劉忠強(qiáng)+李旭

摘要： 隨著近年來(lái)國(guó)家基礎(chǔ)工程建設(shè)力度的加大，地鐵暗挖隧道下穿既有隧道的施工項(xiàng)目逐漸增加。保證新建隧道的施工安全和既有隧道的正常運(yùn)營(yíng)是施工的重難點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)新建隧道下穿既有隧道的施工控制文獻(xiàn)研究分析，論述了隧道載荷、振動(dòng)爆破、監(jiān)控量測(cè)對(duì)新建隧道下穿既有隧道的影響。結(jié)論認(rèn)為，在修建此類隧道時(shí)采用工程類比法分析荷載，利用弱振動(dòng)爆破形式，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)有利于保證施工的安全和既有隧道的正常運(yùn)營(yíng)。

Abstract： With the increase of national basic engineering construction in recent years， the construction projects of underground tunneling undercrossing the existing tunnels have gradually increased. It is a important and difficult task to ensure the construction safety of the new tunnel and the normal operation of the existing tunnel. This paper studied and analyzed the literature about the construction control of the newly built tunnel undercrossing the existing tunnel， and discussed the influence of the tunnel load， vibration blasting and monitoring measurement on the construction. The conclusion was that the use of engineering analogy method to analyze the load and the use of weak vibration blasting mode to strengthen the monitoring and measurement is beneficial to ensure the construction safety and the normal operation of the existing tunnels.

關(guān)鍵詞： 下穿既有隧道；施工控制；隧道荷載分析；振動(dòng)爆破；監(jiān)控量測(cè)

Key words： undercrossing existing tunnel；construction control；tunnel load analysis；vibration blasting；monitoring measurement

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）04-0238-03

0 引言

隨著地下空間的不斷開(kāi)發(fā)和利用，同時(shí)伴隨著“十三五”規(guī)劃的推進(jìn)，國(guó)家及政府對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的資金、力度的大力投入和支持，城市地鐵施工成為重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，然而在暗挖隧道工程規(guī)劃與建設(shè)中，新建隧道下穿既有隧道類的施工項(xiàng)目隨之不斷增加，由于不同的地質(zhì)條件、地形條件和運(yùn)營(yíng)情況等因素，這類工程在施工的過(guò)程中存在較大的安全隱患。而我國(guó)在此類工程中研究相對(duì)較少，因此在我國(guó)建設(shè)此類工程需要考慮國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性采取一定的措施，在保證施工安全的前提下，采用合理的施工技術(shù)及工藝流程，才能保證施工的順利進(jìn)行。在修建此類隧道時(shí)，新建隧道施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)既有隧道圍巖、襯砌等的受力特征及穩(wěn)定性，變形、裂縫變化和正常的運(yùn)營(yíng)等產(chǎn)生影響。為了確保新建隧道施工時(shí)盡可能減少對(duì)既有隧道的擾動(dòng)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一定的施工控制，采取合適的施工方法，嚴(yán)格控制爆破試驗(yàn)獲得的爆破參數(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)，按照監(jiān)控量測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)控，以確保既有隧道的安全[1]。

1 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

至今，針對(duì)新建隧道下穿既有隧道的工程，國(guó)內(nèi)外研究較少，多數(shù)是對(duì)單孔隧道和水平平行隧道采用數(shù)值模擬的方法分析研究并取得了一些成果[2，3]，然而目前工程界對(duì)于小凈距、大角度間距等下穿隧道的受力機(jī)理、施工過(guò)程力學(xué)形態(tài)等規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚有不足，缺乏一定系統(tǒng)性的研究，局限于半經(jīng)驗(yàn)半解析解，在施工上較水平平行隧道更難于控制[4，5]。因此急需要對(duì)此類隧道的設(shè)計(jì)與施工等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)可行性研究工作。

在國(guó)內(nèi)方面，陳先國(guó)，高波[6]利用ANSYS軟件對(duì)地鐵近距離平行隧道進(jìn)行了模擬，分析了不同開(kāi)挖順序?qū)λ淼赖挠绊?，研究表明第二孔隧道的掘進(jìn)對(duì)已修建的第一孔隧道有較大的影響。張志強(qiáng)，河川[7]以南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿玄武湖公路隧道為例，并進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬研究，分析了不同推力作用下的變形及監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明應(yīng)降低推進(jìn)力—放慢掘進(jìn)速度，不宜加大推進(jìn)力—快速通過(guò)，且推進(jìn)力量值切換點(diǎn)應(yīng)在距離既有隧道正下方大于6m處，并加大對(duì)既有隧道底板的監(jiān)控，以保證安全性。楊年華，劉慧[8]通過(guò)DYNA—2D程序?qū)嚯x爆破引起的隧道周邊振動(dòng)場(chǎng)的研究，論述了爆破性質(zhì)、地質(zhì)條件對(duì)爆破衰減的影響，并根據(jù)動(dòng)分析，提出有關(guān)降低爆破振動(dòng)的措施。畢繼紅[9]等運(yùn)用有限元的基本理論，采用ANSYS軟件對(duì)鄰近隧道爆破震動(dòng)對(duì)既有隧道進(jìn)行了研究，分別就不同圍巖類型、不同隧道間距下既有隧道的振動(dòng)進(jìn)行了分析。張玉軍[10]等以豐澤街隧道下穿泉廈高速公路太平山隧道為例，進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，分析了圍巖的應(yīng)力和變形狀態(tài)，給出了相應(yīng)的開(kāi)挖、支護(hù)的方法和施工時(shí)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容的建議。

國(guó)外對(duì)于這方面的研究，日本研究較為突出，其出版的《近接隧道施工的設(shè)計(jì)與指南》詳細(xì)分析了影響新建隧道與既有隧道的六大主要主要因素，包括：隧道的凈距、立面相對(duì)位置關(guān)系、新建隧道的規(guī)模、施工方法、地形和地質(zhì)條件、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。其中，按隧道位置的相對(duì)關(guān)系劃分交疊隧道相互影響的范圍如表1[11，12]。endprint

SolimanE，DuddeckH[13]等采用有限元分析的方法對(duì)地層中近接兩條地鐵隧道開(kāi)挖進(jìn)行了力學(xué)分析，闡明了一個(gè)單孔隧道的應(yīng)力與位移的變化，并比較得出了雙孔隧道的相應(yīng)變化。Chehade F H[14]等利用數(shù)值模擬的方法分析了修建雙隧道，或修建與既有隧道相鄰隧道時(shí)，隧道的相對(duì)位置和施工工程隊(duì)襯砌的影響。

2 施工控制技術(shù)

隧道施工應(yīng)堅(jiān)持“二十一字原則”，即“管超前、預(yù)注漿、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”。施工方法的選取應(yīng)遵循如下三條的判別原則：首先是充分發(fā)揮圍巖的自承能力和基本維持圍巖的原始狀態(tài)；其次是預(yù)支護(hù)原理的正確運(yùn)用；最后是開(kāi)挖能量最小原理。在施工中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求采用合適的施工技術(shù)。本文研究的是新建隧道下穿既有隧道的施工控制，為了保證新建隧道施工的安全和既有隧道正常的運(yùn)營(yíng)，需要采取合理的措施和技術(shù)，特別是在隧道荷載分析，振動(dòng)爆破，監(jiān)控量測(cè)等方面。

2.1 隧道荷載分析 一般通過(guò)對(duì)隧道的荷載確定，才能根據(jù)隧道荷載范圍制定合理并科學(xué)的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及好的施工措施和技術(shù)。然而在此類下穿隧道的施工中，荷載所采用的一般是圍巖的松動(dòng)壓力。圍巖壓力的確定目前常用的方法有下列三種：第一，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量法，此類方法是研究的發(fā)展方向，也是一種以實(shí)際為出發(fā)點(diǎn)的方法，但是由于受到測(cè)量設(shè)備和技術(shù)水平的局限，其計(jì)算方法還存在好多不足之處，仍然不能普遍采用；第二，理論公式計(jì)算法，它基于相關(guān)理論運(yùn)用實(shí)踐研究分析圍巖壓力的有效方法。由于圍巖地質(zhì)狀態(tài)的改變，所用的計(jì)算參數(shù)難以取得確定的值，以及各種影響因素，要建立一種適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論計(jì)算方法存在許多困難，因此也存在好些不足之處；最后是經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法，即統(tǒng)計(jì)法，這類方法的實(shí)施必須以大量的前期勘測(cè)與資料統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，并作為后建工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。此類方法能夠較真實(shí)的反應(yīng)圍巖壓力，故是目前使用較多的方法。對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果不能直接用于荷載設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，一方面，圍巖的物理學(xué)參數(shù)不能被準(zhǔn)確測(cè)定；其次是由于隧道所受荷載由可變荷載和永久性荷載控制，且其量級(jí)比較大，不能準(zhǔn)確計(jì)算出；另一方面，隧道的自承能力不僅是由圍巖自身所控制，還受施工時(shí)間、施工方法、支護(hù)形式等因素的影響。因此，計(jì)算值應(yīng)加以修正再用于工程實(shí)踐中。

2.2 振動(dòng)爆破 爆破作為隧道開(kāi)挖的一種方法，應(yīng)根據(jù)不同的條件選擇合理的爆破方法才能取得好的爆破效果。然而在新建隧道下穿既有隧道的爆破過(guò)程中，若以強(qiáng)振動(dòng)爆破的方式開(kāi)挖，會(huì)對(duì)既有隧道的框架結(jié)構(gòu)以及受力等產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，以威脅到隧道的質(zhì)量安全。因此在此類隧道的開(kāi)挖中一般采用弱振動(dòng)的爆破形式，再者綜合對(duì)一些工程的研究分析和監(jiān)測(cè)，還需對(duì)既有隧道受爆眼的距離、裝藥情況、炸藥類型、地層條件以及隧道健全度加以控制。爆破振動(dòng)的破壞程度是以振動(dòng)速度為衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[15]規(guī)定，既有隧道允許的振動(dòng)速度為小于10-12cm/s，施工過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)新建隧道與既有隧道巖層的垂直厚度來(lái)控制新建隧道開(kāi)挖爆破的振動(dòng)。在新建隧道與既有隧道的交疊處，需在其2-3倍洞徑前后范圍施工時(shí)，應(yīng)合理控制爆破振動(dòng)速度[16]，以保證施工的順利進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值的振動(dòng)速度的控制，根據(jù)公認(rèn)的前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[17]，可以得出爆破振動(dòng)安全距離如下：

式中：R—爆心距測(cè)點(diǎn)距離，m；Q—最大段裝藥量，kg，齊發(fā)爆破取總裝藥量，微差爆破或秒差爆破取最大裝藥量；K—地質(zhì)系數(shù)；？琢—爆破地震波衰減系數(shù)；V—測(cè)點(diǎn)因爆破引起的振速，cm/s；m—藥量指數(shù)。

注：根據(jù)工程地質(zhì)條件及《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）確定經(jīng)驗(yàn)公式法參數(shù)。

2.3 監(jiān)控量測(cè) 監(jiān)控量測(cè)是監(jiān)視圍巖穩(wěn)定及判斷設(shè)計(jì)與施工方法是否正確的重要手段，另一方面對(duì)于保證施工安全和提高經(jīng)濟(jì)效益也有積極的影響。隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方案是基于隧道的地形地貌、支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)、隧道施工方法等條件確定的。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目有一部分是必測(cè)的，還有一部分選測(cè)的，主要根據(jù)圍巖級(jí)別和現(xiàn)場(chǎng)條件具體確定監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目。一般來(lái)說(shuō)，必測(cè)項(xiàng)目能夠?yàn)樗淼朗┕ぬ峁└庇^、更可靠的圍巖狀況的數(shù)據(jù)。本文所研究的隧道項(xiàng)目中，需要對(duì)既有隧道和新建隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工活動(dòng)，以進(jìn)一步提高施工活動(dòng)的安全系數(shù)。鑒于此，對(duì)于既有隧道和新建隧道進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控是必不可少的一項(xiàng)工作。

2.3.1 既有隧道的監(jiān)測(cè) 對(duì)既有隧道的監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的研討總結(jié)出一套符合實(shí)際的地層穩(wěn)定性規(guī)律，同時(shí)掌握既有隧道襯砌的力學(xué)狀態(tài)及其變化趨勢(shì)，同時(shí)全面了解隧道結(jié)構(gòu)變形、整體沉降、爆破振動(dòng)速度、襯砌表面應(yīng)變的影響作用，提前制定應(yīng)急處理措施來(lái)應(yīng)對(duì)一些安全隱患或安全事故，為支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整和施工方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。按照常規(guī)操作方法，既有隧道的監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)該選在其左右線隧道中線與新建隧道中線交叉部位及其兩側(cè)對(duì)稱布置[18]。

2.3.2 新建隧道的監(jiān)測(cè) 根據(jù)圍巖條件、隧道工程規(guī)模、支護(hù)類型和施工方法等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目的選擇。此類新建隧道中主要對(duì)新建隧道水平相對(duì)凈空變化、拱頂相對(duì)下沉、爆破振動(dòng)速度等項(xiàng)目量測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化幅度大，應(yīng)采取相應(yīng)的緊急措施來(lái)應(yīng)對(duì)。再者應(yīng)對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，及時(shí)的反饋和調(diào)整，以致于能很好地進(jìn)行信息化施工。

2.3.3 交叉點(diǎn)的監(jiān)測(cè) 在臨近交叉點(diǎn)施工時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)新建隧道和既有隧道的監(jiān)控量測(cè)，對(duì)新、既隧道系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，加密測(cè)點(diǎn)，加大量測(cè)頻率。通過(guò)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，合理調(diào)整施工開(kāi)挖方法、爆破參數(shù)及起爆方式，以確保既有隧道的安全和新建隧道的順利施工。并且在交叉點(diǎn)施工后，應(yīng)對(duì)既有隧道交叉點(diǎn)附近隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)重新進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，以確保隨著時(shí)間的推移隧道也是安全的。

3 結(jié)論與展望

本文概述了隧道荷載分析、振動(dòng)爆破、監(jiān)控量測(cè)在新建隧道下穿既有隧道施工控制技術(shù)的研究。得到結(jié)論如下：①不同施工順序和工藝流程對(duì)新建和既有隧道的影響程度分析和對(duì)比，采用工程類比法對(duì)隧道荷載的分析有助于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中施工控制，同時(shí)也有利于提高施工效率，改善施工進(jìn)度。②爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響較大，要嚴(yán)格控制爆破的各種參數(shù)，嚴(yán)格控制其振速及爆破的距離，以確保安全性。③加強(qiáng)對(duì)既有隧道、新建隧道的監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行信息反饋和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。endprint

對(duì)于新建隧道下穿既有隧道的施工控制技術(shù)，除了以上主要三方面外，還包括支護(hù)的優(yōu)化、施工方法的選取、加固措施的實(shí)施等。在以后的研究開(kāi)發(fā)中可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)法、數(shù)值分析法、模型模擬法等主要方法，也可以采用監(jiān)測(cè)法、類比法、對(duì)比法等來(lái)對(duì)此類隧道進(jìn)行研究分析，可以再結(jié)合國(guó)外的研究成果，形成一套相對(duì)成熟的技術(shù)理論和創(chuàng)新科技，能夠?yàn)橐院笙嚓P(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工提供可靠的理論支撐和豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，完善相關(guān)管理體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]易世剛.新建隧道下穿既有高鐵隧道施工方案研究[J].山西建筑，2012，38（23）：206-207.

[2]鄭俊杰，包德勇，龔彥峰，等.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，23（8）：80-84.

[3]Soliman E， Duddeck H， Ahrens H. Two- and three-dimensional analysis of closely spaced double-tube tunnels[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 1993， 8（1）：13-18.

[4]Yamaguchi I， Yamazaki I， Kiritani Y. Study of ground-tunnel interactions of four shield tunnels driven in close proximity， in relation to design and construction of parallel shield tunnels[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 1998， 13（3）：289-304.

[5]陳衛(wèi)軍，朱忠隆.近距離交疊隧道研究現(xiàn)狀及評(píng)析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39（1）：42-46.

[6]陳先國(guó)，高波.地鐵近距離平行隧道有限元數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（9）：1330-1334.

[7]張志強(qiáng)，何川.南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道“下穿”玄武湖公路隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（11）：1711-1716.

[8]楊年華，劉慧.近距離爆破引起的隧道周邊振動(dòng)場(chǎng)[J].工程爆破，2000，6（2）：6-10.

[9]畢繼紅，鐘建輝.鄰近隧道爆破震動(dòng)對(duì)既有隧道影響的研究[J].工程爆破，2004，10（4）：69-73.

[10]張玉軍，劉誼平.上下行隧道立交處圍巖穩(wěn)定性的有限元計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2002，23（4）：511-515.

[11]袁溢.新建鐵路隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道的設(shè)計(jì)與施工[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014（6）.

[12]劉巍.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術(shù)研究[J].城市建筑，2016（23）：285.

[13]Soliman E， Duddeck H， Ahrens H. Two- and three-dimensional analysis of closely spaced double-tube tunnels[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 1993， 8（1）：13-18.

[14]Chehade F H， Shahrour I. Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels： Influence of the relative position and construction procedure[J]. Tunnelling & Underground Space Technology， 2008， 23（2）：210-214.

[15]GB6722—86，爆破安全規(guī)程[S].

[16]劉均紅.新建引水隧洞下穿既有鐵路隧道爆破施工影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（1）：94-97.

[17]Low H Y， Hao H. Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading[J]. Structural Safety， 2001， 23（2）：157-178.

[18]趙金華.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術(shù)研究[J]. 決策與信息旬刊，2015（5）：178.endprint