交叉隧道施工安全監(jiān)測及控制技術(shù)研究

宋青波 張 奇 單洪濤 王海龍 趙 巖

(1.中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口 075000；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施尤其是鐵路干線的建設(shè)規(guī)模日趨擴大.受鐵路選線限制，新建鐵路工程不可避免地會穿越崇山峻嶺，設(shè)計人員往往通過隧道工程解決這一工程難題.地下空間利用率日趨增大，新建隧道經(jīng)常會與既有地下工程組成復(fù)雜的近接工程，例如，并行隧道、交叉隧道等.根據(jù)巖石力學(xué)知識，巖體在天然地應(yīng)力的作用下處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，而既有地下工程的開挖破壞了天然應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖發(fā)生彈塑性應(yīng)力重分布.受應(yīng)力環(huán)境的影響，隧道襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖均會產(chǎn)生附加應(yīng)力及變形，由此引起的圍巖塑性區(qū)形狀及大小也會隨著開挖的進(jìn)程發(fā)生變化.因此，近接工程施工過程中，監(jiān)測、計算圍巖及襯砌的變形和應(yīng)力顯得十分重要.

依托福建鶴上隧道工程，夏才初[1]進(jìn)行了多項目監(jiān)測工作，系統(tǒng)研究了大斷面小凈距隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的演化規(guī)律；賀美德[2]以北京地鐵10號線下穿工程為背景，分析了大斷面通道盾構(gòu)上穿區(qū)間隧道引起的變形規(guī)律；王軍[3]依據(jù)馬宅頂不對稱連拱隧道工程，運用現(xiàn)場實測手段分析了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況；包德勇[5]運用ANSYS軟件對新建線路下穿既有高速公路進(jìn)行了模擬，研究得到交叉隧道施工過程中的力學(xué)行為變化規(guī)律；黃海斌[6]利用數(shù)值模擬的方式研究了不同開挖方式下穿鐵路隧道帶來的影響；劉柱[7]系統(tǒng)地研究并提出了了水下交叉隧道的施工方案.WEN等[8]結(jié)合具體工程實例，系統(tǒng)研究了新建隧道開挖對既有并行隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；Attewell[9]等通過理論推導(dǎo)的方式對隧道開挖對臨近管道及土體的沉降變形進(jìn)行了研究；王海龍[10]等對交叉隧道控制爆破施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后的分段爆破施工方案可以有效減小交叉隧道的爆破振動.

實際工程中，爆破施工仍是山嶺隧道最主要的開挖方式，而由爆破引起的結(jié)構(gòu)振動對圍巖及周邊巖土結(jié)構(gòu)的影響都是不可忽略的.因此，隧道爆破振動監(jiān)測，尤其是針對既有結(jié)構(gòu)的爆破振動安全監(jiān)測具有重要的工程意義.Zhao等[10]選取隧道非交叉段近似模擬，得到交叉隧道的允許裝藥量及影響區(qū)域半徑；通過FLAC3D平臺，朱正國[11]不同爆破方式對立體交叉隧道動力響應(yīng)的影響，并劃分得到不同影響程度的安全范圍.Zhao等[12]依托隧洞洞口段爆破振動試驗，通過信號分析的方法研究爆破振動能量隨炸藥量及爆心距的變化規(guī)律.Hosseini[13]等發(fā)現(xiàn)利用Multivariate Adaptive Regression Splines預(yù)測爆破引起的地面振動效果良好，與其他預(yù)測工具相比，展現(xiàn)出良好的優(yōu)勢.Hasanipanah[14]等利用粒子群算法優(yōu)化爆破振動預(yù)測系統(tǒng)，結(jié)果顯示粒子群的預(yù)測精度與選擇的適應(yīng)度函數(shù)有關(guān)，選取合適的適應(yīng)度函數(shù)可以得到較高的預(yù)測精度.

上述研究都是圍繞既有高速或普通鐵路隧道展開的[15-16]，而在實際隧道施工過程中往往會遇到上跨既有重載鐵路隧道，而重載列車荷載相比于其他類型列車對隧道交叉段的不利影響會被放大.基于此，本文以新建京張高鐵某交叉隧道工程為背景，通過現(xiàn)場實測研究隧道下穿段圍巖穩(wěn)定性的變化，此外，依據(jù)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)優(yōu)化支護(hù)方案及爆破施工方案，以期為交叉隧道爆破施工及支護(hù)施工提供一定的數(shù)據(jù)借鑒.

1 工程概況

所依托隧道工程位于河北張家口市沙嶺子鎮(zhèn)陳家莊附近，山勢陡峭，山體大部分可見基巖暴露，地面高程674.14～809.02m.新建隧道在DK173+954.4～DK174+970.9段下穿既有唐張鐵路隧道，交接里程DK173+962.6，對應(yīng)交叉點既有隧道的里程樁號為IDK65+620，兩隧道最小垂直凈距約16m.交叉段新建隧道圍巖等級為V級，既有隧道設(shè)計為V級圍巖.兩隧道平面交叉位置如圖1所示.

圖1 交叉隧道平面示意圖

2 交叉隧道施工安全監(jiān)測方案

下穿隧道爆破施工會直接影響圍巖及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加強交叉隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測有助于保證交叉隧道施工安全.

本文的主要監(jiān)測內(nèi)容包括新建隧道的拱頂沉降及周邊收斂、既有隧道二次襯砌沉降及爆破施工引起結(jié)構(gòu)振動速度.

表1為隧道監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，其中取監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的75%作為預(yù)警值，監(jiān)測數(shù)值接近監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)值時，應(yīng)停止施工，采取相應(yīng)措施.

圖2 交叉隧道測點布置圖

表1 交叉隧道監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 新建隧道拱頂沉降及周邊收斂

新建隧道拱頂沉降縱向分部曲線如圖3所示，典型斷面的拱頂沉降曲線如圖4所示.表2不同圍巖等級下新建隧道拱頂沉降.

由圖3可知，施工引起隧道的拱頂沉降較大，最大值發(fā)生在距離交叉斷面僅為2.6m的DK173+960.由表2可知，隧道圍巖級別越高，隧道拱頂沉降越大，特別地，Ⅴ級圍巖的平均累計沉降已達(dá)37.16mm.

由圖4可知，不同的圍巖級別及距交叉點不同的距離對隧道拱頂沉降值的穩(wěn)定時間有較大影響.

圖3 新建隧道拱頂沉降縱向分布曲線 圖4 新建隧道典型斷面拱頂沉降曲線

表2 不同等級圍巖拱頂沉降

圖5 隧道典型斷面周邊收斂(SL2-4)曲線

圖6 隧道典型斷面周邊收斂(SL1-3)曲線

典型測點的隧道周邊收斂測試結(jié)果見圖5～6，周邊收斂曲線(SL2-4、SL1-3)均經(jīng)歷了“急劇—緩和—趨于平穩(wěn)”三個階段.上臺階開挖對收斂位移的影響最大，在中臺階及下臺階開挖時有一定增長，值得注意的是，仰拱施工完成后，隧道周邊收斂基本完成累計位移的95%，說明隧道施工及時進(jìn)行仰拱支護(hù)，可以有效減小在建隧道的兩幫變形，現(xiàn)實隧道施工過程中應(yīng)及時完成仰拱施工，完成閉環(huán).

圖7 隧道下沉測點布置

3.2 既有隧道二次襯砌沉降

從圖8可知，隧道開挖引起既有隧道二次襯砌沉降的范圍為0.5mm～4.5mm；最大沉降量出現(xiàn)在測點IDK25+610處，在經(jīng)歷大約50天豎向沉降量達(dá)到4.5mm.超前大管棚及超前小導(dǎo)管對既有隧道二次襯砌沉降的發(fā)展有一定的抑制作用.特別地，臨時仰拱對穩(wěn)定上部隧道圍巖具有積極作用，同時，仰拱施工完成后，既有隧道結(jié)構(gòu)豎向沉降基本達(dá)到最終值的85%～90%.

圖8 既有隧道二次襯砌沉降曲線

3.3 爆破振動監(jiān)測

研究結(jié)果表明，隧道爆破施工對既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻影響較大[17-19].在每個測點處布置一個可以同時測振儀均配置有相應(yīng)的采集X、Y、Z三個方向爆破振速的振動速度傳感器，速度傳感器可以與相應(yīng)的爆破測振儀TC-4850N聯(lián)合使用.

圖9 既有隧道爆破振動測點布置

通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，合理調(diào)整爆破方案，確保既有鐵路隧道正常運營.本次主要針對爆破振動三個方向的合成速度進(jìn)行研究.

表3 交叉隧道爆破實測數(shù)據(jù)

從爆破施工位置來看，僅上臺階爆破開挖誘發(fā)的爆破振動較小，然而同時爆破開挖引起的爆破振動明顯放大.基于此，建議下穿隧道開挖時嚴(yán)禁上臺階與其他部位同時爆破施工.

4 交叉隧道施工方案優(yōu)化

4.1 支護(hù)方案優(yōu)化

為了減小隧道施工對既有隧道的影響，采用三臺階臨時仰拱開挖，配合Ⅴ級加強支護(hù)，如圖10所示.采用超前大管棚配合超前小導(dǎo)管的超前支護(hù)形式組成隧道--圍巖預(yù)支護(hù)聯(lián)合體系.利用上述施工方案，隧道的拱頂沉降及周邊收斂單日最大位移均不超過3.5mm，滿足設(shè)計要求.

圖10 隧道三臺階臨時仰拱初期支護(hù)

4.2 控制爆破施工

通過薩達(dá)夫斯基爆破振速衰減模型計算，利用最小二乘法回歸分析得到爆破振動相關(guān)待定系數(shù)為K=181.69、α=1.81.

通過薩道夫斯基公式反算可以得到，在達(dá)到交叉段DK173+954.4～DK174+970.9時最大振速為12.42cm/s，遠(yuǎn)超過鐵路隧道設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn).

注：圖中數(shù)字單位均為厘米.圖11 隧道上臺階炮孔布置圖

優(yōu)化后的上臺階爆破采用預(yù)留核心土的方式進(jìn)行開挖，循環(huán)進(jìn)尺不大于0.8m，爆破施工采用多段雷管起爆、減、雷管跳段使用，避免相鄰雷管起爆引起共振.此外，掏槽眼采用多級楔形掏槽，周邊眼采用空眼布置的原則，改善爆破效果.圖11為臺階爆破炮眼布置圖.

現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋，圖12為爆破方案優(yōu)化后的爆破振動時程曲線，如圖所示，爆破振動速度得到了有效地控制.

圖12 爆破振速時程曲線

5 結(jié) 論

依托京張高鐵某交叉隧道，通過實時監(jiān)測，得到如下結(jié)論：

1)周邊收斂曲線(SL2-4、SL1-3)均經(jīng)歷了“急劇變化—緩和變化—趨于平穩(wěn)”三個階段；仰拱開挖后隧道位移基本趨于穩(wěn)定.

2)超前大管棚及超前小導(dǎo)管支護(hù)對既有隧道沉降的發(fā)展具有一定的抑制作用.仰拱施工完畢后上部既有隧道沉降基本趨于穩(wěn)定.

3)爆破施工方案優(yōu)化后，既有隧道爆破振動速度得到了有效的控制，可以為類似隧道控制爆破施工提供一定的借鑒意義.