王曉梅，石文慧，程 瑤

(1.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;3.山西華晉巖土勘察有限公司，太原 030021)

1 工程概況

新石廟溝隧道屬改建鐵路襄渝線安康至重慶增線段，位于陜西省安康市境內(nèi)，隧道起訖里程為YDK323+138～YDK323+595，主體為單線鐵路隧道，其中進口緊鄰石廟溝車站，進口段30 m為喇叭口隧道，情況如表1所示。該隧道進、出口段與既有隧道間距接近20 m。雙線基本平行，軌面高程基本一致，如圖1所示。

表1 新石廟溝隧道概況

圖1 石廟溝隧道線路布置

既有石廟溝隧道已建成30多年，屬傍山隧道，為進出川渝的國家鐵路一級干線，運輸繁忙，在新隧道施工中，嚴禁造成任何影響既有線路運營的工況或事故。隧道斷面形狀為直墻拱頂，復(fù)合式襯砌，承受偏壓。隧址位于吉河—王家壩平移斷層南翼，基巖多裸露，地層單斜，巖體破碎，節(jié)理較發(fā)育。主要巖性為絹云母片巖及片理化凝灰?guī)r，中厚層～厚層狀，受區(qū)域變質(zhì)影響較深，巖體較破碎。進口段巖層極破碎、風(fēng)化帶最厚約達20 m。新隧道進口 YDK323+138～YDK323+350段和出口YDK323+550～YDK323+595段為V級圍巖，中間其余地段為Ⅳ級圍巖

通過核查既有隧道，發(fā)現(xiàn)該隧道部分襯砌混凝土老化，表面已剝落，局部有縱橫裂紋，襯砌內(nèi)表面局部有滴水現(xiàn)象，邊墻局部淌水，其它多處呈現(xiàn)表面潤濕。推測有局部襯砌與圍巖結(jié)合不緊密發(fā)生脫離。

2 新建石廟溝隧道對既有隧道影響分析

新建隧道對既有隧道的影響，取決于以下因素:①隧道的間隔，即既有隧道襯砌外緣到接近新建工程外緣的最小距離;②隧道的相對高度的位置關(guān)系;③新建隧道的規(guī)模;④新建隧道的施工方法(特別是開挖方式);⑤地形和地質(zhì)條件(地層的軟硬、埋深等);⑥既有隧道襯砌的結(jié)構(gòu)和力學(xué)健全度等[1]。下面結(jié)合石廟溝隧道的隧道間隔、地形及地質(zhì)條件、新隧道施工爆破振動的影響等方面進行進一步說明。

2.1 隧道間隔

從前面的敘述可知，新舊石廟溝隧道的軌面高程基本一致，隧道中線距離<20 m，根據(jù)隧道的位置關(guān)系和間隔大小，按照日本1997年公布的《接近既有隧道施工對策指南》，兩隧道間隔為1.5D～2.5D(D為隧道直徑)，屬于要注意的范圍［1－3］。隨著新隧道開挖面的向前推進，由開挖面引起的支護能力就會隨之減弱，兩隧道之間的圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，隧道發(fā)生變形，將相應(yīng)地出現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)區(qū)。如圖2所示，新建隧道的開挖，使圍巖產(chǎn)生松動，原來的平衡狀態(tài)被打破，襯砌在左側(cè)側(cè)向圍巖壓力的強迫作用下，發(fā)生了向右的位移，就仿佛新隧道對舊隧道有一種拉伸作用似的，最靠近新隧道一側(cè)邊墻受到的影響明顯比其它地方大。這種“拉伸作用”可能會引起襯砌結(jié)構(gòu)的破壞和襯砌變形侵限。

圖2 開挖新隧道引起既有隧道襯砌的變形

2.2 地形及地質(zhì)條件

結(jié)合隧道線路布設(shè)條件和實際地質(zhì)條件，隧道處于山脊一側(cè)，存在一定的偏壓作用，并且圍巖破碎，圍巖級別普遍較低。在偏壓情況下，新石廟溝隧道的開挖產(chǎn)生了兩種影響:一種是對既有石廟溝隧道的“拉伸作用”，另一種是既有隧道右側(cè)圍巖壓力大增。通過分析，既有隧道所受偏壓效應(yīng)明顯大于新建隧道的“拉伸作用”，所以襯砌產(chǎn)生了遠離新隧道的變形，就好像新隧道在壓迫舊隧道似的(圖3)。

圖3 既有隧道襯砌在偏壓圍巖壓力下的變形

2.3 新隧道爆破振動對既有隧道的影響

新建隧道施工爆破時，大量裝藥爆破釋放的能量部分直接以應(yīng)力波的形式傳播到周圍巖體中，并進而引起應(yīng)變，會危及既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定。在爆破沖擊波的作用下，既有隧道襯砌迎爆側(cè)邊墻所受到的影響最為顯著。既有隧道襯砌迎爆側(cè)面處于比背爆側(cè)高得多的高應(yīng)力狀態(tài)。對于迎爆側(cè)來說，其內(nèi)側(cè)與外側(cè)的應(yīng)力值會有所差別，迎爆側(cè)內(nèi)側(cè)的主應(yīng)力比外側(cè)略大[2]。

爆破振動對建筑物破壞程度以所在地質(zhì)點峰值振動速度作為衡量標準。對于鄰近施工爆破，應(yīng)采用控制爆破使開挖范圍外的巖石引起的爆破振動速度最小，使之不影響既有線隧道結(jié)構(gòu)和行車安全。按照我國的《爆破安全規(guī)程》(GB6722－2003)規(guī)定，既有隧道允許爆破振動速度不應(yīng)超過10 cm/s［4－5］。由于該既有隧道抗震能力較差，爆破振動速度宜控制在 6 cm/s以下。

2.4 既有隧道襯砌的結(jié)構(gòu)和力學(xué)健全度

既有石廟溝隧道已建成30多年，部分襯砌混凝土老化，襯砌內(nèi)表面局部有滴水現(xiàn)象，邊墻局部淌水，其它多處呈現(xiàn)表面潤濕。表明既有石廟溝隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全度已接近其承載力的極限，其力學(xué)健全度也大大的降低。新建石廟溝隧道的開挖必然會對既有隧道產(chǎn)生較大的影響，如處理不當，極容易造成既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

3 施工中的工程對策

3.1 既有石廟溝隧道加固

新石廟溝隧道與既有線凈距 <20 m，并且既有隧道部分襯砌已出現(xiàn)混凝土老化等現(xiàn)象，為確保既有隧道安全，對其采取加固措施。

具體措施如下:

1)襯砌背后鉆孔壓注水泥漿，封堵襯砌和圍巖裂隙，隔離水源，堵塞水點，以排除襯砌背后積水，增強襯砌與圍巖黏接。能使襯砌與巖層結(jié)合密實，以防止圍巖進一步變形，并相應(yīng)地加固襯砌和使其均勻受力。

2)在靠近新建線路一側(cè)，對既有線隧道拱腰及邊墻部位采用系統(tǒng)錨桿加固，錨桿為R25 mm中空錨桿，長3 m，間距1.0 m，梅花形布置。

3.2 新建石廟溝隧道施工措施

新石廟溝隧道施工安排在既有石廟溝隧道加固后進行，主要施工措施如下［6-9］:

1)開挖時采用“套拱法”進洞;進洞后 YDK323+138～YDK323+160段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工;Ⅳ級圍巖采用臺階法施工;單線Ⅴ級圍巖采用上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土三臺階法施工。幾種開挖方法視圍巖及對既有隧道的影響平滑過渡。隧道開挖后對隧道圍巖進行施工階段圍巖級別判定。

2)洞身臺階法開挖時部分地段將上下半斷面分別分成兩部分開挖，先開挖遠離既有隧道的一側(cè)，再開挖另一側(cè);同時減小鉆孔深度，減少單孔裝藥量。利用先開挖的空間為臨近既有隧道的開挖部創(chuàng)造出臨空面，減少了對既有隧道的振動影響。

3)洞身爆破開挖采用微振動控制爆破或光面爆破工藝，塑料導(dǎo)爆管微差毫秒雷管起爆，并將掏槽眼布置在遠離既有隧道的一側(cè)。

4)采用短進尺、炮孔線形布置和起爆、加強炮孔堵塞等以減小爆破振動。

5)在緊鄰既有隧道一側(cè)邊界首先打隔離減振孔;或每兩個裝藥周邊孔之間設(shè)一空孔做減振孔，形成孔間距為25 cm的一排密孔，它既可以有效地反射隧道開挖區(qū)爆破時產(chǎn)生的應(yīng)力波和振動波，減少振動波對既有隧道的破壞，又可起到導(dǎo)向孔的作用。

6)噴錨支護緊跟開挖面及時施作，以減少圍巖暴露時間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛及影響到既有隧道。待噴錨支護全斷面施作完成后，開挖并灌筑仰拱混凝土，使支護盡早閉合成環(huán)，整體受力，確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 安全監(jiān)測

在新建隧道施工對鄰近既有隧道影響的研究中，對現(xiàn)場進行監(jiān)控量測是非常重要的工作。

1)新石廟溝隧道地質(zhì)情況現(xiàn)察

在每次爆破后對新石廟溝隧道地質(zhì)狀況進行監(jiān)測，采用的儀器以地質(zhì)羅盤、數(shù)碼相機為主，主要確定圍巖的巖性、地層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，最終確認圍巖的級別，看是否與原設(shè)計圍巖級別有差別。另外也要加強對新建隧道的地表下沉、隧底隆起等項目的監(jiān)測。

2)既有隧道洞周襯砌表面裂縫發(fā)展及滲水情況

在每次給定的天窗時間(沒有列車通過的時段，每天約1 h)進行，在原有裂縫及施工縫處貼觀測塊標記(如圖4)，仔細觀察其是否繼續(xù)發(fā)展、是否有新裂縫出現(xiàn)，原有裂縫滲水是否有增大趨勢，是否有新增滲水裂縫。

圖4 既有隧道裂縫發(fā)展情況觀測塊

3)既有隧道周邊收斂位移

采用SL－2便攜式鋼尺收斂計，每25 m設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個斷面設(shè)4條測線(圖5)。主要是對隧道壁面兩點間相對變形量的量測。它是判斷圍巖動態(tài)的最主要的量測項目，是隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映。

圖5 位移測線布置

4)混凝土表面應(yīng)變

采用振弦式應(yīng)變計進行量測，每50 m布設(shè)一個量測斷面，每個量測斷面上布設(shè)5個測點，分別安裝在拱腳處、直墻中部、直墻下部等位置。通過監(jiān)測混凝土襯砌表面變形情況，了解混凝土襯砌的變形特征以及混凝土襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，進而掌握混凝土襯砌所受應(yīng)力的大小，確保隧道圍巖及襯砌的安全性。

5)爆破振速測試

在新石廟溝隧道開挖爆破時，用振動測速儀對既有隧道的振動速度進行監(jiān)測，以控制新石廟溝隧道開挖爆破的振動，指導(dǎo)新隧道的爆破施工，確保既有隧道的安全。由于新隧道進口和出口段為V級圍巖，中間地段為Ⅳ級圍巖，所以本次爆破振動監(jiān)測在既有隧道的這三段各測試一次，分別選擇在新隧道開挖掌子面鄰近時進行。

3.4 數(shù)據(jù)整理分析

將監(jiān)測得到的各項數(shù)據(jù)進行整理和分析，找出變化的規(guī)律。以既有隧道周邊收斂位移為例:圖6為監(jiān)測所得既有隧道YDK323+575斷面洞周收斂位移—時間曲線，測線3的最大累積收斂位移為1.280 mm，最終累計收斂位移0.475 mm，并趨于穩(wěn)定，隧道二次襯砌未開裂，滿足相關(guān)規(guī)定的要求[10]。其它斷面情況基本類似，最大洞周收斂位移均很小，而且基本趨于減少或穩(wěn)定。

同樣對其它監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)整理和分析，表明皆符合安全的要求，證明對既有隧道的加固和新建隧道開挖中采取的相關(guān)措施是正確合理的。

圖6 既有隧道YDK323+575斷面洞周收斂位移—時間曲線

4 結(jié)束語

由于分析了石廟溝新隧道施工對既有隧道的影響，并在施工中采取相應(yīng)有效的措施，確保了新石廟溝隧道施工時既有隧道結(jié)構(gòu)的安全，保證既有線正常、安全運營及新隧道施工的安全與質(zhì)量。新石廟溝隧道已于2007年7月貫通。新石廟溝隧道的成功施作，為今后類似隧道的施工積累了良好的經(jīng)驗。

[1] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003年1月:321－344.

[2] 潘曉馬，鄰近隧道施工對既有隧道的影響［D］.成都:西南交通大學(xué)，2002:42－45.

[3] 黃大勇.近距離隧道施工相互影響的ANSYS模擬［D］.貴陽:貴州大學(xué)，2006:47－48.

[4] 中華人民共和國標準化協(xié)會.GB6722－2003爆破安全規(guī)程［S］.北京:中國標準出版社，2004.

[5] 孫芳強.新蛇皮溝隧道施工對既有隧道的穩(wěn)定性影響研究［D］.西安:長安大學(xué)，2006:33－34.

[6] 秦峰，吳存興.小凈距隧道開挖方法淺論［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(6):39 －42.

[7] 畢強，吳金剛，馬杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學(xué)分析及工程處理措施［J］.鐵道建筑，2009(8):50-54.

[8] 高俊青.新庫魯塔格隧道爆破施工引起鄰近既有隧道振動特征的研究［J］.鐵道建筑，2009(10):52-56.

[9] 朱宇.改進新建隧道對既有隧道振動影響的爆破技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(10):46-48.

[10] 中華人民共和國鐵道部.J163－2002鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.