超大断面超小净距交叉隧道施工安全风险分析

楚兴华 周江锋 于国垒

(1.珠海大横琴股份有限公司，广东 珠海 519000； 2.中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 100000)

0 引言

随着我国城市化的快速推进和基础建设的大力发展，隧道工程大量涌现，而且规模不断扩大，由于建设时序的原因，必然会存在后续工程对临近既有隧道造成影响的问题。隧道开挖对临近或下卧已建隧道的影响是一个复杂和动态变化的过程，虽然大部分都控制比较到位，但也出现了一些风险事件，针对这方面的研究也越来越引起学者们的重视[1，2]。

陶连金等提出了盾构隧道穿越既有地铁车站结构安全的评估方法[3]；杨树才结合我国建设实际首次建立了一套贯穿地下工程建设全过程的安全风险动态管控模式[4]；孙长军[5]、宋瑞刚[6]依托北京、大连等地的大量隧道近接施工案例，采用现场调研、理论分析、数值计算等方法，系统研究了近接施工安全风险控制技术。然而，现有对超大断面(跨度大于20 m)、超小净距(净距小于5 m)的重叠交叉隧道施工安全的风险研究仍然较为少见。

有鉴于此，本文以大横琴山隧道和珠海机场城际轨道交通铁路隧道(以下简称珠机城轨)重叠交叉段为研究对象，根据工程自身现状，搜集调研类似工程，通过风险评估，定性分析两拟建隧道工程的相互影响；同时结合分析成果，综合判定评估对象的影响程度，同时提出建议和加强措施，保证隧道工程的安全施工。

1 工程背景

1.1 工程概况

珠海横琴新区大横琴山一号隧道位于珠海市横琴新区大横琴山，隧道进洞口位于横琴大道南侧，交通较为便利，出洞口位于长隆隧道上方。隧道全长2.3 km，设计标准为60 km/h，为双向六车道城市主干道公路隧道。隧道所处山体地表覆盖有残积土(砾质黏性土)，基底为燕山二期～三期花岗岩。采用CD法施工，大横琴山隧道下穿珠机城轨段的断面图如图1a)所示。

珠机城际设计标准为160 km/h双线城际铁路。珠机城轨隧道上跨大横琴山一号隧道段为单洞双线隧道断面，该段洞身位于花岗岩中风化地层中，采用台阶法施工。珠机城际铁路隧道设计断面如图1b)所示。

1.2 相对位置关系及影响范围

大横琴山隧道于右线YK1+281，左线ZK1+289下穿规划珠机城际铁路，下穿处埋深约100 m，平面夹角约60°，两项目隧道结构净距3.5 m～4.3 m，交点距A匝道洞口256 m，距B匝道洞口319 m，右线交点距珠机横琴隧道出口494 m。隧道与珠机城轨的竖向净距(隧道断面外轮廓顶距珠机城轨断面外轮廓底)分别为：左线4.36 m，右线3.5 m。具体位置关系如图2所示。

1.3 地形、地貌、地质概况

大横琴山隧道下穿珠机城轨隧道的典型地质纵断面情况如图3所示。

地貌：穿越大横琴山段为剥蚀残丘地貌，隧道地形起伏较大，基底为燕山二期～三期花岗岩。

地层：下穿处埋深约100 m，该段隧道穿越岩体主要由中风化花岗岩构成，节理裂隙发育，围岩级别为Ⅲ，Ⅳ围岩，岩体透水能力较强，基岩裂隙水和构造裂隙水，富水性微～中等。

2 风险等级及风险分析

2.1 风险等级与接受准则

铁路建设隧道工程风险事件发生后果等级按严重程度分成五级，可通过人员伤亡、经济损失、功能缺陷、环境影响及稳定影响等主要指标来反映。本文根据已有研究和规范标准等[7，8]，归纳总结了风险事件发生后各主要影响指标的等级标准，具体见表1。

表1 风险事件发生后各主要影响指标的等级标准

铁路建设隧道工程风险等级可根据风险事件发生的概率和后果等级分为四级，具体通过表2判定。根据隧道的实际工程性质和环境条件，分阶段制定风险接受准则与风险控制原则，详见表3。

表2 工程风险等级划分

表3 风险接受准则与控制原则

2.2 隧道施工初始风险分析

1)工程自身风险。大横琴山隧道所穿越岩体节理裂隙发育，岩体呈碎裂状结构，较破碎，岩体完整性较差，岩体透水能力较强，在隧道的开挖过程中，可能发生拱顶掉块、隧道塌方、大变形以及突水等风险情况。

2)工程环境风险。大横琴山隧道于右线YK1+269～YK1+299，左线ZK1+276～ZK1+306下穿规划珠机城际铁路，埋深约100 m，隧道与珠机城轨的竖向净距(隧道断面外轮廓顶距珠机城轨断面外轮廓底)分别为：左线4.36 m，右线3.5 m。后掘进隧道在掘进过程中对先建隧道衬砌会产生附加内力，并引起变形以及衬砌周围土体的位移，造成已建隧道衬砌开裂等情况。

3)爆破振动对先建隧道的影响风险。大横琴山隧道和珠机城轨隧道都采用矿山法施工，其爆破产生的振动，可能使两隧道之间的中间围岩产生损伤，在爆破振动作用下，先建隧道受到振动加速度的作用，产生惯性力，可能引发衬砌开裂结构、剥落，严重时将会破坏既有隧道的衬砌结构安全。此外，既有隧道围岩的应力场也会受新建隧道开挖影响而产生应力重分布。

大横琴山隧道开挖施工初始风险评估表如表4所示。

表4 大横琴山隧道开挖施工初始风险评估表

3 施工安全措施

综前所述，影响隧道施工安全主要有两大风险因素：一是隧道围岩条件较差；二是两隧道净距很小，隧道开挖、爆破等对既有隧道衬砌结构损伤破坏较大。为降低工程施工风险等级，着重从两大风险因素控制方面考虑，根据工程实际情况，主要采取以下施工安全措施：

1)开挖作业要短进尺、弱爆破。本段采用单侧壁法施工，开挖作业由上而下，衬砌施工由下而上。隧道施工应遵循“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则。

2)考虑到隧道开挖引起的水平和竖向位移会影响结构稳定性和受力，在施工过程中，应当做好监控量测，一旦出现结构倾斜、扭曲或者差异沉降过大，应当立即停止施工，采取注浆加固等有效措施。

3)开挖后立即进行喷射混凝土施工，紧接打锚杆、架立钢架，最后复喷混凝土至设计厚度。开挖时侧壁两端接头尽量在主洞钢架接头附近。

4)导坑上下台阶界面钢架支撑应做好锁脚措施，防止钢架失稳或下沉。

5)施工单位可根据机具、人员配备及施工技术水平合理调整施工方案，台阶长度可根据现场情况合理调整，但必须保证施工安全。

6)施工阶段加强对珠机城际衬砌表面振速监测及沉降变形监测，要求爆破振动速率不大于20 cm/s。

采取安全措施后残余风险评估表见表5。

表5 采取安全措施后残余风险评估表

同时，考虑到大横琴山隧道位于珠机城轨隧道下部，两隧道间距较小(最小净距3.5 m)，立交点处大横琴山隧道断面跨度较大(24 m)，珠机城轨隧道断面较小(12.4 m)，隧道断面越大，对周围围岩的扰动就越大，对相邻的工程影响就越大。因此，大横琴山隧道先行，珠机城轨隧道以小断面上跨大横琴山隧道，对下部隧道影响更小，可更好保证两座隧道的施工安全。

此外，在施工前还应做好应急预案的编制，做好现场施工的统筹管理和安排，保证不同施工单位统筹运作，以应对各种危及隧道结构安全的突发情况，尽可能地将风险事件发生后的影响降到最小。

通过对大横琴山隧道施工的风险因素进行控制，采取措施后对珠机城轨的影响残余风险等级由高度转为中度，为可接受状态，有效提高隧道开挖施工安全性。

4 结论与建议

1)影响隧道施工安全主要有两大风险因素：一是隧道围岩条件较差；二是两隧道净距小，隧道开挖、爆破等对既有隧道衬砌结构损伤破坏较大。可通过采取短进尺开挖、弱爆破、做好施工监控量测、开挖后立即初衬施工等措施来控制这两大风险因素，进而降低工程施工风险等级。

2)考虑到隧道断面越大，对周围围岩的扰动就越大，对相邻的工程影响就越大，结合工程情况，建议先开挖大横琴山隧道，珠机城轨隧道以小断面上跨大横琴山隧道，对下部隧道影响更小，可更好保证两座隧道的施工安全。

3)建议大横琴山隧道先施作交叉段二次衬砌，以提高安全性。若受客观条件而不能先施作二衬，则应在拱部采用中管棚+小导管超前支护，且不拆除临时支撑，以减小上部隧道施工爆破对下部隧道的影响，确保施工安全，待珠机城轨隧道开挖通过后再施工上下两隧道二次衬砌。

4)在施工中，如果发现监测变形过大，建议及时调整开挖方法，选用双侧壁导坑法施工。同时，两隧道参建单位应构建交叉段施工管理的联动机制、共享监控量测数据，以确保交叉段施工安全。