羅祿森

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

1 工程概況

成渝城際客運鐵路專線為國家規(guī)劃建設(shè)的“滬漢蓉”城際客運專線的重要組成部分，目前正在緊張施工中。線路全長約302 km。引入重慶樞紐的新紅巖隧道全長6 699 m，位于重慶繁華的沙坪壩區(qū)，設(shè)計行車速度100 km/h。部分線位沿既有梨樹灣～菜園壩線。既有線建于1971年～1975年間，隧道設(shè)計均為單線隧道，故沿既有線位的隧道進(jìn)行單線擴(kuò)建雙線設(shè)計。隧道洞身上部多居民點分布，主要為多層磚房。為了盡量避免隧道施工對上部房屋建筑的影響，新紅巖隧道線位在沿既有線位的基礎(chǔ)上進(jìn)行了局部繞行。

由于新紅巖隧道穿越于繁華城區(qū)，且進(jìn)出口淺埋段上部居民、商業(yè)房屋建筑較多，隧道拱頂?shù)乇矸课菡{(diào)查表按埋深統(tǒng)計總表見表1。新紅巖隧道進(jìn)口淺埋段現(xiàn)場情況如圖1所示。因此，如何在減小隧道施工對地表房屋及居民的影響下確定隧道施工方案成為隧道設(shè)計的重點、難點。

表1 隧道拱頂?shù)乇矸课菡{(diào)查統(tǒng)計表

圖1 新紅巖隧道進(jìn)口現(xiàn)場照片

根據(jù)新紅巖隧道所處地質(zhì)條件及周邊環(huán)境綜合分析，確定施工方案的影響因素主要有以下兩個方面。

(1)隧道開挖引起淺埋段隧道地表沉降、造成地表房屋開裂；

(2)隧道爆破施工段落爆破振動影響地表建筑、爆破噪聲影響居民生活問題。

本文主要針對隧道施工對環(huán)境的兩方面影響，通過FLAC數(shù)值模擬，分析不同埋深隧道的施工沉降規(guī)律，結(jié)合地表建筑爆破振動安全允許值，確定新紅巖隧道施工方案。

2 隧道施工引起的地表沉降規(guī)律

地表沉降主要發(fā)生在淺埋隧道段，主要原因是由于隧道上方覆土太淺無法形成承載拱，導(dǎo)致隧道上部土體隨隧道洞身開挖下沉。

新紅巖進(jìn)出口淺埋段為既有單線隧道擴(kuò)建雙線隧道，除地表有1～2 m黏土層，隧道洞身均位于泥巖夾砂巖弱風(fēng)化地層。地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。

本次分析地表沉降主要是以隧道進(jìn)口淺埋段擴(kuò)挖施工段為研究對象，采用FLAC數(shù)值模擬實際施工步序，分析不同埋深條件下擴(kuò)挖隧道對地表沉降的影響以及沉降槽的分布形式。

2.1 計算工況

由于地表房屋分布較多，且與隧道的相對位置關(guān)系復(fù)雜，本次分析主要選取各個埋深條件下房屋分布最不利工況進(jìn)行分析，具體計算工況表詳見表2所示。地表沉降分析典型斷面見圖2。

表2 計算工況

圖2 地表沉降分析典型斷面(10 m埋深)

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告及隧道設(shè)計參數(shù)，本次數(shù)值分析計算參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

2.3 計算模型

計算模型為平面模型，兩側(cè)距離隧道中心為65 m(約5倍洞徑)，底部邊界離隧道軌面約40 m，隧道頂面覆土按各工況實際埋深選取，上部邊界自由。其中隧道初期支護(hù)、二次襯砌均采用實體單元進(jìn)行模擬，地表房屋均按照均布荷載考慮。

圖3 隧道部分網(wǎng)格細(xì)部

圖4 整體計算模型(10 m埋深工況)

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 隧道施工位移場

分析各種埋深條件下，隧道施工完成后隧道的位移場分布規(guī)律，10 m埋深工況隧道施工完成后位移場分布見圖5所示。

圖5 施工完成后位移場分布(10 m埋深)

小結(jié)：①從位移與埋深的關(guān)系來看，隨著隧道埋深的增加，隧道開挖后初期支護(hù)豎向位移減小。②從施工步驟來看，擴(kuò)挖既有隧道右上臺階的位移增長量約占總沉降量的80%左右，為施工控制關(guān)鍵工序。

2.4.2 地表沉降曲線

地表沉降曲線是反映隧道施工對地表建筑影響程度的直接體現(xiàn)。下面根據(jù)各種工況下隧道施工地表各監(jiān)測點最終位移分布，繪出地表沉降槽，各種工況下地表沉降曲線見圖6所示。

圖6 各種埋深工況地表最終沉降曲線

小結(jié)：①從地表沉降值與隧道埋深關(guān)系來看，地表沉降值隨隧道埋深增加而減小，隧道埋深從5 m增加到20 m，地表沉降值從65 mm減小到21 mm。②從地表沉降槽橫向?qū)挾葋砜?，隨著埋深的增加，橫向影響寬度增加；另外，地表沉降槽橫向?qū)挾冗€與隧道頂?shù)乇矸课莘植嘉恢糜嘘P(guān)?？傮w而言，隧道地表沉降槽橫向影響寬度在隧道中線左右側(cè)15 m左右。③各工況地表沉降主要指標(biāo)如表4所示。

表4 各工況地表沉降主要指標(biāo)

3 地表沉降對建筑物及結(jié)構(gòu)的影響控制指標(biāo)

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，確定地表沉降對建筑物及結(jié)構(gòu)的影響控制指標(biāo)，參見相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)如表5、表6所示。

表5 建筑物的地基變形允許值

表6 建筑物容許最大沉降量

注:括號內(nèi)數(shù)值適用于剛性較大的基礎(chǔ)。

綜合以上分析，結(jié)合本線隧道頂建筑多為磚墻結(jié)構(gòu)、房屋質(zhì)量普遍不高的現(xiàn)狀，本次確定地表最大沉降以35 mm控制，以兩基礎(chǔ)之間間距10 m考慮，橫向10 m內(nèi)沉降點差異沉降按25 mm控制。

4 爆破對地表建筑及居民的影響

4.1 爆破振動國家安全控制標(biāo)準(zhǔn)

我國爆破安全規(guī)程(GB 6722-2003)規(guī)定：地面建筑物的爆破振動判據(jù)，采用保護(hù)對象所在地質(zhì)點峰值振動速度和主振頻率。安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表7。

表7 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合我國爆破安全規(guī)程，確定土窯洞、土坯房和毛石房屋爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)為：0.5 cm/s；一般磚房及框架房屋，爆破振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為2.0 cm/s，極限振動速度控制標(biāo)準(zhǔn)為5 cm/s。

4.2 爆破對居民的影響

爆破對居民的影響主要是爆破噪聲以及爆破沖擊波超壓。結(jié)合我國爆破安全規(guī)程，爆破沖擊波超壓小于0.02×105Pa，爆破噪聲控制在55 dB以下。

5 隧道施工方案及房屋臨時安置原則分析

5.1 隧道施工方案探討

根據(jù)地表房屋爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)，按地表建筑物最大振動速度小于2 cm/s控制，埋深15 m以下控制爆破方案需采用逆臺階法，炮孔布置多，且要求單孔起爆，施工進(jìn)度慢；爆破對地表建筑及居民仍存在影響，施工風(fēng)險高。而埋深15 m以上段落采用控制爆破施工，施工工期能夠保證，對環(huán)境的影響可以控制。

由此，建議埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

5.2 地表房屋臨時安置原則分析

根據(jù)施工引起的地表沉降規(guī)律，結(jié)合地表沉降對建筑物及結(jié)構(gòu)的影響控制指標(biāo)，可以初步認(rèn)為：埋深在15 m時，地表沉降最值約31 mm，10 m橫向沉降點沉降差值約為20.46 mm，均在控制值邊界，故可以認(rèn)為15 m埋深以上隧道地表沉降對地表房屋基本無安全性及使用功能影響。

由此，建議隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用臨時安置。

6 初步結(jié)論

(1)由于城市隧道位于房屋密集區(qū)，施工方案的選擇需根據(jù)不同埋深以及地表建構(gòu)物情況來確定，綜合考慮施工地表沉降及爆破振動的影響。

(2)根據(jù)施工對地表房屋的影響、施工進(jìn)度、施工風(fēng)險等綜合考慮，建議埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

(3)根據(jù)隧道施工引起的地表沉降對地表房屋的影響，建議隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用臨時安置。

(4)國內(nèi)不同城市的地質(zhì)情況及施工環(huán)境各異，本文旨在提出城市隧道施工方案設(shè)計的要點，對城市隧道工點設(shè)計提供參考。

[1] TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S]

[2] GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[3] GB 6722-2003爆破安全規(guī)程[S]

[4] 鐵道部第二勘查設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊-隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1999