高速公路隧道浅埋下穿建筑物变形控制研究

刘 宇，巫雅杰，杜宪武，杨玉平，李晨子

(中铁北京工程局集团(天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

在隧道采用新奥法进行爆破开挖[1]之后，初期支护[2]、二次衬砌[3]的施工至关重要。王远忠[4]以某工程为例,列举了新奥法在隧道施工中的应用与可能产生的风险因素,并提出相应的改进措施,从而为类似的施工工艺提供借鉴。孙龙等[5]对其他隧道初期支护沉陷开裂过程及发生原因进行了系统分析,探讨了使初支结构发生变化的原因和对应的处治措施。李先进等[6]研究了隧道拱部拼装式二次衬砌施工方法及对应的施工台车设计方案，提出了不同的模板台车设计方案。因此，为了隧道施工安全，施工人员应严格按照规范要求施作，在符合标准的前提下，对爆破方案、初支以及二衬的施工工艺进行分析研究，从而确保隧道整体稳定性，提高工程效率。

1 工程概况

隧道设计为分离式隧道，全长4 019 m，最浅埋深56 m(居民区)，最大埋深346 m。左右两洞门基本齐平，左洞身平面线形为直线，出口段平面线形为R-1 811.19圆曲线，右洞身平面线形为直线，出口段平面线形为R-1 800圆曲线。隧道洞口段左洞ZK65+703至ZK66+190与右洞K65+700至K66+181为一般小净距隧道。左右洞分先后进洞，左洞为先行洞，与后行洞右洞掌子面错开距离大于2倍隧道开挖宽度。

2 爆破施工工艺

2.1 施工技术要求

(1)在施工过程中，严格执行《爆破安全规程》(GB 6722—2014)标准及规范操作，确保周边人员、工地施工人员的安全和设备设施的安全，并采取有效的措施，防止施工区附近建筑物和财产遭受损害。同时要保护周围环境免受施工引起的过度污染，兼顾在建施工区及周围群众的生产和生活免受爆破的干扰，确保人身安全和财产安全。

(2)工程施工区处于城郊区附近地区，周边涉及单位较多，现场应成立专门协调小组，爆破前与政府一道共同对周边建构筑物设施等进行调查并取证，留取影像资料；同时爆破中应严格控制爆破作业时间，采取有效措施降低施工噪音、粉尘等有害效应，防止出现扰民现象等情况。

(3)为防止爆破施工过程中对周边建筑物和设施造成危害，确保安全及周边民众稳定工作，根据现场实际情况及《爆破安全规程》相关规定，约请具有相应资格的评审单位及相关部门进行会审，对该设计区域采用控制爆破方式进行，以满足施工安全和工期要求。

(4)在爆破施工过程中，实时进行爆破振动监测，严格控制振速，根据振动监测反馈数据，及时优化爆破参数指导施工。

2.2 洞口施工

隧道进、出口处为自然斜坡，隧道轴线与等高线近似正交，故采用接长明洞的削竹式洞门。

隧道洞口施工时必须保证洞口的稳定性。根据现场情况，首先确保防排水措施，在洞顶布置洞顶水沟，并根据地形地貌、汇水面积等，设置洞外截水沟，同时还应防止地表水流入施工场地范围内，在此范围内可进行地表预注浆加固，保证洞口的稳定性和整体性。

洞口还应及时进行明洞回填，首先清理施工范围内的残渣，如钢筋头、木屑等；接着采用吊机及人工的方法，将碎石土运至洞口上方进行回填，注意及时按设计要求进行防护。洞口的边仰拱均采用植草皮、挂网植草、种灌木等生态防护形式，减少人工痕迹的影响。

2.3 洞身施工

(1)隧道洞身段主要为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，采用台阶法进行开挖，对于Ⅴ级围岩还须分布超前强支护，采用机械配合人工的办法进行掘进开挖，同时采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二次衬砌为模筑混凝土。

(2)隧道施工的基本工艺流程为：布设施工测量控制网→测量放样→打孔→装药→联线→警戒→起爆→通风、排烟→找顶→安钢架、初喷砼→监控量测→出碴→完成初期支护及辅助措施。

2.4 爆破方案设计

隧道爆破开挖前，必须根据开挖段围岩的地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、爆破材料等因素编制详细的钻爆设计。钻爆设计的主要内容包括炮眼布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法和爆破顺序等。

隧道爆破的效果主要在于爆破参数的采取，如钻孔炮眼数量、装药量等。采用风钻钻孔、光面爆破，同时爆破人员应根据爆破设计图表及说明严格施工，并根据爆破效果及时修正有关参数，以达到理想的爆破效果。

2.5 盲炮的处理

盲炮在爆破技术负责人的指导下，由有丰富经验的爆破人员当场处理，盲炮地点应设立明显标志，其周围5 m范围内严禁人员通行。

盲炮处理注意事项：由原装药人员当班处埋，如有特殊情况需换人处理，装药人员应在现场将装药情况、炮孔方向、装药数量交代给处埋人员；接着拉起警戒线，进行盲炮处理的工作准备；处理完之后应检查验收并解除警戒；最后进行原因分析及制定措施并记录存档。

盲炮处理的方法视具体情况决定，可采用下列几种办法。

(1)对盲炮孔内的爆破网路进行仔细检查后，若起爆网路完好，可将引线重新接通再行起爆。

(2)距盲炮孔0.6 m钻一平行炮眼进行诱爆，但需注意岩层节理情况，在钻孔地点不得有连通盲炮之裂纹。

(3)能安全妥善地取出堵塞物时，可重新装塞起爆药包进行起爆。

2.6 超欠挖的控制

(1)采用合适的钻孔机械方法，保证炮眼的质量，制定合适的装药量，减少人为因素对爆破质量的影响。

(2)提高钻孔的精度，其中周边眼的精度是直接影响超欠挖的主要因素，因此要认真测画中线高程，准确画出开挖轮廓线。

(3)隧道开挖采用光面爆破技术，严禁盲目放大炮，避免过分震动周边围岩，造成掉块严重、变形、初支开裂甚至塌方等，继而引起支护加强变更。初期支护须紧贴掌子面。严格控制超挖，禁止欠挖。超挖部分采用喷射混凝土回填密实，不留空洞，防止引起初支开裂变形。严格控制仰拱开挖深度和混凝土回填质量。

(4)施工中应加强监控量测工作，出现异常情况时，及时调整钻爆参数，防止出现塌方等危险[7]。

3 爆破施工危险因素及预防措施

(1)钻孔机械伤害：规范地使用机械器材，持证上岗；机械的连接处采用合适的螺栓固定，防止脱落；操作人员需穿劳保服，戴手套，防止机械的直接伤害。

(2)高处坠落的措施：加强人员安全教育，经常提醒施工人员注意防范；钻孔作业时，保持钻机的孔边距大于设计规定距离，钻机不能太靠近台阶边侧位置，不能冒险作业；检查围岩稳定情况，尤其是岩层的地质结构变化，是否有弱面或断层形成三角滑落体的可能性；钻孔应照明良好。

(3)早爆事故：严禁吸烟，禁止出现明火；炸药和雷管分批次进入隧道，防止在运输的过程中发生意外；无关人员禁止入场，消除静电等的影响。

(4)爆破飞石事故措施：认真组织清场警戒工作，警戒人员布岗合理，并坚守岗位，严防无关人员和车辆进入爆破危险区；警戒时通过口哨传递信号，同时通过对讲机报险，联络信号清楚明白；清场工作干净彻底，人员未全部清理不放炮，移动设备不全部撤离不放炮，坏设备不便退出应与机主联系，明确责任后再放炮；发生工伤事故后，应及时报告公司领导和有关部门，保护好现场，并进行抢救。

(5)盲炮事故措施：盲炮识别→警戒→盲炮处理工作准备→盲炮处理→检查验收→解除警戒→原因分析及制定措施→记录存档。

(6)火灾事故：进行安全教育，提高施工人员的防火安全意识，加强对现场规章制度的学习，自觉遵守各种防火规则。同时在重要的地方配备灭火器，熟悉灭火器的使用，落实防火措施。

(7)中毒和窒息事故：在隧道内安装监控有害气体的监测装置，有不良情况时及时报警，撤离人员；备好一般常用的救援工具，如担架等，出现意外时，能够及时救助。

(8)粉尘伤害事故措施：作业施工过程中，必须正确佩戴口罩，减少粉尘直接对人体的伤害；通风管道应及时开启，置换隧道中的不良空气，保持新鲜空气的流通；尽量改善工法，采用湿式作业，降低粉尘的含量，加强扬尘控制，加强隧道内空气检测，创造良好的施工环境，确保施工人员的健康安全。

(9)预防其他伤害的措施：加强人员安全意识，定期组织人员安全教育培训，每日施工前，进行班前讲话教育，向作业人员讲明施工风险。项目部管理人员每日巡查，发现危险作业行为及时制止，并对违规作业人员进行安全教育。

4 隧道初期支护、衬砌施工工艺

隧道的支护系统主要由围岩与支护两部分组成。开挖时，围岩的平衡状态遭到破坏，应及时施作支护，使其与围岩共同达到一个新的平衡。因此，初期支护和衬砌的施工至关重要。

4.1 初期支护

对开挖后的围岩进行及时封闭，防止围岩暴露时间过长，控制围岩的变形和松弛，充分发挥围岩自身的承载能力，并和二衬共同形成结构承载荷载，在二衬施作前，初期支护是确保隧道施工安全的关键。

(1)锚杆[8]：作为初期支护的主要构件，在设计施工中是必不可少的，特别是在软弱围岩中，其对围岩的加固作用十分明显。锚杆的设置应沿隧道轮廓法线方向，锚杆施工时应根据锚杆设置及围岩实际情况及时调整锚孔角度，采用合适的钻杆和钻进方法。

(2)喷射混凝土：能及时、有效地防止开挖面岩层的松散、离层和掉落，是有效保护围岩、防止塌方的重要手段。喷混凝土与围岩的黏附是发挥喷混凝土支护效果的保证，也是喷混凝土最主要的力学作用。喷射混凝土是以混凝土高速喷射到受喷面上，依靠高速喷射时集料的反复连续撞击压密混凝土硬化而成的支护方式，其喷射的混凝土能够在几分钟内终凝，且强度增长快，并与锚杆、钢筋网、钢拱架联合形成支护整体，抑制围岩变形，达到围岩快速稳定。

(3)钢架：当围岩软弱、破碎严重且自稳性差时，隧道开挖后，需要及时提供足够强的支护约束围岩变形。在初期支护内设置钢拱架将增大支护结构早期的刚度，阻止围岩的过度变形并承受部分的松弛荷载。钢拱架施工流程：超欠挖处理→初喷砼→测定钢架位置→清除拱脚浮渣→铺设钢筋网、架立钢架→安装纵向钢筋连接筋→锚杆固定、打锁脚锚杆→复喷砼。当钢架侵入限界需要更换时，应采取逐榀更换、先立新钢架后拆除废钢架的方法，严禁先拆废钢架后立新钢架或同时更换相邻的多榀钢架。

(4)钢筋网：喷射混凝土之前，在岩面上挂设钢筋网，然后再喷射混凝土。钢筋网通常作环向和纵向布置，环向筋一般为受力筋，纵向筋一般为构造筋，网格尺寸一般为20 cm×20 cm。搭接长度应为1～2个网格间距(不小于24 cm)，搭接方式为焊接。使用前要除锈和擦去油迹和浮土，且钢筋网在初喷混凝土后安装，钢筋网与锚杆连接牢固。Ⅴ级围岩采用双层钢筋网，Ⅳ级围岩采用单层钢筋网。

4.2 二次衬砌

二次衬砌是主要承载结构，与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力，应适时施作，原则上仰拱超前、墙拱整体衬砌。

(1)隧道边墙及仰拱二次衬砌的浇筑应采用移动液压模板台车和泵送混凝土整体浇筑，以保证二次衬砌的密实，超挖部分采用同级混凝土回填。隧道进洞前，模板台车应装配到位，每模衬砌应连续浇筑，一次完成。

(2)二次衬砌施作时必须先浇筑仰拱，然后立模进行拱部混凝土浇筑。仰拱必须整体浇筑，不得分幅浇筑。

(3)二次衬砌浇筑时，应采取措施保证隧道拱部混凝土灌注密实，必要时应在拱部预留注浆孔，以便二次衬砌背后进行充填注浆。

(4)无仰拱地段二次衬砌应一次浇筑成形，尽量避免先浇筑矮边墙再浇筑拱圈。有仰拱段二衬钢筋应在边墙与仰拱交界位置，按相关规范保证主筋接头质量。

(5)二衬混凝土浇筑时，拱顶必须预留注浆孔，注浆孔间距应不大于3 m，且每模板台车范围内的预留孔不得少于4个。

4.3 施工常见安全隐患问题

(1)支护不及时，封闭不及时，仰拱、二衬滞后。

(2)不能按要求施打系统锚杆。

(3)钢筋网片漏挂、网片之间搭接不到位、钢筋网片与围岩不密贴。

(4)拱架之间连接板螺栓连接数量不够，连接板之间不平顺或存在错缝。

(5)喷射砼厚度不够，拱架外露。

(6)由于超挖，在喷射砼时因喷射手的原因造成初期支护与围岩之间存在空洞，喷锚不密实。

(7)仰拱开挖后未能及时进行初期支护，闭合成环。

(8)二衬厚度、强度不符合要求，背后有空洞。

5 结语

如今，随着高速公路的发展，隧道工程的建设也相应增多，再加上人们安全意识的提高，特别是在隧道下穿密集居民区时，为了减少房屋的震动破坏，需要严格控制爆破，并及时进行初支和二衬的施作，这样才能保证施工质量的稳定控制。施工可遵循“动态设计、信息化施工”原则。施工过程中须着重加强隧道超前地质预报和监控量测工作，脚踏实地，落到实处，杜绝流于形式，对隧道存在的不良地质，还应做好应急预案，确保施工和运营安全。