隧道施工对周边构筑物的风险分析及控制措施

王 斌

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市 116024)

光明路主线为城市快速路，南起梭鱼湾20号路，顺接大连湾海底隧道，北至G201国道，路线全长6.952km。红线宽50～70m，断面为两块板，双向6车道。建设形式为道路、桥梁、隧道，全线设置四座互通立交：东方路立交、中华路立交、振连路立交、G201国道立交。

1 工程概况

光明路延伸工程隧道路线沿规划路由南向北，隧道采用分离式结构。东线隧道起讫桩号为K0+580～K2+450，全长1870m(其中暗埋段隧道段长1720m，南侧敞开段80m，北侧敞开段70m)；西线隧道起讫桩号为K0+578.344～K2+442.750，西线隧道全长1864.41m(其中暗埋段隧道段长1717.75m，南侧敞开段76.66m，北侧敞开段70m)，设计时速60km/h。隧道单洞净宽13.25m，行车道宽2×3.5m+3.75m，汽车荷载等级城—A级[1]。隧道内部结构尺寸见图1。

隧道采用复合式衬砌结构形式，衬砌内轮廓断面采用统一的形式：拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小圆连接。隧道主要穿越震旦系五行山群甘井子组(Zg)白云岩。围岩总体呈破碎～较完整。隧址区内中风化白云岩，属较坚硬岩。但该基岩为碳酸盐岩石，局部有岩溶发育，降低了整体的岩体强度。隧道走向与岩层走向斜交，洞室最大埋深58.1m，无高应力存在。隧道总体竖向布置为北侧敞开段(80m)接暗挖段(1610m)至南侧箱涵段(110m)后接南侧敞开段(70m),隧道总长为1870m。

2 施工方法

由于隧道是下穿城市生活区、石油化工工业区及配套区的城市暗挖隧道，周边环境复杂，洞身穿越岩层属较硬岩～硬岩；重点考虑安全、经济、可行等因素。并通过与钻爆法、盾构法比较，决定采用臂式掘进机法。

暗挖段施工时分别采用双侧壁导坑法、CRD法、CD法和台阶法。隧道四车道加宽段采用双侧壁导坑法；隧道三车道标准段Ⅴ级围岩加强支护段采用CRD法；隧道三车道标准段Ⅴ级围岩一般段采用CD法；隧道三车道标准段Ⅳ级围岩段采用台阶法。

南侧敞开段先放坡开挖，坡面采用坡率1∶1并设置框格锚杆护坡，然后继续向下采用坡率1∶0.3开挖并设置锚索挡墙结构。

南侧明洞段在西线暗挖隧道工作面在纵向上施做超过明洞2～3倍洞室宽度后，明洞处才可进行施工；先放坡开挖，坡面采用喷射混凝土并设置锚杆护坡，浇筑明洞并设置防水层，待混凝土强度达到100%后回填覆土。

北侧明挖部分段位于回填土区域，地势高低不平，高差较大，地质灾害危险性中等，为消除滑坡危险并利于施工，先进行了基坑一次开挖设计，对场地进行了平整，再设置降水井，降低地下水位，再采用放坡开挖，坡面采用喷射混凝土并设置锚杆护坡，在不影响暗挖隧道施工的条件下浇筑暗埋段结构。

3 风险分析

3.1 对周边道路的风险分析

隧道周边横穿、平行、斜交的道路共有11条，其中工程范围内主要有两条市政道路及一条厂区连接道路，分别是甘北路、山中街、厂区道路、罐区连接路。甘北路为双向四车道，机动车道宽14m，两侧人行道各宽3m；山中街为双向两车道，机动车道宽7m，两侧人行道各宽2～4m；罐区连接路为14m宽厂区路。

北侧连接厂区道路位于隧道明挖暗埋段，雨季降水后，浅埋段土体饱和、容重加大，雨水过后地下水位下降导致土在自重作用下有可能发生沉陷；隧道的开挖会对上部土体造成扰动，进而影响厂区道路，导致在某些薄弱区域将会产生相对较大的沉陷，同时暗埋段开挖或超挖会使基底产生反弹、扰动后，在回填土重量作用下，又使反弹、扰动(或超挖)部位产生较大的沉降值和差异沉降；南侧浅埋段围岩较破碎，暗挖隧道断面最大达18.96m，采用CRD工法开挖，施工可能造成土体扰动，进而造成路面开裂或沉降风险；甘北路计算的最大沉降值为1.1mm，由于地质条件不确定性等因素，计算中采用的岩土参数、计算模型如果与实际的地质情况、受力工况等存有偏差，则可能导致对地表沉降的预期不准确。

3.2 对周边建筑的风险分析

隧道下穿的主要建构筑物(社区)等约21处，受影响的学校3座、医院1座、厂区2处、罐区3处。表1给出的是隧道下穿敏感建筑物节点分析。

表1 隧道下穿敏感建筑物节点分析

由于地质条件不确定性等因素，计算中采用的岩土参数、计算模型如果与实际的地质情况、受力工况等存有偏差，则可能导致对地表沉降的预期不准确。同时，隧道开挖等可能引起周边土体扰动，继而引起结构的附加变形和应力[2]。地上建筑大都位于隧道暗挖段，隧道开挖进尺的大小、速度与开挖后支护的施工时间、衬砌的变形等对上部土体的影响可能导致坍塌冒顶引发地面塌陷，进而影响到周边建筑。

隧道下穿有机合成厂较近距离危险源有：

(1)2个750m3聚丙烯粉料罐边缘与隧道最小水平距离25m。

(2)2个丙烯卧灌边缘距隧道最小水平净距为26m。

图2 有机合成厂聚丙烯粉料罐、聚丙烯卧罐与隧道位置关系示意图

隧道北端暗挖隧道与箱涵交界处附近两侧为石化厂区储气罐区，暗挖隧道顶部距地面的距离为10～20m之间。

(3)液化气球罐车间储罐区距隧道最小水平净距为73m。

(4)明挖敞开段东侧为石化厂甲苯储存区，与隧道最近水平距离为122m。

(5)其余危险源车间距离隧道最小水平净距均在100m以上。

不论在地面上建造何种工程结构物，它总要坐落于地表或掩埋于土中，结构物的重量由地基土的支撑力和地下水的浮力来平衡，即通常所说的静力平衡，地基会因地下隧道开挖的扰动而发生沉降变形。而化工厂内设备、设施、储罐和地下管线一旦发生变形很可能导致破裂，物料泄漏发生火灾、爆炸、污染环境、生产瘫痪等事故。隧道开挖造成的地层移动主要由以下几个方面原因：施工引起的地层损失、周围地层受扰动孔隙水的变化，受剪破坏的重塑土再固结以及衬砌变形等。

分别对隧道拱顶下沉、周边收敛以及地表沉降进行计算分析，结果看出整个开挖过程中围岩总体变形量不大，整个断面开挖支护结束后拱顶最大竖向位移约为3.9mm，隧道拱腰最大水平围岩为0.6mm，地表最大沉降为2.8mm，洞周收敛值在相应规范允许范围内。

3.3 对周边管线的风险分析

隧道南、北侧明挖段及北侧箱涵段的管线为待拆迁管线。隧道周边管线主要集中在暗挖段，有机合成厂厂区(25种不同种类、管径)及以南的管线(29种不同管径、种类)有：燃气管线、热力管线、给水管线、雨水管线、通信管线、路灯等。

管线有埋地管和架空管，与隧道交叉或平行，管线直径有DN50、DN80及DN200。埋地管至隧道顶深度的埋深均值在10m左右，隧道开挖可能引起土体隆起或沉降，进而可能影响管线结构的变形和位移，造成管线损伤，气体泄漏；隧道施工质量不佳，如隧道衬砌变形、支护不及时等也会导致土体应力松弛，引发坍塌、沉降等地质灾害可能造成管线变形受损等影响。

有机合成厂以北至暗挖与箱涵交界处的地下管线至隧道顶的最大深度不超过6.42m，最小距离为4.9m。隧道在开挖过程中管线因受其周围土体受到施工扰动产生附加应力和附加位移，同时，由于管线的刚度大约为土体刚度的1000～3000倍，又必然会对周围土体的移动产生抵抗作用。管线对土体移动的抵制作用主要与管线的管径、刚度、接头类型以及所处位置有关。因此在这些形式的作用下，管线就有可能产生结构的破坏，管线有以下几种可能破坏的形式：梁式断裂、拉断、剪断、推断、撬断。

隧道明挖段东侧87m处有与隧道轴线平行的输油管线、输气管线(6种不同管径、种类)，其存在的风险：

(1)可能造成管道土体扰动、位移，甚至会导致长输管道位移、变形、破裂，引起危险事故；

(2)施工振动较大影响管线运行，可能导致位移、变形、破裂等情况，从而引发事故[3]。

在施工过程中对于浅埋段隧道开挖所处位置上部地表沉降隆起的监测是控制保护地下管线的重要环节，但是这一部分(尤其是监测)往往容易被施工人员所忽视，因此在地面沉降隆起变化较大时不能及时地反馈给施工管理人员，从而导致地下管线被损坏。

4 控制措施

隧道对周边建(构)筑物的风险主要源自于隧道的施工建设，因施工建设不当等导致上部土体受扰动进而影响到周边建(构)筑物，其中对施工工艺的要求更为严格。具体的风险控制措施如下所述：

(1)为控制施工进度，左、(中)、右导坑可同步作业，但应保证足够的纵向间距。上部台阶步距不宜过长，以3～5m为宜。严格控制单步开挖进尺，并严格控制超欠挖，及时找平、回填，以便达到开挖轮廓圆顺、开挖面平整，降低因应力集中引发安全风险的可能性。

(2)对于双侧壁导坑法，应严格控制侧壁钢架与拱部支撑连接质量，并确保各部钢架连接后位于同一垂直面内，避免钢架因受力扭曲。各步开挖后，应及时施作初期支护与临时支撑，尽早封闭成环。严格控制落底安全，边墙或仰拱开挖时，应注意上部支护结构的稳定，尤其是边墙部开挖时拟采用两侧交叉挖马口施作，避免上部断面两侧拱脚同时悬空。

(3)临时支撑应在仰拱封闭成环，围岩变形达到允许范围内时，才可考虑拆除，且一次拆除不宜超过15m。同时，加强超前预报与监控量测，尤其穿越浅埋段及围岩稳定性较差地段应加密监控量测的监测点和监测频率，并及时进行回馈。

(4)因暗挖隧道南北两侧埋深较浅，管道种类较多且与隧道的垂直距离较近，可以采取注浆隔离措施，在隧道开挖推进影响线上，通过一定深度和厚度的注浆加固，形成一个隔离层，控制隧道开挖对影响范围内的管线的变形。

5 结语

以大连市光明路延伸工程中隧道项目为实例，主要分析了隧道施工对周边构筑物(道路、建筑及管线)的安全风险，并提出了针对安全风险的控制措施，对相关类似城市隧道建设提供指导和借鉴意义。