隧道施工對(duì)周邊構(gòu)筑物的風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施

王 斌

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連市 116024)

光明路主線為城市快速路，南起梭魚灣20號(hào)路，順接大連灣海底隧道，北至G201國道，路線全長6.952km。紅線寬50～70m，斷面為兩塊板，雙向6車道。建設(shè)形式為道路、橋梁、隧道，全線設(shè)置四座互通立交：東方路立交、中華路立交、振連路立交、G201國道立交。

1 工程概況

光明路延伸工程隧道路線沿規(guī)劃路由南向北，隧道采用分離式結(jié)構(gòu)。東線隧道起訖樁號(hào)為K0+580～K2+450，全長1870m(其中暗埋段隧道段長1720m，南側(cè)敞開段80m，北側(cè)敞開段70m)；西線隧道起訖樁號(hào)為K0+578.344～K2+442.750，西線隧道全長1864.41m(其中暗埋段隧道段長1717.75m，南側(cè)敞開段76.66m，北側(cè)敞開段70m)，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h。隧道單洞凈寬13.25m，行車道寬2×3.5m+3.75m，汽車荷載等級(jí)城—A級(jí)[1]。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，襯砌內(nèi)輪廓斷面采用統(tǒng)一的形式：拱部為單心半圓，側(cè)墻為大半徑圓弧，仰拱與側(cè)墻間用小圓連接。隧道主要穿越震旦系五行山群甘井子組(Zg)白云巖。圍巖總體呈破碎～較完整。隧址區(qū)內(nèi)中風(fēng)化白云巖，屬較堅(jiān)硬巖。但該基巖為碳酸鹽巖石，局部有巖溶發(fā)育，降低了整體的巖體強(qiáng)度。隧道走向與巖層走向斜交，洞室最大埋深58.1m，無高應(yīng)力存在。隧道總體豎向布置為北側(cè)敞開段(80m)接暗挖段(1610m)至南側(cè)箱涵段(110m)后接南側(cè)敞開段(70m),隧道總長為1870m。

2 施工方法

由于隧道是下穿城市生活區(qū)、石油化工工業(yè)區(qū)及配套區(qū)的城市暗挖隧道，周邊環(huán)境復(fù)雜，洞身穿越巖層屬較硬巖～硬巖；重點(diǎn)考慮安全、經(jīng)濟(jì)、可行等因素。并通過與鉆爆法、盾構(gòu)法比較，決定采用臂式掘進(jìn)機(jī)法。

暗挖段施工時(shí)分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法和臺(tái)階法。隧道四車道加寬段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；隧道三車道標(biāo)準(zhǔn)段Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)支護(hù)段采用CRD法；隧道三車道標(biāo)準(zhǔn)段Ⅴ級(jí)圍巖一般段采用CD法；隧道三車道標(biāo)準(zhǔn)段Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法。

南側(cè)敞開段先放坡開挖，坡面采用坡率1∶1并設(shè)置框格錨桿護(hù)坡，然后繼續(xù)向下采用坡率1∶0.3開挖并設(shè)置錨索擋墻結(jié)構(gòu)。

南側(cè)明洞段在西線暗挖隧道工作面在縱向上施做超過明洞2～3倍洞室寬度后，明洞處才可進(jìn)行施工；先放坡開挖，坡面采用噴射混凝土并設(shè)置錨桿護(hù)坡，澆筑明洞并設(shè)置防水層，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后回填覆土。

北側(cè)明挖部分段位于回填土區(qū)域，地勢(shì)高低不平，高差較大，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等，為消除滑坡危險(xiǎn)并利于施工，先進(jìn)行了基坑一次開挖設(shè)計(jì)，對(duì)場地進(jìn)行了平整，再設(shè)置降水井，降低地下水位，再采用放坡開挖，坡面采用噴射混凝土并設(shè)置錨桿護(hù)坡，在不影響暗挖隧道施工的條件下澆筑暗埋段結(jié)構(gòu)。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 對(duì)周邊道路的風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道周邊橫穿、平行、斜交的道路共有11條，其中工程范圍內(nèi)主要有兩條市政道路及一條廠區(qū)連接道路，分別是甘北路、山中街、廠區(qū)道路、罐區(qū)連接路。甘北路為雙向四車道，機(jī)動(dòng)車道寬14m，兩側(cè)人行道各寬3m；山中街為雙向兩車道，機(jī)動(dòng)車道寬7m，兩側(cè)人行道各寬2～4m；罐區(qū)連接路為14m寬廠區(qū)路。

北側(cè)連接廠區(qū)道路位于隧道明挖暗埋段，雨季降水后，淺埋段土體飽和、容重加大，雨水過后地下水位下降導(dǎo)致土在自重作用下有可能發(fā)生沉陷；隧道的開挖會(huì)對(duì)上部土體造成擾動(dòng)，進(jìn)而影響廠區(qū)道路，導(dǎo)致在某些薄弱區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的沉陷，同時(shí)暗埋段開挖或超挖會(huì)使基底產(chǎn)生反彈、擾動(dòng)后，在回填土重量作用下，又使反彈、擾動(dòng)(或超挖)部位產(chǎn)生較大的沉降值和差異沉降；南側(cè)淺埋段圍巖較破碎，暗挖隧道斷面最大達(dá)18.96m，采用CRD工法開挖，施工可能造成土體擾動(dòng)，進(jìn)而造成路面開裂或沉降風(fēng)險(xiǎn)；甘北路計(jì)算的最大沉降值為1.1mm，由于地質(zhì)條件不確定性等因素，計(jì)算中采用的巖土參數(shù)、計(jì)算模型如果與實(shí)際的地質(zhì)情況、受力工況等存有偏差，則可能導(dǎo)致對(duì)地表沉降的預(yù)期不準(zhǔn)確。

3.2 對(duì)周邊建筑的風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道下穿的主要建構(gòu)筑物(社區(qū))等約21處，受影響的學(xué)校3座、醫(yī)院1座、廠區(qū)2處、罐區(qū)3處。表1給出的是隧道下穿敏感建筑物節(jié)點(diǎn)分析。

表1 隧道下穿敏感建筑物節(jié)點(diǎn)分析

由于地質(zhì)條件不確定性等因素，計(jì)算中采用的巖土參數(shù)、計(jì)算模型如果與實(shí)際的地質(zhì)情況、受力工況等存有偏差，則可能導(dǎo)致對(duì)地表沉降的預(yù)期不準(zhǔn)確。同時(shí)，隧道開挖等可能引起周邊土體擾動(dòng)，繼而引起結(jié)構(gòu)的附加變形和應(yīng)力[2]。地上建筑大都位于隧道暗挖段，隧道開挖進(jìn)尺的大小、速度與開挖后支護(hù)的施工時(shí)間、襯砌的變形等對(duì)上部土體的影響可能導(dǎo)致坍塌冒頂引發(fā)地面塌陷，進(jìn)而影響到周邊建筑。

隧道下穿有機(jī)合成廠較近距離危險(xiǎn)源有：

(1)2個(gè)750m3聚丙烯粉料罐邊緣與隧道最小水平距離25m。

(2)2個(gè)丙烯臥灌邊緣距隧道最小水平凈距為26m。

圖2 有機(jī)合成廠聚丙烯粉料罐、聚丙烯臥罐與隧道位置關(guān)系示意圖

隧道北端暗挖隧道與箱涵交界處附近兩側(cè)為石化廠區(qū)儲(chǔ)氣罐區(qū)，暗挖隧道頂部距地面的距離為10～20m之間。

(3)液化氣球罐車間儲(chǔ)罐區(qū)距隧道最小水平凈距為73m。

(4)明挖敞開段東側(cè)為石化廠甲苯儲(chǔ)存區(qū)，與隧道最近水平距離為122m。

(5)其余危險(xiǎn)源車間距離隧道最小水平凈距均在100m以上。

不論在地面上建造何種工程結(jié)構(gòu)物，它總要坐落于地表或掩埋于土中，結(jié)構(gòu)物的重量由地基土的支撐力和地下水的浮力來平衡，即通常所說的靜力平衡，地基會(huì)因地下隧道開挖的擾動(dòng)而發(fā)生沉降變形。而化工廠內(nèi)設(shè)備、設(shè)施、儲(chǔ)罐和地下管線一旦發(fā)生變形很可能導(dǎo)致破裂，物料泄漏發(fā)生火災(zāi)、爆炸、污染環(huán)境、生產(chǎn)癱瘓等事故。隧道開挖造成的地層移動(dòng)主要由以下幾個(gè)方面原因：施工引起的地層損失、周圍地層受擾動(dòng)孔隙水的變化，受剪破壞的重塑土再固結(jié)以及襯砌變形等。

分別對(duì)隧道拱頂下沉、周邊收斂以及地表沉降進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果看出整個(gè)開挖過程中圍巖總體變形量不大，整個(gè)斷面開挖支護(hù)結(jié)束后拱頂最大豎向位移約為3.9mm，隧道拱腰最大水平圍巖為0.6mm，地表最大沉降為2.8mm，洞周收斂值在相應(yīng)規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.3 對(duì)周邊管線的風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道南、北側(cè)明挖段及北側(cè)箱涵段的管線為待拆遷管線。隧道周邊管線主要集中在暗挖段，有機(jī)合成廠廠區(qū)(25種不同種類、管徑)及以南的管線(29種不同管徑、種類)有：燃?xì)夤芫€、熱力管線、給水管線、雨水管線、通信管線、路燈等。

管線有埋地管和架空管，與隧道交叉或平行，管線直徑有DN50、DN80及DN200。埋地管至隧道頂深度的埋深均值在10m左右，隧道開挖可能引起土體隆起或沉降，進(jìn)而可能影響管線結(jié)構(gòu)的變形和位移，造成管線損傷，氣體泄漏；隧道施工質(zhì)量不佳，如隧道襯砌變形、支護(hù)不及時(shí)等也會(huì)導(dǎo)致土體應(yīng)力松弛，引發(fā)坍塌、沉降等地質(zhì)災(zāi)害可能造成管線變形受損等影響。

有機(jī)合成廠以北至暗挖與箱涵交界處的地下管線至隧道頂?shù)淖畲笊疃炔怀^6.42m，最小距離為4.9m。隧道在開挖過程中管線因受其周圍土體受到施工擾動(dòng)產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加位移，同時(shí)，由于管線的剛度大約為土體剛度的1000～3000倍，又必然會(huì)對(duì)周圍土體的移動(dòng)產(chǎn)生抵抗作用。管線對(duì)土體移動(dòng)的抵制作用主要與管線的管徑、剛度、接頭類型以及所處位置有關(guān)。因此在這些形式的作用下，管線就有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的破壞，管線有以下幾種可能破壞的形式：梁式斷裂、拉斷、剪斷、推斷、撬斷。

隧道明挖段東側(cè)87m處有與隧道軸線平行的輸油管線、輸氣管線(6種不同管徑、種類)，其存在的風(fēng)險(xiǎn)：

(1)可能造成管道土體擾動(dòng)、位移，甚至?xí)?dǎo)致長輸管道位移、變形、破裂，引起危險(xiǎn)事故；

(2)施工振動(dòng)較大影響管線運(yùn)行，可能導(dǎo)致位移、變形、破裂等情況，從而引發(fā)事故[3]。

在施工過程中對(duì)于淺埋段隧道開挖所處位置上部地表沉降隆起的監(jiān)測是控制保護(hù)地下管線的重要環(huán)節(jié)，但是這一部分(尤其是監(jiān)測)往往容易被施工人員所忽視，因此在地面沉降隆起變化較大時(shí)不能及時(shí)地反饋給施工管理人員，從而導(dǎo)致地下管線被損壞。

4 控制措施

隧道對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的風(fēng)險(xiǎn)主要源自于隧道的施工建設(shè)，因施工建設(shè)不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致上部土體受擾動(dòng)進(jìn)而影響到周邊建(構(gòu))筑物，其中對(duì)施工工藝的要求更為嚴(yán)格。具體的風(fēng)險(xiǎn)控制措施如下所述：

(1)為控制施工進(jìn)度，左、(中)、右導(dǎo)坑可同步作業(yè)，但應(yīng)保證足夠的縱向間距。上部臺(tái)階步距不宜過長，以3～5m為宜。嚴(yán)格控制單步開挖進(jìn)尺，并嚴(yán)格控制超欠挖，及時(shí)找平、回填，以便達(dá)到開挖輪廓圓順、開挖面平整，降低因應(yīng)力集中引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

(2)對(duì)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，應(yīng)嚴(yán)格控制側(cè)壁鋼架與拱部支撐連接質(zhì)量，并確保各部鋼架連接后位于同一垂直面內(nèi)，避免鋼架因受力扭曲。各步開挖后，應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)與臨時(shí)支撐，盡早封閉成環(huán)。嚴(yán)格控制落底安全，邊墻或仰拱開挖時(shí)，應(yīng)注意上部支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，尤其是邊墻部開挖時(shí)擬采用兩側(cè)交叉挖馬口施作，避免上部斷面兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空。

(3)臨時(shí)支撐應(yīng)在仰拱封閉成環(huán)，圍巖變形達(dá)到允許范圍內(nèi)時(shí)，才可考慮拆除，且一次拆除不宜超過15m。同時(shí)，加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測，尤其穿越淺埋段及圍巖穩(wěn)定性較差地段應(yīng)加密監(jiān)控量測的監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測頻率，并及時(shí)進(jìn)行回饋。

(4)因暗挖隧道南北兩側(cè)埋深較淺，管道種類較多且與隧道的垂直距離較近，可以采取注漿隔離措施，在隧道開挖推進(jìn)影響線上，通過一定深度和厚度的注漿加固，形成一個(gè)隔離層，控制隧道開挖對(duì)影響范圍內(nèi)的管線的變形。

5 結(jié)語

以大連市光明路延伸工程中隧道項(xiàng)目為實(shí)例，主要分析了隧道施工對(duì)周邊構(gòu)筑物(道路、建筑及管線)的安全風(fēng)險(xiǎn)，并提出了針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)的控制措施，對(duì)相關(guān)類似城市隧道建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒意義。