新建隧道橫通道鉆爆法施工對(duì)既有隧道的影響研究

■ 蔡亦來(lái)

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心站，福州 350004)

近年來(lái)，隨著高速公路提速和擴(kuò)建加寬進(jìn)程的加快，公路隧道開(kāi)發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道線路多線疊交和新建隧道近距離穿越既有隧道及其他各種地下建 (構(gòu))筑物的現(xiàn)象也與日俱增。由于受地質(zhì)條件和施工水平的制約，隧道近距離施工難免會(huì)對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成地表沉降，近接隧道和鄰近建(構(gòu))筑物開(kāi)裂、破損甚至坍塌等嚴(yán)重環(huán)境危害。另一方面，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程的規(guī)模也快速增加，公路隧道建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入高數(shù)量、高難度、高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的四高建設(shè)期，開(kāi)展鄰近隧道工程建設(shè)階段的爆破影響研究也日益重要。隧道作為公路干線中的重點(diǎn)工程，其質(zhì)量的好壞及安全程度直接影響著公路干線的正常運(yùn)營(yíng)，關(guān)系著國(guó)家交通運(yùn)輸事業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在以往復(fù)線隧道修建過(guò)程中，新建隧道鉆爆開(kāi)挖產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對(duì)臨近既有隧道結(jié)構(gòu)造成損壞，影響公路干線正常運(yùn)營(yíng)的事故也時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家?guī)?lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了公路交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

本文緊密依托新建隧道工程建設(shè)，針對(duì)近距離長(zhǎng)大隧道主洞和橫通道開(kāi)挖爆破對(duì)既有多病害條件下的隧道的影響展開(kāi)系統(tǒng)研究，力求避免設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段可能發(fā)生的事故，杜絕不必要的重大損失和社會(huì)負(fù)面影響，本文研究既具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，也具有一定的理論指導(dǎo)作用。

1 概況

本文所依托工程隧道為原有高速隧道擴(kuò)容，擴(kuò)容方案為在既有隧道兩側(cè)新建兩個(gè)單洞兩車道隧道。圖1是新建隧道與既有隧道建成后效果圖，紅色為既有隧道，藍(lán)色為新建隧道。新建隧道按新奧法設(shè)計(jì)，鉆爆法施工。隧道屬于特長(zhǎng)隧道的范疇，對(duì)應(yīng)于既有隧道也設(shè)置了車行橫通道和人行橫通道，其位置與左右線隧道正交。新建隧道與既有隧道對(duì)應(yīng)位置的標(biāo)高基本一致。

隧道工程區(qū)地層主要為一套海相與淺海海相碳酸巖鹽、內(nèi)陸相碎屑巖和碎屑巖沉積。出露的地層除白堊系、第三系缺失外，自二疊系至第四系均有不同程度的發(fā)育。其中，侏羅系出露厚度最大、分布最廣，三疊系次之，二疊系最少。隧道巖性主要有灰?guī)r、白云巖、鹽溶角礫巖、泥灰?guī)r 、砂巖等。 灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、角礫巖等碳酸巖鹽主要出露于背斜軸部，呈長(zhǎng)條狀展布；背斜兩翼主要以砂巖、泥質(zhì)巖等為主，具有較大的分布面積。

既有隧道V級(jí)圍巖段襯砌采用50cm素混凝土，初期支護(hù)為18cm厚噴射C20混凝土；采用長(zhǎng)3.5m的φ22砂漿錨桿。Ⅳ級(jí)圍巖段隧道初支為14cm厚C20噴射混凝土，長(zhǎng)3.0m的Φ22漿錨桿。

新建隧道V級(jí)圍巖初期支護(hù)采用Φ42小導(dǎo)管，噴射厚25cm的C25混凝土，內(nèi)設(shè)間距80cmI18型鋼，間距20×20cm的Φ8鋼筋網(wǎng)。在拱部和邊墻分別采用間距100(環(huán))×80(縱)cm長(zhǎng)度3.5m的Φ25中空注漿錨桿和Φ22砂漿錨桿，隧道二次襯砌為厚50cm的C30鋼筋混凝土。

圖1 新建隧道與既有隧道效果圖

2 計(jì)算方法及參數(shù)的確定

2.1 基本假定

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在建模計(jì)算和有限元分析中做如下基本假定：

(1)隧道巖土體的開(kāi)挖是瞬間過(guò)程，即不考慮巖土體時(shí)間效應(yīng)；

(2)巖土體是各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，材料塑性屈服準(zhǔn)則采用 屈服準(zhǔn)則；

(3)初始地應(yīng)力僅考慮重力荷載作用。

2.2 計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算參數(shù)中，新建橫通道初期支護(hù)按C25混凝土選取，二襯按C30混凝土選取，既有隧道二次襯砌為C25混凝土。圍巖力學(xué)參數(shù)采用新建隧道工程勘察報(bào)告中建議值，見(jiàn)表1。

表1 新建隧道巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 車行橫通道

2.3.1 新建右三號(hào)車行橫通道的選取

本文選取右三號(hào)車行橫通道位于新建隧道YK4+145和既有隧道JYK4+157.34處。既有隧道圍巖條件最差，主要為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾泥質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉硬巖，巖層破碎，節(jié)理極為發(fā)育，富含地下水。該通道位于既有隧道右線緊急停車帶區(qū)域，根據(jù)設(shè)計(jì)可知，在右三號(hào)車行橫通道斷面處，新建隧道圍巖等級(jí)為V級(jí)，以燧石灰?guī)r為主，溶洞溶隙發(fā)育，位于斷層影響帶范圍內(nèi)，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，地下水十分發(fā)育，受斷層影響龍?zhí)督M煤系地層中瓦斯易沿溶隙、裂隙涌出，瓦斯涌出量大。

右三號(hào)車行橫通道與既有右線隧道及其人行橫通道的位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 右三號(hào)車行橫通道與既有隧道平面位置關(guān)系

2.3.2 計(jì)算模型

取右三號(hào)車行橫通道、既有隧道右線緊急停車帶以及該區(qū)域既有人行橫通道作為計(jì)算區(qū)域，建立有限元計(jì)算模型。底面施加三向位移約束，模型4個(gè)側(cè)面施加法向位移約束。隧道埋深約310m，模型頂面距離地表約190m，在模型頂面施加上覆巖體重力荷載6032kPa。計(jì)算模型共64358個(gè)節(jié)點(diǎn)，45696個(gè)單元，如圖2、圖3.

圖3 右三號(hào)車行橫通道計(jì)算模型

2.3.3 橫通道施工前的計(jì)算結(jié)果與分析

在右三號(hào)車行橫通道施工前，首先進(jìn)行既有隧道與人行橫通道的施工工況模擬，分三個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算：

(1)在重力荷載作用下進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

(2)開(kāi)挖既有右線隧道與人行橫通道；

(3)施加既有右線隧道與人行橫通道襯砌。

計(jì)算獲得的既有右線隧道、既有人行橫通道二次襯砌第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力分布情況如圖4。

圖4 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前既有隧道襯砌應(yīng)力

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前，主線隧道與既有人行橫通道第一、第三主應(yīng)力最大值與分布位置見(jiàn)表2。在右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前，既有右線隧道襯砌第一主應(yīng)力整體較小，在一般部位均小于1.35kPa，在邊墻腳部與人行橫通道交界處較大，最大值為16.25kPa(拉應(yīng)力)，小于C25混凝土抗拉強(qiáng)度1.27MPa，位于既有隧道拱腰與既有人行橫通道相交處；既有右線隧道第三主應(yīng)力整體較小，最大值-51.30kPa(壓應(yīng)力)，小于C25混凝土抗壓強(qiáng)度11.90MPa，位于邊墻腳與既有隧道交界處。

既有人行橫通道襯砌大部分區(qū)域的第一主應(yīng)力數(shù)值較小，小于C25混凝土抗拉強(qiáng)度1.27MPa，局部最大值為2.21kPa(拉應(yīng)力)，位于拱肩與主線隧道交界線附近；第三主應(yīng)力最大值-4.93kPa(壓應(yīng)力)，小于C25混凝土抗壓強(qiáng)度11.90MPa，位于邊墻腳與主線隧道交界處。

表2 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前襯砌應(yīng)力最大值

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前，既有隧道人行橫通道位置處的圍巖位移見(jiàn)圖5。

在既有人行橫通道縱剖面上，x向 (垂直于主線隧道方向)圍巖最大位移1.479mm，位于人行橫通道與主線相交處；豎向最大沉降6.315mm，最大隆起4.143mm；垂直于人行橫通道方向最大水平位移1.891mm，位于人行橫通道與主線隧道接口位置。

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前，原隧道人行橫通道與右線隧道相交區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn)塑性區(qū)主要分布在人行橫通道與主線隧道相交區(qū)域以及主線隧道拱肩、邊墻腳附近。

2.3.4 橫通道施工后的計(jì)算結(jié)果與分析

本節(jié)數(shù)值模擬右三號(hào)車行橫通道施工過(guò)程，包括對(duì)既有右線隧道襯砌拆除、新建三號(hào)車行橫通道的開(kāi)挖和施加支護(hù)。

既有右線隧道、人行橫通道與三號(hào)車行橫通道襯砌第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖5 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前人行橫通道縱斷面圍巖位移

圖6 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖前人行橫通道處圍巖塑性區(qū)分布

在新建右三號(hào)車行橫通道施作后，既有右線隧道襯砌第一主應(yīng)力整體較小，在一般部位均小于0.80MPa；個(gè)別部位最大值為9.34MPa(拉應(yīng)力)，大于C25混凝土抗拉強(qiáng)度1.27MPa，位于既有隧道邊墻腳與新建車行橫通道相交處；既有右線隧道第三主應(yīng)力整體較小，大部分區(qū)域小于-1.70MPa，最大值-20.52MPa(壓應(yīng)力)，大于 C25混凝土抗強(qiáng)度11.90MPa，位于拱腰與新建車行橫通道相交處。

圖7 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后隧道襯砌應(yīng)力

既有人行橫通道襯砌第一主應(yīng)力大部分區(qū)域小于53.45kPa，最大值為0.64MPa(拉應(yīng)力)，位于邊墻腳與主線隧道交界線附近，小于C25混凝土抗拉強(qiáng)度1.27MP；第三主應(yīng)力力最大值-2.27MPa(壓應(yīng)力)，小于混凝土C25抗壓強(qiáng)度11.90MPa，位于拱肩與主線隧道交界處。

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后，主線隧道與既有人行橫通道第一、第一主應(yīng)力最大值與分布位置見(jiàn)表3。

右三號(hào)車行橫通道斷面圍巖在坐標(biāo)軸三個(gè)方向的位移分布情況見(jiàn)圖8。

表3 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后襯砌應(yīng)力最大值

圖8 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后圍巖位移

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后，隧道圍巖位移整體較小。垂直于既有隧道軸線水平位移最大值出現(xiàn)在右三號(hào)車行橫通道與既有右線隧道交接部位，量值為2.532mm；圍巖最大沉降位于主線隧道拱頂，為7.780mm，最大隆起位于主線隧道底板，為4.513，mm；垂直于右三號(hào)車行橫通道圍巖最大位移2.042mm，位于既有人行橫通道與主線隧道相交區(qū)域。

右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后，圍巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖9。塑性區(qū)主要分布在右三號(hào)車行橫通道與既有右線隧道交界線周邊，以及既有隧道拱肩、拱腰與邊墻腳區(qū)域。原人行橫通道縱斷面圍巖塑性區(qū)范圍也較大。

圖9 右三號(hào)車行橫通道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布

3 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果與分析

為加強(qiáng)觀測(cè)確保橫通道施工安全，一方面對(duì)監(jiān)控量測(cè)斷面按間距5m加密布置，另一方面還結(jié)合上章計(jì)算結(jié)果，除了將常規(guī)的隧道頂部、邊墻及隧道拱腳部作為穩(wěn)定性監(jiān)控的重點(diǎn)控制部位外，還特別增設(shè)了邊墻沉降測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖10。測(cè)量中量測(cè)頻率及精度要求根據(jù)現(xiàn)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行。

圖10 測(cè)點(diǎn)、測(cè)線布置示意圖

圖11中藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)為右三號(hào)車行橫通道(位于新建隧道樁號(hào)YK4+145)處的邊墻豎向變形測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線。由圖11可以看出，右三號(hào)車行橫通道可劃分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定三個(gè)階段。右三號(hào)車行橫通道在開(kāi)挖后前6天的時(shí)間段內(nèi)變形較快，變化速率為0.8～1.5mm/d，最終變形為3.3mm。

圖11 邊墻豎向變形時(shí)程曲線圖

為分析探討隧道圍巖變形規(guī)律，現(xiàn)選取右三號(hào)車行橫通道中靠近既有隧道處的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析。

(1)拱頂沉降

典型的拱頂沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖12。

由圖12分析可知，橫通道的隧道拱頂沉降其隨時(shí)間的變形特征可劃分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，并在12天之后基本趨于穩(wěn)定，呈收斂趨勢(shì)，具體如表4。以右三號(hào)車行橫通道拱頂沉降快速增長(zhǎng)階段為前6天，變形速率約為1.0～2.0mm/d，隨后一個(gè)星期變形速率約為0.1～1.5mm/d，隨后趨于穩(wěn)定，累計(jì)位移最大為9.37mm。

圖12 拱頂沉降時(shí)程曲線圖

(2)周邊收斂

典型的周邊收斂時(shí)程曲線見(jiàn)圖13。

圖13 周邊收斂時(shí)程曲線圖

由圖13分析可知，橫通道的隧道周邊收斂其隨時(shí)間的變形特征也可劃分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，14天之后基本趨于穩(wěn)定，呈收斂趨勢(shì)，具體見(jiàn)表5。右三號(hào)車行橫通道測(cè)點(diǎn)的周邊收斂快速增長(zhǎng)階段約5天，變形速率約為0.9～1.2mm/d，隨后一個(gè)星期變形速率約為0～0.25mm/d，隨后趨于穩(wěn)定。右三號(hào) 橫通道累計(jì)收斂最大為3.12mm。

表4 拱頂沉降位移階段劃分及特征

表5 周邊收斂位移階段劃分及特征

綜上所述，新建隧道右三號(hào)車行橫通道區(qū)段施工，其支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖變形總體上呈收斂趨勢(shì)，這表明新建隧道在經(jīng)歷了一段時(shí)間后變形趨于穩(wěn)定，同時(shí)也表明已有支護(hù)及施工措施可保證隧道圍巖的穩(wěn)定性與安全。

右三號(hào)車行橫通道(新建隧道YK4+145處)典型斷面的拱頂沉降、周邊收斂數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)值的比較見(jiàn)表6。由該表可以看出，右三號(hào)車行橫通道典型斷面實(shí)測(cè)終值為數(shù)值模擬結(jié)果的81%～83%，比數(shù)值模擬結(jié)果減小約20%，即監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)值約為數(shù)值模擬結(jié)果的80%左右。由于監(jiān)控量測(cè)總是在開(kāi)挖完成且初期支護(hù)實(shí)施后才能埋設(shè)測(cè)點(diǎn)并開(kāi)始測(cè)量計(jì)算，因此監(jiān)測(cè)工作不可避免地存在一定程度的滯后性，無(wú)法及時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)埋設(shè)前的隧道圍巖的沉降及收斂變形，因此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較計(jì)算結(jié)果減少約20%，這實(shí)際上是對(duì)未能及時(shí)測(cè)得的變形損失的反映。另外，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在隧道圍巖總體變形趨勢(shì)及最終位移量值方面其吻合程度也較好，這表明本文所使用計(jì)算方法及其結(jié)果是可靠的，可以為具體的施工實(shí)踐提供指導(dǎo)和幫助。

表6 實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論與展望

(1)新建橫通道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果在隧道圍巖總體變形趨勢(shì)及最終位移量值方面其吻合程度較好，表明本文所使用的計(jì)算方法及其結(jié)果是可靠的，可以為具體的施工實(shí)踐提供指導(dǎo)和幫助。

(2)工程地質(zhì)條件一直難于被人們所充分了解和掌握。即使有充分的地質(zhì)勘探技術(shù)和資金支持，囿于山嶺隧道沿線地形地貌多變，地質(zhì)單元類型復(fù)雜多樣，現(xiàn)有的勘察設(shè)計(jì)也不可能完全摸清弄透隧道的所有地質(zhì)條件。因此，以地質(zhì)模型為依托的有限元計(jì)算模型也只能是在一定程度上的近似，有限元分析在先天上就具有缺陷。如何更精確查明地質(zhì)條件，根據(jù)實(shí)際工程和地質(zhì)狀況，建立最優(yōu)的數(shù)值計(jì)算模型并尋找最佳的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算研究應(yīng)該是我們隧道工程領(lǐng)域共同的追求。

(3)本文主要選用的是振動(dòng)速度為研究對(duì)象，振動(dòng)速度能否成為振動(dòng)安全的唯一判據(jù)目前還有深入研究的必要。為了更接近實(shí)際情況，今后研究中可將頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間等引入爆破振動(dòng)研究，建立三參數(shù)甚至四參數(shù)的模型必將更真實(shí)地反應(yīng)工程的實(shí)際情況。