩全部加固的一套完整的隧道三维减振与围岩分步加固模型。该体系的应用既保证了新建隧道和已有构筑物的结构安全，又降低了浅埋隧道施工过程地层的沉降风险，成功化解了爆破施工和围岩加固时机的矛盾。

2 工程概况

狮子岭双线隧道位于温州市瓯海区泽雅镇境内，全长8 673.52 m。里程DK181＋160～DK181＋300为隧道施工浅埋段，开挖面积为164 m2，埋深10～30 m，且下穿龙峰山庄建筑密集区，其多为三至四层砖混结构。隧道开挖穿越已有构筑物25幢，平均埋深约14 m，其中里程DK181＋226.874处隧道拱顶距已有构筑物最小垂向距离约为10 m。隧道围岩在拱肩以上和拱腰局部部位为杂填土，下部为强、弱风化霏细斑岩，施工难度大、安全风险高。

3 模型构建与数值模拟

3.1 隧道三维减振与围岩分步加固模型的建立

由地质勘查资料可知，本里程段内隧道处于上软下硬的强风化地层中。隧道爆破施工过程中既要保证既有建(构)筑物结构和新建隧道的安全，又要控制地表沉降，这无疑给隧道设计和施工增添了难度和风险。因此，本文在前期研究成果[12]的基础上提出了先围岩局部超前加固与隔振，然后控爆施工，最后其余围岩全部加固的一套完整的隧道三维减振与围岩分步加固模型，见图1。

图1 三维减振与围岩分步加固模型(单位:cm)

该模型由三个模块组成:第一模块是围岩局部超前加固(半加固)和隔振体系，即将以往的超前大管棚与超前小导管一次性注浆改为间隔注浆，既起到了围岩的局部加固作用，又为隧道爆破施工提供了人造隔振槽，既降低了振速又发挥了超前注浆支护措施的梁效应和加固作用，实现了爆破隔振条件下的围岩加固和地表沉降控制，减少了围岩收敛变形；第二模块是控制爆破体系，即上台阶Ⅰ部分岩体的环形分层分段爆破开挖和上台阶Ⅱ部分岩体的环形分层分段爆破开挖；第三模块是开挖体系，即中台阶Ⅲ和下台阶Ⅳ的顺层分层分段爆破开挖。

3.2 数值模拟

本文以上述模型为基础，利用Midas软件分析模型的减振和沉降控制效果。为保证模拟结果的准确性，本文完全按照实际地形、地貌情况进行模型构建，模型长×宽×高为100 m×120 m×100 m，共49 590个四面体单元，见图2。

相关参数来源于地质勘察报告以及现场爆破资料。材料参数见表1，爆破参数见表2。

图2 三维数值模型

表1 材料参数

表2 爆破参数

本文以关键段落内埋深最浅断面DK181＋226.874(典型断面)处拱顶所对应的地表点(即图2中的测点1)为对象，根据数值结果分别绘制该质点的振动速度时程曲线和典型断面上每个地表点下沉位移曲线，见图3～图4。

图3 地表质点振动速度曲线

图4 地表各测点下沉位移曲线

4 现场试验

以数值分析结果为依据，本文将上述模型应用到狮子岭隧道的爆破施工中，以此来验证本模型的合理性和实操性。为此，本文仍以典型断面(DK181＋226.874)及其相关测点为讨论和分析对象，并绘制出该断面各测点实际的下沉位移曲线，见图5，测点1下沉位移时程曲线见图6，振动速度实测值见表3。

图5 实测地表各测点下沉位移曲线

图6 实测地表测点1下沉位移时程曲线

表3 测点1爆破振动速度实测值汇总

5 结果分析

(1)振速数据分析

从图3和表3可以看出，隧道爆破施工时振速最大值基本出现在爆破开挖第一步(掏槽孔爆破施工)，其数值模拟结果和实测值分别为1.59 cm/s和1.68 cm/s，相差不大且均未超过相关要求(V限＝2 cm/s)。同时还可以看出，后续爆破开挖施工，因综合减振系统和较大临空面的存在，其振速呈现出减小的趋势，从而证明了大管棚间隔注浆能够发挥较好的隔振作用。

(2)沉降数据分析

由图4～图5可知，地表沉降数值模拟结果与实测数据基本相同，隧道拱顶上方地表点(测点1)累计最大沉降量均在4.7 cm左右。根据本段落地质分布情况和隧道开挖尺寸，地表其它测点下沉累计位移量的数值解和实测值也较合理且相近。

从图6可知，在爆破施工完成后地表已发生了大部分的沉降，而后持续了一段时间才趋于稳定。从沉降变化量来看，本文提出的超前大管棚和超前小导管间隔注浆的方式能较好地阻止地表沉降，后续沉降稳定源于其它未注浆的大管棚和小导管进行了补充注浆以及仰拱和二衬的跟进。同时还可以看出，由于洞内注浆工作的开展有效地控制了地表沉降，并对其有一定的抬升效果，使得地表下沉随着注浆工作的持续进行而有一定的恢复，但恢复值并不大。

6 结论

在地质复杂的山区城镇，大断面浅埋隧道微爆施工技术对周边已有构筑物的安全有着非常重要的影响，因此，本文在总结前期研究成果的基础上提出了先局部加固后减振再加固的隧道三维减振与围岩分步加固模型，并通过理论分析和工程实际应用得出以下结论:

(1)实践证明，本文提出的隧道三维减振与围岩分步加固模型，对于在上软下硬复杂地层中，采用钻爆法修建浅埋大断面隧道时有较好的隔振、降振作用，为今后类似工程在爆破减振方面有重要的理论和实践借鉴价值。

(2)从数据分析可知，超前大管棚和超前小导管间隔注浆的方式能较好地阻止地表沉降，可为今后超前大管棚的设计提供理论支持。

(3)从本文分析可以看出，先局部加固后减振再注浆加固的方法对于采用钻爆法的浅埋大断面隧道来说，在减振、隔振的同时可以有效阻止围岩变形和控制地表沉降，并在有限范围内适当恢复地表下沉。

(4)研究表明，浅埋隧道地表沉降主要发生在爆破开挖过程中，对围岩必要的超前加固是保证已有构筑物结构安全的重要措施之一。