富水暗挖隧道近接既有盾构区间控制爆破与降水施工变形控制技术

王振华

（中铁三局集团广东建设工程有限公司，广东 广州 510000）

目前，由于中国城市化的发展状况和人们的日常出行需求，必须要在城市内部建设相应的地铁线路，帮助人们提高生活水平和生活质量。在建设过程中，常遇到临近施工问题，城市地下工程临近施工是关键控制环节，也是高风险控制点。因此，对临近施工进行分析，采取合适的技术措施控制隧道变形，保证隧道变形不超过控制值是非常关键的。

1 工程概况

广州市轨道交通13 号线二期工程天河公园站—E41盾构井暗挖区间位于天河区天河公园内，总体呈东西走向，西接天河公园站站后折返线（与开通运营21 号线天河公园站相接），东接E41 盾构井。区间左线采用盾构法施工，与右线最近距离4.925 m，右线采用暗挖矿山法施工，总长度367.79 m，分A、B、C 三种断面，其中A、B 断面为单洞双线存车线，采用CD 法施工，C 断面采用上下台阶法施工。工程线路平面图如图1所示。

图1 线路平面图

2 水文地质条件

本区间全部位于天河公园内，总体地势较为平坦，主要为公园绿地、道路、湖泊等，地面标高13.28～20.72 m。隧道拱顶以上岩土层分为填土层、陆相冲积-洪积砂层、冲积-洪积-坡积土层、残积层、岩石全风化带、岩石强风化带，隧道穿越地层主要为岩石强风化带，局部拱顶的岩石全风化带以及局部夹层岩石中风化带。

地下水主要为第四系孔隙水和基岩风化裂隙水，基岩裂隙水主要赋存于强、中风化岩中的风化裂隙之中，为承压水，两者之间局部有一定水力联系，地下水稳定水位埋深为1.80～6.30 m（标高4.50～17.52 m），年变化幅度为1.00～1.50 m。另本隧道位于天河向斜核部北侧，向斜核部为较好的汇水构造，局部地下水水量丰富，同时本场地内地下水还接受天河公园湖、棠下涌的侧向补给，天河公园湖、棠下涌与珠江水系有一定水力联系，水位和水量除受降雨影响外，受潮汐作用影响明显。线路平面图如图2 所示。

图2 线路平面图

3 施工重难点

右线大断面暗挖岩层风化不均，导洞ⅠⅠ、导洞ⅠV全部需采用爆破施工，导洞Ⅰ、导洞ⅠⅠⅠ根据需要，需局部采用爆破施工，右线进洞之初，左线盾构已贯通，左右线之间净距4.925～6.144 m，超近距离临近既有盾构区间隧道爆破施工对既有线结构影响。

大断面暗挖采用CD 法施工，断面最大开挖面积120.5 m2，隧道岩层多为强风化砂砾岩，局部拱顶为全风化砂砾岩，地下水丰富，开挖过程中拱顶有掉块现象，安全风险高。

4 施工技术控制

4.1 爆破控制措施

总体遵循“启动远离保护物，尽早创造临空面，控制单孔最大药”的原则，将矿山法开挖步序调整为导洞1（右上）→导洞2（右下）→导洞3（左上）→导洞4（左下），创造临空面，减少振动传递。

断面布孔及起爆顺序示意图如图3 所示。掏槽孔采用四孔掏槽，四孔扩槽，布置在导洞1-1 的中央偏下，孔深比设计开挖进尺深400 mm，采用楔形、菱形等掏槽布孔方式；辅助孔尽量与隧道轮廓线、临时中隔壁和临空面平行布置，孔深比设计开挖进尺深200 mm；隧道轮廓周边孔直接靠轮廓线布置，临时中隔壁周边孔及底孔超出设计轮廓线往外约150 mm，孔深与辅助孔相同。周边孔孔间距取400～600 mm（平均值为450 mm），最小抵抗线取400～600 mm（平均值为550 mm）；辅助孔间距取700～1 000 mm，排距取600～800 mm；掏槽孔间距450 mm、700 mm，排距600 mm。

图3 断面布孔及起爆顺序示意图

掏槽孔和辅助孔采用反向耦合连续装药，周边孔采用正向不耦合间隔装药[1]，为了确保爆破效果，炮孔的填塞长度一般不得小于炮孔长度的1/3。

考虑到左线盾构隧道已经成型，水平净距4.9～6.2 m。根据GB 6722—2003《爆破安全规程》规定，隧道八部开挖各个分部均采用单段最大药量与左线盾构直线距离进行安全校核。按《爆破安全规程》规定，工业和商用建筑物所能承受的最大允许安全振动速度为2.5～5.0 cm/s，交通隧道所能承受的最大允许安全振动速度为10～20 cm/s，为了保证爆破振动不影响盾构安全，按“就小不就大”原则，爆破振动速度取5.0 cm/s进行安全校核。

4.2 各导洞爆破设计

4.2.1 导洞1-1 部

若1-1 部为土层，直接采用机械开挖，并为3-1部和1-2 部创造临空面；若为岩层，在1-1 部采取掏槽方式进行爆破开挖。1-1 部布孔及起爆顺序图如图4 所示，1-1 部掏槽孔与左线盾构直线距离示意图如图5 所示，导洞1-1 部爆破振动速度校核表如表1 所示。

图4 1-1 部布孔及起爆顺序图

图5 1-1 部掏槽孔与左线盾构直线距离示意图

表1 导洞1-1 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.2 导洞1-2 部

导洞1-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图6 所示，导洞1-2 部爆破振动速度校核表如表2 所示。

图6 导洞1-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表2 导洞1-2 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.3 导洞2-1 部

导洞2-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图7 所示，导洞2-1 部爆破振动速度校核表如表3 所示。

图7 导洞2-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表3 导洞2-1 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.4 导洞2-2 部

导洞2-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图8 所示，导洞2-2 部爆破振动速度校核表如表4 所示。

表4 导洞2-2 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

图8 导洞2-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

4.2.5 导洞3-1 部

导洞3-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图9 所示，导洞3-1 部爆破振动速度校核表如表5 所示。

图9 导洞3-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表5 导洞3-1 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.6 导洞3-2 部

导洞3-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图10 所示，导洞3-2 部爆破振动速度校核表如表6 所示。

图10 导洞3-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表6 导洞3-2 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.7 导洞4-1 部

导洞4-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图11 所示，导洞4-1 部爆破振动速度校核表如表7 所示。

图11 导洞4-1 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表7 导洞4-1 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.2.8 导洞4-2 部

导洞4-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系如图12 所示，导洞4-2 部爆破振动速度校核表如表8 所示。

图12 导洞4-2 部布孔起爆顺序及与左线盾构直线距离关系

表8 导洞4-2 部爆破振动速度校核表（Vmax=5 cm/s）

4.3 爆破效果监测

根据爆破监测，各部爆破效果，爆破振速满足控制要求，如表9 所示。

表9 爆破各部参数统计表

5 降水施工技术

5.1 降水总体方案设计

区间右线大断面暗挖地下水稳定水位埋深为1.80～6.30 m（标高4.50～17.52 m），隧道断面大，穿越地层以强风化砂砾岩为主，拱顶局部为全风化碎屑岩，地面水系发达，总水域面积达到11.6 万m2，对地下水有一定的补给作用，并且隧道位于天河向斜核部北侧，裂隙发育，为典型的汇水构造，局部地下水水量丰富。

隧道开挖过程中，掌子面渗漏水水量较大，特别是导洞1-1 部，滴漏水十分严重，长时间暴露后掌子面出现了局部掉块现象，安全风险显著增加[2-3]。

从确保施工安全和生产进度两方面，同时考虑地下水抽排对公园环境的影响角度出发考虑，采取了地面降水为主，洞内引排为辅的掌子面降水方案，将洞内水位降至掌子面上导洞以下。

初步方案：大断面隧道范围内地势较平坦，降水模型近似为基坑降水，降水井在隧道两侧施工，距离隧道边线约为3 m，单侧井间距rij为15 m，钻孔直径300 mm，管直径150 mm，承压降水井，降水井类型为管井降水，降水设计深度sd=7.8+10+1=18.8 m。

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》附录E.0.3 和广州市轨道交通十三号线首期延伸线（天河公园—鱼珠）天河公园至棠下站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告（编号：KC-2018-047/2017-004-X-02-01）2.8.7 章节，承压水完整井的基坑降水总涌水量计算公式：

式（1）中：Q为基坑降水总涌水量，m3/d；k为渗透系数（取强风化层系数），m/d；M为承压水含水层厚度，m；sd为基坑地下水位的设计降深（取降至隧道上下导洞分界线以下1 m），m；R为降水影响半径，m；r0为基坑等效半径，m。

将k=0.9 m/d，M=14.63 m，sd=18.8 m，R=178.35 m，r0=9.45 m 代入式（1）得：

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》7.3.10，降水井的设计单井流量可按下式计算：

式（2）中：Q为基坑降水总涌水量，m3/d；n为基坑模型总降水井数量。

将Q=529.29，n=2 代入式（2）得：

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》7.3.11，本隧道处管井单井出水能力公式如下：

式（3）中：q0为单井出水能力，m3/d；rs为过滤器半径，设计为0.15 m；l为过滤器进水部分长度，取5 m；k为含水层渗透系数，本次隧道断面含水层的厚度加权平均值，m/d。

将rs=0.15 m，l=5 m，k=0.9 代入式（2）得：

根据详细勘察阶段岩土工程勘察报告，抽水试验孔MUZ3-THGY-S19，计算得承压完整井稳定流水力坡度平均值i为0.19。

采取隧道两侧边线以外3 m 布置降水井，降水井间距15 m，单口降水井降水需辐射最远距离为L=24/2=12 m，根据水平距离L、基坑地下水位的设计降深sd和水力坡度i，计算降水井水位设计降深sw：

管井设计深度：

式（4）中：H井为管井降水井设计深度，m；h1为基坑开挖深度（取地面至隧道上下导洞交界面距离），m；h2为井点露出地面的高度，m；h3为基底降水线至基底（导洞分界线）的距离，m；i为水力坡度（具体数值根据勘察报告结果）；L为单口降水井降水需辐射最远距离，m；h4为管井滤管长度，m。

将h1=21.1 m，h2=0.2 m，h3=1 m，h4=6 m，i=0.2，L=12 m 代入公式（4）得：

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》7.3.6，计算承压完整井理论降深s0：

式（5）中：s0为基坑地下水位降深，m；n为降水井数量；j为第j口降水井；qj为第j口降水井的单井流量，m3/d；M为承压含水层厚度，m；k为含水层的渗透系数，m/d；R为影响半径，m；rij为第j口井中心至i点（降深计算点）的距离，m。

将n=2，j=1、2、3、4，qj=274.75 m3/d，k=0.9 m/d，R=168.7 m，r=12 m，M=14.63 m 代入公式（5）得：

已知sd=18.8 m，则s0略小于sd，施工过程中加密降水井布置至10～15 m，且理论降深s0计算时并为考虑群井效应，施工时洞内辅以排水措施，故降水井方案满足要求。

5.2 降水施工

根据理论计算获得的方案进行现场降水施工，降水井在隧道两侧施工，距离隧道边线约为3 m，井间距适当加密布置至10～15 m，降水井深度大于30.7 m，承压降水井，降水井类型为管井降水，成孔直径600 mm，管井直径300 mm，底部滤管长度大于6 m。

钻孔完成后孔内放置直径300 mm的PVC波纹管，底部滤管采用钢管，钢管穿孔，管外用滤网包裹，管与成孔空隙之间填充瓜米石，井口位置采用黏土填实，深度约为500 mm。

采用深井潜水泵进行管井降水，水泵流量15 m3/h，扬程30 m，功率4.5 kW，水管管径5 cm。

目前进尺最多的导洞1-1 进尺135 m，里程为YDK29+911.773 ， 降水井施工起始里程为YDK29+828.273，距离洞门口51.5 m，完成降水井16个（编号1～16 号），单口降水井施工时间约10 h，具体信息如表10 所示。

表10 降水情况统计表

5.3 降水效果

2021-07-25 ，针对掌子面上导洞1 采取计时接水测量法对涌水量进行了测量统计，统计结果如表11 所示。

表11 地面降水前洞内导洞1 涌水量统计表

表10（续）

从上表可以看出，导洞1 在2021-07-25 上午平均涌水量为16.56 m3/d，下午涌水量为14.62 m3/d，2 次平均值为15.59 m3/d，掌子面日失水量很大，不利于施工，而且施工风险极高。

按照理论设计方案施工降水井后，在降水过程中，掌子面上导洞（导洞1-1、导洞1-2、导洞3-1、导洞3-2）渗水明显减少，随着降水的继续，如图13、图14 所示，最终上导洞掌子面接近干爽，拱顶无掉块现象，如表12、图15 所示，超挖控制到位，施工进度也明显提升。

图13 拱顶小导管线性滴漏水

图14 导洞1-1 降水后效果

表12 降水前后总体功效对比表

图15 降水前后初支施工进度图

地面降水期间对地面沉降值进行了持续监测，频率为1 次/d，监测范围为掌子面前端30 m，选取了11月1 日至12 月1 日期间YDK29+876.000 和YDK29+896.000 两个断面的数据，显示地面呈现明显持续沉降，累计沉降最大值-23.7 mm。

6 主要结论

通过采用优化暗挖大断面隧道开挖顺序，按照远离既有盾构区间先行导洞开挖，先行导洞四孔掏槽、四孔扩槽，角部增设减振孔的防范，降低爆破掏槽对既有盾构区间的影响程度。

通过采用数码电子雷管起爆技术，合理控制单段起爆药量、设置起爆延时（100 ms），降低爆破振动速度。施工过程中区间内管片未出现任何异常。

采用地表降水和洞内降水相结合的降水技术，确保了强风化砾岩为主地层，地下水较丰富地区，降水效果，同时地表沉降的监测数据表明，降水施工未对地表沉降造成明显影响。

7 结束语

综上所述，在富水地层中临近既有线施工过程中，需要全面考虑周边环境，探清水文地质条件，过程进行爆破振动监测，优化爆破设计参数，减少了对临近既有线结构的影响，保证了隧道安全。通过主动降水，加强对各个施工环节管理，有效降低了隧道开挖过程中水对围岩的影响，降低了施工风险，保证了施工进度，同时也给类似工程项目提供了一定借鉴。