臨近既有病害隧道的隧道安全施工技術(shù)研究

陳 健

（中鐵十一局集團第五工程有限公司 重慶 400037）

1 工程概況

成渝高速中梁山隧道擴容改造工程二標段工程位于重慶市沙坪壩區(qū)，采用城市快速路標準，雙向車道設(shè)計，設(shè)計車速80 km／h。標段左線位于既有左線病害隧道北側(cè)，全長1 883.281 m，起止樁號ZK4+493～ZK6+376.281，含中梁山隧道出口左線段1 565 m，路基段318.281 m；右線位于既有隧道右線南側(cè)，全長1 853m，起止樁號YK4+458～YK6+311，含中梁山隧道出口右線段1 442 m，路基段411 m。

2 施工技術(shù)原理

對于本工程，臨近既有病害隧道的隧道安全施工技術(shù)主要原理為：首先通過對成渝高速中梁山隧道擴容改造工程既有左側(cè)病害隧道的外觀檢查，初步分析病害原因，建立病害隧道評價體系，提出維修及加固建議。然后在新建隧道與既有病害隧道的平面關(guān)系上建立計算模型，采用有限法分析爆破振動是否滿足爆破安全規(guī)程，擬定隧道爆破設(shè)計方案。最后通過既有線爆破振速監(jiān)測，優(yōu)化爆破施工方案，調(diào)整裝藥量、孔深、孔間距等爆破參數(shù)及以“人工+機械”開挖達到設(shè)計及安全規(guī)程爆破振速要求。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

如圖1所示，臨近既有病害隧道的隧道安全施工工藝敘述如下：

（1）對既有病害隧道全面檢測，建立病害隧道評價體系，提出防治措施，利用實時監(jiān)控量測指導(dǎo)安全施工。

（2）利用 Midas GTS有限元分析軟件建模分析臨近既有線最小距離爆破振速（＜2 cm／s）的影響，從而確定新建左、右線爆破施工方法及是否能同時進行爆破作業(yè)。

圖1 施工工藝流程

（3）將數(shù)據(jù)處理技術(shù)和信息反饋技術(shù)應(yīng)用于施工，采用監(jiān)控量測指導(dǎo)施工，從而動態(tài)修正施工方法及裝藥量、孔深、孔間距等爆破參數(shù)，確保施工安全、快速。

（4）在既有病害隧道與新建左右隧道之間新建橫通道，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，由新建左右隧道的一側(cè)向既有病害隧道方向進行爆破施工，當隧道爆破振速臨近2 cm／s時，改由既有病害隧道的一側(cè)向新建左右隧道的方向進行周邊鉆孔取芯與挖掘機炮頭破除相結(jié)合的開挖方式。

3.2 操作要點

3.2.1 既有線隧道病害分析及評定

根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG H12-2003）［1］的有關(guān)內(nèi)容規(guī)定，對受檢隧道進行檢測時，應(yīng)全面檢查隧道結(jié)構(gòu)的基本技術(shù)狀況，系統(tǒng)掌握隧道結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài)并作出合理評價，對隧道結(jié)構(gòu)的運營安全性作出評估，為新建隧道的施工和制定養(yǎng)護工作計劃提供依據(jù)。通過檢測達到以下目的：

（1）分析各隧道已有資料，查明缺陷或潛在缺陷以及損傷的部位、性質(zhì)、嚴重程度，初步查清產(chǎn)生缺陷和損傷的主要原因。

（2）以隧道為單位，進行病害匯總，分析和評價既存缺陷和損傷對隧道技術(shù)狀況和功能狀態(tài)的影響［2-3］，建立病害隧道評價體系，以本工程為例，具體評價如表1所示。

（3）積累資料，為新建隧道的施工提供可靠數(shù)據(jù)。

表1 病害隧道評價體系

加強日后對既有病害隧道的監(jiān)測，堅持預(yù)防為主，早發(fā)現(xiàn)、早維護，發(fā)現(xiàn)病害問題并盡早采取處理措施。有效控制新建隧道施工過程中的爆破施工，保障既有病害安全［4］。

3.2.2 計算模型的建立

利用Midas GTS有限元分析軟件建立以既有病害隧道為中心并包括新建左右隧道的矩形三維模型，如圖2與圖3所示。根據(jù)三維模型劃分單元和節(jié)點，初襯、二次襯砌結(jié)構(gòu)可采用板單元模擬，錨桿宜采用彈性梁單元模擬，圍巖應(yīng)采用庫爾-庫侖材料屬性的實體單元，邊界條件可采用阻尼彈簧單元模擬［5］；對于爆破振動引起的沖擊載荷，采用時程載荷來模擬［6］，并通過等效原理轉(zhuǎn)化為作用于開挖面上的壓力，再進行計算分析，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，確定新建左右隧道與臨近既有病害隧道的最小安全爆破距離、新建左右隧道爆破施工方法以及能否進行新建左右隧道的同時爆破作業(yè)，以確保后續(xù)的爆破安全。

圖2 模型橫斷面位置圖

圖3 三維爆破分析模型

對于爆破施工引起的振動荷載，將其轉(zhuǎn)化為時程荷載，然后作用于開挖面上，同時計算襯砌X／Y／Z方向的最大速度，如圖4所示。

圖4 襯砌X／Y／Z方向速度最大時等值線

采用爆破掘進開挖，新建隧道距離既有隧道最近時，動彈性模量約為靜彈性模量倍數(shù)為2、5、10倍，見表2。

表2 新建左線隧道爆破開挖時既有隧道襯砌最大振速

通過數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，當新建隧道左洞或者右洞距既有病害隧道最短距離分別爆破時，爆破振速滿足控制要求；當新建隧道左右洞既有病害隧道最短距離同時爆破時，爆破振速不滿足控制要求。

因此，對于新建左右隧道與既有病害隧道大于最小安全爆破距離的隧道段均可以采用爆破。全新的三維建模方式，使分析結(jié)果更真實、準確、可靠。

3.2.3 動態(tài)爆破振速控制

（1）炮孔布置方式

隧道爆破按照設(shè)計及規(guī)范要求由外至里依次是周邊眼、輔助眼、掏槽眼三級，炮孔間距根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況及既有病害隧道振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)調(diào)整。周邊眼間距為40～50 cm；掏槽眼間距為200～280 cm，豎向間距為60 cm；輔助眼間距為60～80 cm。

（2）現(xiàn)場爆破參數(shù)設(shè)計

按照本隧道26 m處Ⅴ級圍巖襯砌類型臺階法爆破施工計算下列參數(shù)（見表3）。

表3 爆破參數(shù)

炮眼數(shù)目：N＝q×S／γ。式中S為隧道斷面面積（取59.8 m2），q為單位炸藥消耗量，γ為每米炮眼的平均裝藥量（取0.4）。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，取q＝1.0 kg／m3，算出 N＝1×59.8／0.4＝149.5個，本設(shè)計取N＝140個。

單次循環(huán)最大藥量計算如下：Q＝qv＝qSLη，式中η為炮眼利用率，一般為0.8～0.95，本設(shè)計取0.8；Q＝qSLη＝1×59.8×1.6×0.8＝76.5 kg。

（3）爆破振動控制計算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）［7］規(guī)定了爆破振動峰值速度，為

式中：V為監(jiān)控點所在質(zhì)點振動峰值速度（cm／s）；R為監(jiān)控點至爆源中心的距離（m）；Q為單次炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量（kg）；K、α是與爆破點至監(jiān)測點間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

根據(jù)爆區(qū)周邊環(huán)境的情況，該地區(qū)地震波影響的最近建構(gòu)筑物為既有隧道，為了盡量減少爆破對既有病害的影響，在26 m處振速控制在2.0 cm／s時計算一次爆破時允許一次齊爆藥量。

通過爆破振動安全允許距離 R＝（K／V）1／αQ1／3，換算得出：Q＝［R×V1／α／K1／α］3；爆區(qū)距離最近建構(gòu)筑物最小安全距離R＝26 m；安全允許振動速度V＝2.0 cm／s；地形地質(zhì)條件相關(guān)系數(shù) K＝150；地形地質(zhì)條件相關(guān)衰減指數(shù)α＝1.8。根據(jù)以上計算出爆破震動安全允許距離是以R為26 m時，計算齊爆藥量（單段最大裝藥量）為13.18 kg，本爆破設(shè)計最大一段藥量為8號炮眼15段起爆11.5 kg，經(jīng)計算完全達到控制爆破要求。

3.2.4 既有病害隧道監(jiān)測

通過對既有病害裂縫和拱頂沉降監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)新建隧道施工對既有病害現(xiàn)狀裂縫的影響情況，監(jiān)測其寬度、長度等發(fā)展趨勢。

對爆破振速實時監(jiān)測，振速偏高時，動態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)或開挖方式，保障既有病害隧道安全［8］。

通過對既有病害隧道監(jiān)測分析出可能出現(xiàn)的結(jié)果，以擬用Midas GTS有限元分析軟件選取各測點速度是否滿足爆破安全規(guī)程為前提，在施工現(xiàn)場隨時調(diào)整動態(tài)爆破參數(shù)的情況下，一系列監(jiān)測數(shù)據(jù)（振速未超過2.0 cm／s；既有病害裂紋增加不明顯）表明新建隧道極大降低了對既有病害隧道的影響，保證了既有病害隧道安全運營。

3.2.5 優(yōu)化爆破參數(shù)

根據(jù)既有病害隧道內(nèi)爆破振速監(jiān)測數(shù)據(jù)及內(nèi)裂紋監(jiān)測情況進行調(diào)整，最大限度地減小爆破對既有病害隧道支護結(jié)構(gòu)及中間圍巖的不利影響。優(yōu)化炮眼布置方式，并適時調(diào)整炮孔間距，進一步確保爆破安全［9-10］。圖5為中梁山隧道開挖原炮眼布置，經(jīng)分析優(yōu)化后確定為圖6的炮眼布置，該調(diào)整確保了既有病害隧道的爆破安全。

圖5 原炮眼布置

圖6 優(yōu)化后的炮眼布置（炮眼布置及裝藥左右對稱）

3.2.6 橫通道“人工 +機械”開挖

在既有病害隧道與新建左右隧道之間新建橫通道，在隧道爆破振速＜2 cm／s的前提下，由新建左右隧道的一側(cè)向既有病害隧道方向進行爆破施工，當隧道爆破振速臨近2 cm／s時，改由既有病害隧道的一側(cè)向新建左右隧道的方向進行周邊鉆孔取芯與挖掘機炮頭破除相結(jié)合的開挖方式［11-12］。

（1）工藝流程

施工工藝流程：測量放線→搭設(shè)簡易臺架→水磨鉆機周邊鉆孔取芯→挖掘機炮頭中心破除→出渣。

（2）測量放線

測量人員測量放線時，應(yīng)用有明顯標志顏色的油漆準確標出開挖斷面的中線和輪廓線，畫出周邊的位置。

水磨鉆鉆孔孔位可沿輪廓線連續(xù)布置。由于水磨鉆行程僅有60 cm，有效成孔深度在50 cm左右，需多次鉆孔才能達到非爆區(qū)的設(shè)計循環(huán)進尺。

（3）搭設(shè)簡易臺架

用于鉆孔臺架采用腳手架搭設(shè)。墊三角木楔（板）→放置縱向掃地桿→逐根豎立桿→搭設(shè)第一層橫向水平桿→鋪設(shè)腳手板→搭設(shè)第二層橫向水平桿→鋪設(shè)腳手板→加設(shè)剪刀撐→加設(shè)斜撐。

（4）水磨鉆機周邊鉆孔取芯

沿測量布置點均勻布置取芯，取芯點中心位于設(shè)計內(nèi)徑基線位置，取芯直徑為170 mm，取芯外傾角為15°，取芯長度約600 mm，外周巖芯取完后中間巖體形成一個環(huán)形臨空面。

（5）挖掘機炮錘施工

炮機開始鑿打作業(yè)，炮機鑿打作業(yè)分層分臺階進行，按照順序依次破除，每層控制在2 m。

（6）出渣

鑿打后的巖石用挖機、自卸車及時進行清理。

3.3 實施效果評價

圖7為成渝高速中梁山隧道擴容改造工程二標段爆破施工對既有病害隧道的振動速度監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在施工周期內(nèi)，爆破施工在既有病害隧道產(chǎn)生的振動速度均未超過2 cm／s，最大振動速度為2015年3月監(jiān)測的1.86 cm／s，滿足施工爆破振動控制要求。

圖7 中梁山既有隧道施工爆破監(jiān)測振動速度

臨近既有病害隧道的安全施工技術(shù)的應(yīng)用，有效地解決了新建隧道與既有病害隧道施工的干擾，在施工過程中減少材料費、人工費、機具費，降低工程造價，加快施工進度，取得較好的經(jīng)濟效益。在成渝高速中梁山隧道擴容改造工程二標段施工中，運用該施工技術(shù)，其經(jīng)濟效益顯著，初步估計約降低成本205萬元，具有較高的推廣、應(yīng)用價值，發(fā)展前景廣闊。

4 結(jié)束語

通過在成渝高速中梁山隧道擴容改造工程二標段爆破施工過程中應(yīng)用本技術(shù)，有效降低了爆破振速，控制隧道超欠挖，在保證隧道的施工質(zhì)量的同時確保了既有病害隧道的安全運營。研究成果對臨近既有病害隧道新建隧道安全施工具有很強的指導(dǎo)作用和重要意義。特別對于類似臨近既有構(gòu)筑物新建、擴建、改建地下工程（隧道、橫通道）的開挖工程，具有較高的推廣價值和社會效益。