新建隧道下穿既有重载隧道施工控制技术研究

2020-12-18王海军王海龙李云赫

河北建筑工程学院学报 2020年3期

王海军赵岩王海龙李云赫

(1.北旺建设集团有限公司，河北承德 067400；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

近年来，随着客运专线、高速及城市轻轨等交通工程建设的迅猛发展，出现了许多下穿公路隧道、隧道及城市地铁隧道等地下工程，这些隧道工程的修建不同于一般的隧道工程，由于复杂的地形情况及既有隧道的影响范围，下穿隧道工程的设计及施工已经成为了现今国内外学者研究的重点难点[1-4].目前，正值2022年冬奥会筹办的重要时期，主要赛区城市北京及张家口交通基础设施的建设不可避免地会遇到城市地下工程及穿越山脉的隧道工程，特别是对于近接上下交叉隧道施工时，如何既确保既有干线的安全运营，又保证新建隧道的安全施工是须解决的关键问题[5-6].

目前国内外学者对上下型立体交叉隧道施工时的力学响应规律进行了大量的研究.龚伦[7]依托实际高铁隧道工程，分析了新建隧道穿越既有隧道过程中既有隧道不同点衬砌内力增量及沉降规律；樊磊[8]依托北京地铁7号线下穿既有隧道10号线车站工程，分析了两隧道的相互影响规律；包德勇[9]运用ANSYS软件对新建线路下穿既有高速公路进行了模拟，研究得到交叉隧道施工过程中的力学行为变化规律.马霁南[10]以南宁地铁一号线出段线与正线区间小净距交叉隧道为依托，采用两阶段位移法得到下穿施工诱发既有隧道衬砌的竖向位移解，并提出相应的交叉隧道加固措施.裴丽[11]依托重庆两江隧道开展了地下立体交叉隧道的相似模型试验和有限元模拟工作，研究立体隧道近接施工交叉部位一定范围内的稳定性影响规律及各种影响因素.付晓强[12]等以隧道施工下穿金阳步行街为工程背景.设计合理的装药结构和爆破参数，采用雷管跳段使用对起爆网络进行优化，成功将地表振动速度控制在规定的范围内.上述研究中既有隧道均为高铁隧道或者高速公路隧道，而对下穿既有重载隧道的交叉隧道工程较少，因此本文结合新建京张草帽山隧道下穿唐呼既有重载北草帽山隧道工程，介绍隧道交叉段的主要施工措施及实时监测技术，以期为类似工程提供借鉴.

1 工程概况

草帽山隧道位于河北张家口市，山势陡峭，山体大部分可见基岩暴露，地面高程674.14～809.02 m，相对高差80～110 m.隧道在DK173+954.4～DK174+970.9段下穿既有唐张重载铁路，交接里程DK173+962.6，平面交角65°，两隧道最小垂直净距约16 m.此段的地质情况为：第四系上更新统洪坡积层(Q3pl+dl)新黄土、黏性土、砂类土、碎石土；侏罗系上统四岔组第一段(Js1)凝灰岩；中生界侏罗纪上统陶北营第三段(Jt3)凝灰岩.

既有隧道设计为V级围岩，设计喷混厚度拱墙27 cm，仰拱25 cm，拱墙衬砌设计为50 cm，仰拱厚度为55 cm，仰拱填充厚度为124 cm，开挖断面净宽为1310 cm.该隧道于2015年通车运营.两隧道平面交叉位置如图1所示.

图1 既有唐呼北草帽山隧道与新建草帽山隧道相交示意图

2 主要施工技术

隧道施工遵循十八字方针，尤其是在新建草帽山隧道下穿段施工过程中须确保上跨唐呼重载隧道结构稳定及安全运营.为最大程度减小下方隧道开挖对上部既有隧道的不利影响，对下穿段采用如下施工措施.

2.1 超前小导管支护

小导管采用φ42热轧无缝钢管，外径42 mm，壁厚4 mm，导管上钻注浆孔，孔径6 mm，孔间距100 mm，前端加工成锥形，尾部1 m为的不钻孔的止浆段，尾部设加劲箍.小导管沿隧道拱部均匀布置，同钢架配合使用时，尾端应与钢架焊接.相临两环小导管之间的搭接长度不得小于1 m.小导管安装顶入长度不小于设计长度的90%.小导管安装完成后及时清孔，并用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土，以防止工作面坍塌.

钻孔后对小导管进行压浆处理，注浆压力一般为0.5～1 MPa，浆液采用1:1的水泥浆，注浆压力0.5～1 MPa.当压力达到设计注浆终压并稳定10～15 min，注浆量达到设计注浆量的80%以上时，结束注浆.注浆参数根据注浆试验结果及现场情况调整.注浆由两侧对称向中间进行，自下而上逐孔注浆，如有窜浆或跑浆时，采用间隔注浆，最后全部完成注浆.图2为隧道交叉段超前小导管施工效果图.

图2 交叉段超前小导管施工效果图

2.2 超前大管棚支护

管棚钢管用每节长4～6 m的热轧无缝钢管(Φ108 mm，壁厚6 mm)以丝扣连接(连接钢管采用长400 mm、Φ114 mm、壁厚6 mm的无缝钢管)而成，每根总长为30 m.在拱顶140°范围内设置超前长管棚，管棚环向间距中至中400 mm,外插角为0°～3°，管棚钻孔施工误差孔深误差不大于50 mm，环向不大于100 mm.

从左往右，奇数号采用钢花管，偶数号采用钢管，钢花管加工23根，钢管加工22根；钢花管上钻注浆孔，孔径6 mm，孔间距21 cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150 cm，端头20 cm加工成锥形.

将管棚钢管用钻机顶进打入孔中，打入长度不小于90%，管棚钢管安设后用塑胶泥封堵孔口及周围缝隙，防止漏浆.

管棚安装完成后进行注浆，浆液采用水灰比为1∶1的水泥浆液，注浆分别从两侧底部开始往拱顶方向.首先对钢花管进行单液注浆，注浆压力取0.5～2 MPa，根据实际情况调整注浆参数，注浆结束后采用M10水泥砂浆充填钢管，以提高管棚刚度.

在管棚施工期间缩小安全步距，按照仰拱封闭成环距离掌子面30 m，掌子面距离二衬端头70 m控制.图3为管棚钢管现场示意图.

图3 管棚钢管现场示意图

2.3 衬砌支护参数优化

新建草帽山隧道交叉段属于Ⅳ级围岩，但由于既有重载长期高幅值、低频率列车荷载对下穿隧道的影响，对下穿段DK173+954.4～DK174+970.9初期支护采用Ⅴ级加强支护，同时配合三台阶临时仰拱法开挖以保证既有隧道的安全运营及新建隧道的安全施工.其中，初期支护采用C30喷射混凝土，厚280 mm，钢筋网片采用φ8@20×20 cm，系统锚杆拱部采用φ22组合中空锚杆，边墙采用φ22砂浆锚杆，锚杆长度4.0 m，间距1.2×1.0 m(纵×环)梅花形布置；锁脚锚杆φ42无缝钢管，长度为4.5 m,且每处打设4根锁脚锚杆用来固定钢架；采用工字钢22a钢架支撑，钢架间距不大于0.8 m.仰拱衬砌采用C35混凝土，厚280 mm，二次衬砌采用C35混凝土，厚500 mm.

2.4 控制爆破施工

依据《爆破安全规程》(GB6722-2014)，可知爆破施工对于交通隧道引起的振动速度不得超过100 mm/s，考虑到新建草帽山隧道与既有重载北草帽山隧道的垂直净距仅为16 m且重载列车引起的长期振动对隧道结构带来的不利影响，因此此段隧道钻爆开挖引起既有隧道振速不得超过30 mm/s，以确保交叉段施工的安全.

由于爆破施工引起的振动与炸药类型、围岩类别、爆心距及连线方式等因素有关，因此在下穿段DK173+954.4～DK174+970.9要严格控制爆破.为了减轻爆破振动，炸药采用直径为32 mm的2#岩石乳化炸药.为保证爆破质量，周边孔采用间隔装药结构，掘进眼、内圈眼、底板眼采用连续装药结构，周边孔采用φ25的药卷.所有装药炮眼均采用炮泥堵塞，其中周边孔堵塞长度不小于200 mm.为了达到减振的效果，爆破施工采用多段雷管起爆，减小最大单响药量，同时雷管跳段使用，避免相邻雷管起爆引起共振.

控爆作业周边眼炮孔布置与光面爆破一致，其余炮孔按浅密原则布置，炸药均匀分布在各炮孔内，掏槽眼采用楔形掏槽形式.选用有足够段数的非电毫秒雷管，选用100 ms或200 ms或半秒级雷管，以进一步改善爆破效果，降低爆破振动强度.同时掏槽眼与周边眼要与大孔径空眼布置，以增大爆破临空面，达到减振的作用.

依据萨道夫斯基公式可以推导出最大单响药量的计算公式(1).

(1)

式中，R为两隧道的垂直净距16 m，ν为爆破安全振速3 cm/s，K、α根据现场试验得到，分别为K=181.69，α=1.81，由此可以得到交叉段最大单响药量为4.55 kg.

3 交叉段隧道监测

“勤量测”是隧道施工中重要的环节，尤其是在立体交叉隧道段的现场监测对判断围岩的稳定性、初期支护是否合理及仰拱二衬的施工时机均具有不可忽略的作用[13-14].

3.1 监测内容

本次监测内容主要包括新建下穿隧道围岩情况、新建隧道结构变形、既有隧道结构沉降及既有隧道结构振动速度四方面内容.通过隧道现场实测及时掌握交叉隧道围岩的变化情况及初期支护或二衬的力学性质变化情况，为交叉隧道施工及衬砌支护参数的优化提供可靠的科学依据.

3.2 洞内观察

对隧道掌子面及其支护结构进行观察，可以实时了解到隧道围岩产状、成分、颜色，支护结构初步受力特征及隧道支护后的整体稳定性，为之后隧道施工提供依据.

3.3 新建京张高铁草帽山下穿隧道段监测

在洞内按照要求布置监测点，该段洞内监控量测断面采用每10 m布设一个监测断面.开挖阶段每天测试2次，如出现变形速率加大时，则加密监测次数(日变形速率安全值为：5 mm/d).监控量测资料均用计算机配专业技术软件进行自动化初步分析、处理.根据实测数据分析、绘制各种表格及曲线图，当曲线趋于平衡时推算出最终值，并提示隧道结构的安全性.