某地鐵區(qū)間隧道下穿悅來立交施工技術

馬宏偉

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國城市軌道交通的迅猛發(fā)展，地鐵、輕軌等工程大量修建在城市，已成為拉近城市中心與郊區(qū)，甚至是鄰近城市的重要方式。城市作為人類社會的主要功能區(qū)，其規(guī)劃不可能面面俱到，在建筑物、結構物、構筑物林立的情況下，修建軌道交通，必然會出現(xiàn)與既有工程立體交叉的情況。

在隧道下穿既有建(構)筑物施工技術方面，文獻［1］對超淺埋隧道下穿高速公路、國道詳細分析了重點、難點，并提出了一些新的思路和經(jīng)驗;文獻［2］綜述了施工中常用的各種超前地質預報技術;文獻［3－5］對既有建筑物保護采用了控制爆破措施，設置減震孔的保護措施，有效地保護了既有建(構)筑物的安全;文獻［6－7］提出了小凈距隧道施工相關技術;文獻［8－9］給出了隧道下穿采用的施工監(jiān)測方法和支護參數(shù)，判別支護體系和施工是否有效地控制了圍巖位移和變形。

近年來，國內采用以暗挖隧道形式下穿既有工程的項目不斷增多，特別是城市地鐵工程，由于選取的施工方法不當或監(jiān)測不到位，造成地面塌陷、建筑物傾斜、交通中斷、管線破壞、人員傷亡、機械損毀的事故頻繁發(fā)生［9］，甚至發(fā)生災難性的事故，給國家和人民群眾造成了巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響;因此，如何保證城市既有道路的安全通車，又要保證地鐵下穿城市道路的安全施工，是一個急需解決的難題。

1 工程概述

1.1 工程簡況

某地鐵區(qū)間隧道起點里程K8+764.300，終點里程K9+060.000，長295.7 m，其中 K8+855～ +910段區(qū)間隧道下穿悅來立交，長55 m，為單洞單線隧道，左右線間距為4.4～6.6 m，隧道斷面寬5.86 m，高6.28 m，埋深14.5～20 m，隧道頂與悅來立交道路距離約18 m，采用鉆爆法開挖。

悅來立交為城市主干路，已運營2年，交通量非常大，下方設置有一排樁基，基底高程249 m，正好位于區(qū)間隧道左右線的中間，隧道洞底高程245.5 m，較樁基低3.5 m，詳見圖1。

圖1 區(qū)間隧道與悅來立交平面示意圖Fig.1 Relationship between tunnel section and Yuelai overpass

1.2 工程地質情況

隧道穿越地層由第四系全新統(tǒng)松散層(主要為人工填土、粉質黏土)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層組成，基巖主要為紫褐色－紫紅褐色的砂質泥巖和泥巖。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層傾向285～330°，傾角2～20°。巖體中等風化，飽和抗壓強度標準值3.8～13.4 MPa，為極軟巖－軟質巖，基本質量等級為Ⅳ～Ⅴ級，地下水不發(fā)育，沒有腐蝕性。

1.3 施工重難點分析

1)施工組織與相關方協(xié)調，確保安全，保護既有工程是重點［1］。地鐵隧道穿越立交施工，必須安全順利通過，既不能阻斷道路交通，又要保證行車安全，不出任何安全事故，也不能損壞既有樁基工程。

2)控制隧道左右線間中間巖柱穩(wěn)定技術是施工難點［6－7］。施工中，應從隧道開挖方法、左右錯開距離、中間巖柱加固、控制爆破、監(jiān)控量測等方面入手，不斷探索，不斷總結經(jīng)驗，采取合理的施工對策，才能保證理想的施工效果。

3)隧道與立交的樁基距離非常近，控制爆破對樁基的振動要求非常高。如何采取措施控制爆破振動，減少爆破對樁基的擾動，降低對道路交通的影響是一個施工難點。

4)減震孔施工是難點［4－5］。為減少對樁基及中間巖柱的爆破振動，需打設減震孔，孔徑大，鉆孔深，而開挖面距離樁基最近，僅1.45 m，如果施工時鉆孔不慎，可能下垂至隧道開挖輪廓之內，也可能外插打入中間巖柱，甚至是樁基內，影響中間巖柱和樁基的安全。

5)施工監(jiān)控量測是重點［10］。施工中，及時監(jiān)測立交路面沉降、隧道內拱頂下沉、周邊收斂等，尤其是中間巖柱的變形監(jiān)測是重點。同時，爆破振速監(jiān)測也是一個非常重要的方面，應事先進行爆破試驗，做好爆破振速測試，為控制爆破對周邊的擾動提供依據(jù)。

2 施工方法與組織

2.1 施工測量

開工前，對導線網(wǎng)復測，實行三級復核制，確保導線無誤。開挖放線時，根據(jù)設計圖紙用全站儀放出隧道中線、開挖輪廓線，畫開挖輪廓線時，畫點間距控制在60 cm一個，每個開挖循環(huán)均放線一次。

2.2 超前地質預報

區(qū)間隧道地質情況較簡單，下穿立交段距離較短，施工中，采取地質素描和超前水平鉆孔進行地質預報。

2.2.1 掌子面地質素描

對已開挖的掌子面地質狀況在現(xiàn)場實地調查，進行詳細編錄，采集必要的數(shù)據(jù)，主要包括地層巖性、節(jié)理發(fā)育程度、圍巖穩(wěn)定狀況，實測巖層產(chǎn)狀、節(jié)理產(chǎn)狀及間距等，分段描繪、統(tǒng)計、分析，進行掌子面的工程地質評價，作出掌子面的斷面圖，運用地質學理論，預報隧道施工前方的工程地質、水文地質情況，做出地質展示圖及預報通知，并留存數(shù)碼影像資料［2］。掌子面地質素描可隨時進行，不影響施工，直觀地反映了掌子面的地質情況，為及時調整施工方法和設計變更提供了依據(jù)。

2.2.2 掌子面超前地質水平探孔

水平探孔采用風鉆鉆孔［2］，在每個開挖循環(huán)，掌子面的拱頂、起拱線各打入一根超前探孔，孔徑φ42，長5 m，從鉆進速度上判斷掌子面前方圍巖情況。風鉆風壓穩(wěn)定，推力穩(wěn)定時:鉆進速度越快，說明巖石越軟;鉆進速度越慢，說明巖石越硬。通過超前探孔的鉆速、沖洗液及巖性的變化等，進行分析，精確判明開挖面前方的地質情況，為調整爆破參數(shù)、支護參數(shù)、開挖進度等提供依據(jù)。

2.3 控制爆破開挖

爆破采用淺孔弱爆破開挖，遵循“短進尺，弱爆破，多循環(huán)”的原則。開挖采用作業(yè)臺架，人工手持風鉆全斷面爆破開挖，單循環(huán)進尺控制在1.0 m。隧道左右線間距僅4.4～6.6 m，屬小間距隧道，為減少擾動，保證施工安全，開挖時兩隧道應錯開一定距離?？紤]現(xiàn)場情況，施工時先開挖右線，后開挖左線，施工過程中右線比左線一直超前30～40 m［6］。

開挖掏槽方式采用楔形掏槽，未進入下穿立交時，在現(xiàn)場進行爆破試驗，鉆孔深度1 m，并監(jiān)測采用全斷面楔形掏槽時的非電毫秒各段爆破振動速度，發(fā)現(xiàn)掏槽眼的爆破振動速度最大，因此，爆源按掏槽孔考慮。

調查周圍情況，附近基本沒有建筑物，開挖爆破振動主要考慮對樁基的影響。

根據(jù)減震爆破理論，當邊界條件相同時，爆破開挖最大振動速度值不取決于一次起爆的總裝藥量，而取決于一次起爆某單段的最大裝藥量［3，12］。

根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式，最大單段裝藥量與爆破允許振速計算［3，12］:

式中:Qmax為最大單段允許裝藥量;v為振速控制標準，這里取10 cm/s;R為爆源中心點到振速控制點的距離，取4.2 m;K為與爆破技術、地震傳播途徑介質有關的系數(shù)，取300;α為爆破振動衰減系數(shù)，取1.8。

振速控制點樁基為地下工程，v的取值參考GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》交通隧道允許振速10 cm/s;K，α 的取值參考表［11－12］1。

表1 不同巖性的K，α值Table 1 Values of K and α under different lithology

根據(jù)隧道爆破經(jīng)驗，在本工程中，掏槽眼某單段允許最大藥量僅0.26 kg是不可能達到掏槽效果的。從未進入下穿立交時，由現(xiàn)場進行的爆破試驗可知，單段最大裝藥量為3.1 kg，與允許最大單段裝藥量數(shù)據(jù)相差10多倍，僅靠目前的開挖方法是不能保證樁基安全的，必須采取相應的減震措施。

根據(jù)文獻［5］施工經(jīng)驗。在隧道周邊設減震孔，減震孔內均不裝藥，減少對樁基的爆破振動。在未進入立交段現(xiàn)場做試:首先在隧道周邊打設一環(huán)φ150減震孔，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)振速為18.2 cm/s，高于允許值;后在隧道左右線相鄰側打設一環(huán)φ150減震孔，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)振速為6.6 cm/s，符合要求。

施工過程中，結合圍巖情況，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況，參照表1及時調整K，α，從而確定一次單段最大裝藥量，嚴格控制裝藥量，確保樁基安全。

2.4 減震孔施工

隧道左右線周邊沿開挖輪廓線環(huán)向設置一排減震孔，減震孔的間距為30 cm;隧道左右線相鄰側從拱頂向下到拱腳設置一排減震孔，減震孔的間距為30 cm，與開挖輪廓線減震孔層間距30 cm。減震孔采取水平鉆進，孔徑為φ150，每20 m一組，采用潛孔鉆機施工。采用減震孔減弱爆破沖擊波對樁基的擾動，保證悅來立交的安全，見圖2。

2.4.1 測量放樣

按要求，在掌子面上準確畫出需施作的減震孔孔位。

圖2 減震孔施工示意圖Fig.2 Sketch of the vibration－absorption hole construction

2.4.2 搭鉆孔平臺、安裝鉆機

鉆機平臺設置在核心土上，鉆孔由高孔位向低孔位進行。鉆機要求與已設定好的孔口方向平行，必須精確核定鉆機位置。用全站儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

2.4.3 鉆孔

鉆頭采用φ150，巖質較好的可以一次成孔。鉆進時，產(chǎn)生坍孔、卡鉆，需補注漿后再鉆進。鉆機開鉆時，可低速低壓，待成孔10 m后可根據(jù)地質情況逐漸調整鉆速及風壓。鉆進過程中經(jīng)常用測斜儀測定其位置，并根據(jù)鉆機鉆進的情況及時判斷成孔質量，并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。鉆進過程中確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

認真做好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質判斷、描述，為開挖洞身做地質預探預報，作為指導洞身開挖的依據(jù)。

2.4.4 清孔驗孔

用地質巖芯鉆桿配合鉆頭(φ150)進行來回掃孔，清除浮渣至孔底，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣，用經(jīng)緯儀、測斜儀等檢測孔深、傾角、外插角。

2.5 隧道周邊施工

隧道開挖采用光面爆破，在隧道周邊布置減震孔開挖后，周邊會出現(xiàn)很多減震孔的殘孔，表面不平整，可能出現(xiàn)很多欠挖，采用爆破開挖施工難度大，可能造成較大的超挖。為保證開挖成型，采用液壓破碎錘或銑挖機對減震孔周邊殘孔進行鑿除。另外，施工減震孔爆破開挖后，相鄰減震孔之間也可能殘留大量巖壁，采用液壓破碎錘或銑挖機處理難度相當大。因此，打眼時，可根據(jù)現(xiàn)場情況，在減震孔之間增設光面爆破炮孔，裝適量炸藥隨開挖爆破。

2.6 初期支護及輔助措施施工

初期支護采用C25噴射混凝土、I18工字鋼鋼架、φ42超前小導管、拱部φ25中空注漿錨桿、邊墻φ22砂漿錨桿、φ32鋼筋對拉預應力錨桿及φ8鋼筋網(wǎng)等，施工順序:施作減震孔—開挖—初噴混凝土—架立鋼架—超前錨桿、系統(tǒng)錨桿、對拉錨桿—鋪設鋼筋網(wǎng)—復噴混凝土至設計厚度，詳見圖3。

圖3 初期支護示意圖Fig.3 Primary support

2.6.1 超前支護

超前支護采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm，長3 m的熱扎無縫鋼管，鋼管環(huán)向間距約30 cm，縱向間距1 m，搭接長度 2 m，外插角 100～150°，拱部140°范圍施作。

鉆孔采用φ50大鉆頭。安裝時，小導管從工字鋼腹板穿過或尾部焊接于鋼拱架上，與鋼拱架共同組成支護體系，尾端支撐于鋼架上，也可焊接于系統(tǒng)錨桿的尾端。注漿采用KBY－50/70雙液注漿機壓注水泥－水玻璃漿液。

2.6.2 對拉預應力錨桿

為防止隧道左右線相鄰側中間巖柱施工過程中發(fā)生垮塌，危及施工安全，對中間巖柱采取加固措施，采用φ32螺紋鋼筋對拉預應力錨桿［7］，設置范圍為拱腰以下，長度依相鄰側中間巖柱長度而定，設置間距為1 m×1 m。對拉錨桿布置詳見圖4。

樁基尺寸1.5 m×1.5 m，施工對拉錨桿時應避開樁基，適當調整對拉錨桿位置，不能將對拉錨桿打在樁基上。

在先行隧道側開挖后及時施作預應力水平對拉錨桿，進行初次張拉，在后行隧道開挖后，預應力水平對拉錨桿再次張拉至設計值。預應力張拉時，采用雙控法，張拉設備為穿心式單作用千斤頂，一端面固定，一端張拉。錨桿固定端和張拉端沿縱向間隔一排布置，在同一截面上間隔進行張拉，以避免產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象。螺紋鋼筋的錨固需在沒泵開動，壓力表指針穩(wěn)定行。千斤頂施加預應力時采用邊張拉、邊擰緊錨具的方法，施加初始預加力的相應油壓值一般為設計油壓的10%，以此作為丈量鋼筋伸長的起算點。預拉力錨桿的張拉采用雙控法，油壓值的誤差不超過±2%，伸長量的誤差不超過 ±5%［6］。

施工時，應嚴格按設計參數(shù)施工，必要時，根據(jù)現(xiàn)場地質和監(jiān)測情況，增加加固措施，確保施工安全和樁基安全。

圖4 對拉錨桿布置示意圖Fig.4 Layout of prestressed anchor bolt

3 施工監(jiān)測

為及時反饋施工過程中的安全狀況，在施工中需進行巖體位移、圍巖壓力、初期支護應變、爆破振速等監(jiān)測，了解隧道開挖及初期支護變形情況、圍巖壓力變化規(guī)律、支護結構的穩(wěn)定性、爆破振動等，以便及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理，為隧道安全施工提供動態(tài)指導，確保隧道及樁基的安全。主要施工監(jiān)測項目見表2。

4 結論與討論

4.1 結論

地鐵隧道下穿悅來立交工程施工中，通過理論計算、現(xiàn)場試驗，根據(jù)監(jiān)測結果，及時采取合理的減輕爆破振動、加強初期支護措施;采取打設減震孔減輕爆破對悅來立交樁基的振動;采取增加預應力對拉錨桿加固相鄰隧道中間巖柱;用超前小導管加強拱頂支護，加上常規(guī)的噴射混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿等支護措施，以地質素描、超前探孔、施工監(jiān)測為手段指導施工，既保證區(qū)間隧道安全通過下穿立交段施工，又確保了樁基安全，對周圍環(huán)境、道路交通也沒有造成不良影響，是類似工程中可行的施工方法之一。

表2 監(jiān)控量測項目［10］Table 2 Projects of monitoring measurement

4.2 討論

采用本文所述的施工方法和措施在下穿悅來立交工程施工中取得了成功，但在細節(jié)上還有一些地方需要改進，值得探討，需要在實踐中進一步驗證。

1)減震孔施工參數(shù)沒有很好的考慮經(jīng)濟因素和施工效率，需要在類似工程中逐步實踐、探索、完善。

2)為了保護中間巖柱，施作了對拉預應力錨桿，原有的系統(tǒng)錨桿是否可以取消不做，需要理論指導、實踐驗證。

3)樁基等類似地下工程在GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》中，建筑物的安全允許振動標準表中沒有專門的規(guī)定，本文參考交通隧道允許振速是否合理，值得推敲。

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