向天兵，楊小龍，閆尚龍，司建強

(中國電建集團 昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051)

1 研究背景

水資源短缺是制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，跨流域引調(diào)水工程是解決此問題的基本手段[1]?！笆奈濉逼陂g我國將加快構(gòu)建國家水網(wǎng)主骨架和大動脈，推進省級水網(wǎng)建設(shè)，引調(diào)水工程將迎來新一輪發(fā)展高潮。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建、在建和待建的代表性大型引調(diào)水工程有40多項，年調(diào)水量累計超過1 000億m3，其中城鎮(zhèn)工業(yè)和生活用水是主要用途。城市環(huán)境下建設(shè)引調(diào)水工程將面臨城區(qū)淺埋隧洞施工影響控制的難題。

城區(qū)淺埋隧洞最大的特點是隧洞埋深淺、沿線穿越或臨近大量地表、地下建(構(gòu))筑物，施工過程中由于開挖擾動和地層損失容易引起地表沉降和建(構(gòu))筑物的變形破壞。目前尚沒有關(guān)于水工隧洞淺埋標準的統(tǒng)一界定，鐵路隧道、城市地鐵隧道、公路隧道分別按照圍巖類別、覆跨比、荷載等效高度來確定淺埋標準[2-3]，鄭穎人等[4]根據(jù)隧洞破壞機理和壓力拱的形成提出了深淺埋的分界標準，是否屬于淺埋主要在于能否形成壓力拱。根據(jù)大量工程經(jīng)驗，一般上部有效覆蓋層厚度不足洞徑2～3倍時可視為淺埋。

滇中引水工程輸水總干渠昆明城區(qū)段近60 km線路沿昆明城市北部和東部邊緣布置，受城市人居和基礎(chǔ)設(shè)施影響較大，下穿大量地表和地下敏感建(構(gòu))筑物。輸水建筑物主要以隧洞形式下穿城區(qū)，埋深總體較淺，圍巖穩(wěn)定性差，近接施工影響控制難度大。

目前關(guān)于近接施工影響控制研究主要集中在城市地鐵和市政隧道方面。朱才輝等[5]結(jié)合20多個城市地鐵工程地表沉降資料研究了隧道施工誘發(fā)地表沉降估算方法和規(guī)律；仇文革[6]從施工力學原理出發(fā)對地下工程近接施工進行了系統(tǒng)研究，提出了分區(qū)、分度準則；韓煊[7]基于國際上經(jīng)典的Peck公式研究了隧道施工引起地層位移和建筑物變形的實用預測方法；滕延京等[8-11]研究了隧道開挖對各類建(構(gòu))筑物和地下管線的影響及模擬分析方法。在水利工程淺埋隧洞方面，韓華超等[12]結(jié)合鄂北水資源配置工程開展了淺埋長輸水隧洞開挖支護和襯砌設(shè)計研究；陳平貨[13]研究了動力強度折減法在不同埋深隧洞穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用；王伯龍[14]研究了小凈距淺埋輸水隧洞下穿鐵路樞紐施工關(guān)鍵技術(shù)；劉陽[15]結(jié)合吉林省中部城市引松供水工程開展了淺埋壓力隧洞抗裂設(shè)計的數(shù)值模擬分析；李云等[16]結(jié)合牛欄江-滇池補水工程研究了包括淺埋隧洞開挖支護措施及環(huán)境影響控制在內(nèi)的引調(diào)水工程關(guān)鍵技術(shù)問題；徐建等[17]研究了復雜地表環(huán)境長距離引調(diào)水工程淺埋隧洞的施工方法。

本文依托滇中引水工程輸水總干渠昆明段，開展城區(qū)淺埋隧洞近接施工影響控制研究，提出包括施工條件分析、施工方法比選、設(shè)計方案確定、施工過程反饋和動態(tài)設(shè)計優(yōu)化在內(nèi)的全過程動態(tài)閉環(huán)反饋控制方法，總結(jié)闡述了每個環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容、邏輯關(guān)系和應(yīng)用方法，并在過昆明城區(qū)段典型淺埋隧洞設(shè)計施工中得到驗證。

2 近接施工影響全過程動態(tài)閉環(huán)反饋控制方法

城區(qū)淺埋隧洞近接施工影響控制采用全過程動態(tài)閉環(huán)反饋控制方法：在施工條件綜合分析的基礎(chǔ)上，對施工方法進行比選，針對施工方法開展具體的設(shè)計工作并確定設(shè)計參數(shù)，根據(jù)施工過程的多源信息反饋和設(shè)計方案實施效果，對設(shè)計方案進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，滿足隧洞本身和臨近建(構(gòu))筑物的安全穩(wěn)定。如圖1所示。

圖1 近接施工影響動態(tài)閉環(huán)反饋控制流程Fig.1 Flowchart of dynamic closed-loop feedback and control of adjacent construction influence

2.1 施工條件分析

首先，根據(jù)勘察成果，掌握隧洞埋深、穿越地層巖性、圍巖類別、物理力學性質(zhì)、地表水和地下水特征及斷層構(gòu)造帶發(fā)育情況等工程地質(zhì)條件。其次，調(diào)查并輔以必要的探測手段，掌握沿線地表和地下建(構(gòu))筑物的現(xiàn)狀和交叉關(guān)系，包括建(構(gòu))筑物類型、建設(shè)年份、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)型式、使用情況、與線路的交叉關(guān)系等。另外，應(yīng)統(tǒng)籌考慮影響施工方法選擇的其他因素，比如工期安排、投資控制、施工技術(shù)和裝備狀況、動力和原材料供應(yīng)、安全和環(huán)境保護要求等。

2.2 施工方法比選

在施工條件分析的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)經(jīng)濟綜合比選確定施工方法。目前城區(qū)隧洞施工相對成熟、通用的方法主要包括明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法和頂管法等，各類方法的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 施工方法優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages among different construction methods

明挖法：挖開地面，由上向下開挖土石方至設(shè)計標高后，自基底由下向上完成隧洞主體結(jié)構(gòu)施工，再回填基坑或恢復地面。

淺埋暗挖法：在新奧法的基礎(chǔ)上，采用多種輔助施工措施加固圍巖，及時支護和封閉成環(huán)，調(diào)動圍巖自承能力，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”方針。

盾構(gòu)法：全機械化施工方法，利用盾構(gòu)機在地層中掘進，同步完成土體切削、渣土輸送、襯砌管片拼裝和注漿等施工過程?，F(xiàn)代化盾構(gòu)機集光、機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體。

頂管法：在工作井內(nèi)借助頂推設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土體的摩擦力，將預制好的管節(jié)按設(shè)計的路徑在土體中頂進，并將土方運走。

2.3 設(shè)計方案確定

根據(jù)選定的施工方法開展淺埋隧洞近接施工及影響控制設(shè)計工作，主要包括以下內(nèi)容：變形預測與控制標準建立，明確開挖、支護和襯砌設(shè)計參數(shù)，開展監(jiān)測設(shè)計。

2.3.1 變形預測與控制標準

2.3.1.1 變形預測

隧洞開挖對既有建(構(gòu))筑物影響主要考慮隧洞開挖引起的地表沉降及建(構(gòu))筑物變形，一般采用Peck公式[18]，復雜和重要工程還應(yīng)采用三維數(shù)值模擬分析方法對變形進行預測。Peck公式將地表沉降橫向分布近似為正態(tài)分布曲線，即

(1)

式中：S為地面計算點的沉降；Smax為隧洞中心線正上方沉降(理論上是最大值)；y為隧洞中心線對應(yīng)地面點到計算點的水平距離；i為隧洞中心線對應(yīng)地面點到沉降曲線拐點處的水平距離，一般稱為“沉降槽寬度”。

韓煊等[19]研究了用地層損失率Vl和沉降槽寬度參數(shù)K表達的任意點沉降的實用計算公式，即

(2)

式中：A為隧洞斷面面積；z為地層中任意點深度；z0為隧洞中心點埋深。

2.3.1.2 變形控制標準

近接施工影響建(構(gòu))筑物可以分為房屋建筑、鐵路、公路和管線等類別，變形控制標準主要依據(jù)規(guī)范容許值和其他工程經(jīng)驗值綜合確定，如表2所示。

表2 近接施工建(構(gòu))筑物容許變形值Table 2 Allowable deformation of buildings under adjacent construction

2.3.2 開挖、支護和襯砌設(shè)計

針對選定的施工方法，根據(jù)工程地質(zhì)條件、建(構(gòu))筑物交叉關(guān)系和工程運行要求等，結(jié)合穩(wěn)定性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和變形控制標準等成果，確定隧洞開挖、支護和襯砌設(shè)計參數(shù)及其他輔助措施，各種施工方法對應(yīng)的設(shè)計要點如表3所示。

表3 各種施工方法設(shè)計要點Table 3 Key points of design for different construction methods

2.3.3 監(jiān)測設(shè)計

城區(qū)淺埋隧洞監(jiān)測設(shè)計包括監(jiān)測項目、布置、量測頻率、監(jiān)測預警值等，監(jiān)測項目分為洞內(nèi)監(jiān)測和建(構(gòu))筑物監(jiān)測兩方面。

洞內(nèi)監(jiān)測項目主要包括：變形監(jiān)測(收斂變形、圍巖內(nèi)部變形)，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、錨桿和鋼拱架等支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力等)，襯砌和圍巖的結(jié)合面開合度監(jiān)測，地下水監(jiān)測(水位、襯砌外水壓力)。

建(構(gòu))筑物監(jiān)測項目主要包括：地表沉降監(jiān)測，建(構(gòu))筑物影響監(jiān)測(沉降變形、傾斜變形、爆破振動監(jiān)測等)。

2.4 施工過程反饋

施工過程中多源信息反饋是驗證設(shè)計方案有效性、開展動態(tài)設(shè)計優(yōu)化及確保施工過程安全的基礎(chǔ)。施工過程多源信息主要有3類：①開挖揭露和地質(zhì)預報，包括開挖過程中揭露的地層巖性和構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、穿越或鄰近的建(構(gòu))筑物情況，以及為了解洞周和掌子面前方情況而開展的超前地質(zhì)預報、超前鉆探所反映的地質(zhì)條件；②監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括施工期洞內(nèi)、地表和鄰近建(構(gòu))筑物的應(yīng)力、變形、裂縫監(jiān)測，地表水和地下水監(jiān)測等；③實施效果，即設(shè)計方案實施后，施工過程中圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)施工過程多源信息反饋，對開挖、支護和襯砌等設(shè)計方案有效性進行評估，必要時補充進行勘察和設(shè)計復核。當實際監(jiān)測數(shù)據(jù)超過變形控制標準(預警值或容許值)或圍巖、支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形破壞時，應(yīng)當停止施工，分析原因并采取必要的措施。

需要說明的是，應(yīng)注意甄別不同類型信息的差異性或不兼容情況，以反映真實情況和客觀規(guī)律為前提，對信息或數(shù)據(jù)進行歸納分析及必要的修正。

2.5 動態(tài)設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)施工過程多源信息反饋，對原設(shè)計方案進行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，調(diào)整設(shè)計參數(shù)或增加輔助措施，控制隧洞本身變形破壞及對臨近建(構(gòu))筑物的影響。動態(tài)設(shè)計優(yōu)化的主要原則有：①安全性原則，保證施工期和運行期圍巖和結(jié)構(gòu)的安全性是最重要的原則；②可行性原則，做到技術(shù)可行，環(huán)境友好，施工便利；③經(jīng)濟性原則，確保安全和技術(shù)可行的情況下選擇成本較低的方案；④動態(tài)性原則，施工過程多源信息是動態(tài)變化的，設(shè)計優(yōu)化也應(yīng)適時調(diào)整，動態(tài)管理。

3 滇中引水工程過昆明城區(qū)淺埋隧洞近接施工影響控制

以滇中引水工程過昆明城區(qū)淺埋隧洞為例，介紹近接施工影響動態(tài)閉環(huán)饋控方法的應(yīng)用,受篇幅限制，部分內(nèi)容簡略介紹。

3.1 施工條件與施工方法

根據(jù)地質(zhì)條件和工程實際特點，滇中引水工程輸水總干渠昆明段將上覆有效巖體厚度不足3倍洞徑的洞段劃分為淺埋洞段，將上覆有效巖體厚度不足2倍洞徑的洞段劃分為容易冒頂塌方的特殊不良地質(zhì)洞段。昆明段淺埋洞段總長15.2 km，約占昆明段隧洞總長的13.2%。過昆明城區(qū)段主要涉及龍泉隧洞、龍泉倒虹吸、昆呈隧洞3座建筑物，主要包括龍泉隧洞過西北沙河水庫洞段和出口段，龍泉倒虹吸，昆呈隧洞進口段、下穿金馬村車站段、下穿白水塘村洞段和出口段，穿越地層以第四系湖、沖、洪積層為主，下穿或鄰近側(cè)穿廠礦企業(yè)、村莊、公路、鐵路和市政管道等敏感建(構(gòu))筑物100余座，施工環(huán)境極其復雜。過昆明城區(qū)段線路布置如圖2所示。

圖2 滇中引水工程過昆明城區(qū)段輸水線路布置Fig.2 Layout of water conveyance tunnel of Central Yunnan Water Diversion Project passing through the urban area of Kunming

比較有代表性的淺埋洞段是龍泉隧洞出口段、龍泉倒虹吸和昆呈隧洞過金馬村車站段，臨近建(構(gòu))筑物情況如表4所示。

表4 典型淺埋洞段臨近建(構(gòu))筑物情況Table 4 Adjacent buildings and structures of typical shallow-buried tunnel segments

上述洞段均經(jīng)過地表密集居民區(qū)和其他多個敏感建(構(gòu))物，明挖放坡涉及的征地拆遷難度大，僅龍泉倒虹吸征地拆遷費就高達8億元，且涉鐵建筑不具備征地拆遷的可能，工期也無法保證，因此均不考慮明挖法；上述洞段設(shè)計流量為55～80 m3/s，可用水頭有限，隧洞斷面尺寸總體較大，明顯大于一般市政工程的頂管尺寸，且長距離頂管需要多個中繼環(huán)，施工難度大，投資及施工風險難以控制，該方法同樣不適用。綜合斷面尺寸、洞段長度、埋深和地質(zhì)條件、臨近建(構(gòu))筑物敏感性及工程造價等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，確定全長5.07 km的龍泉倒虹吸采用盾構(gòu)法施工，龍泉隧洞出口段和昆呈隧洞過金馬村車站段采用淺埋暗挖法，其中龍泉隧洞出口段埋深較淺，綜合采用洞內(nèi)和地表加固措施。各段基本情況如表5所示。

表5 典型淺埋洞段基本情況及施工方法Table 5 Basic information and construction methods of typical shallow-buried tunnel segments

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 變形預測與變形控制標準

按照式(2)計算臨近建(構(gòu))筑物沉降變形預測值。以昆呈隧洞過金馬村車站段為例，取地層損失率Vl=1%，沉降槽寬度參數(shù)K=0.45，得到該段臨近建(構(gòu))筑物沉降變形預測值如表6所示。

表6 昆呈隧洞過金馬村車站段臨近建(構(gòu))筑物變形 預測結(jié)果Table 6 Estimated deformations of buildings under adjacent construction for Jinmacun railway station segment of Kunming-Chenggong tunnel

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合上述洞段臨近建(構(gòu))筑物沉降變形預測，參照其他工程經(jīng)驗，確定建(構(gòu))筑物變形控制標準如表7所示。實際設(shè)計中，除了表7的內(nèi)容，還根據(jù)建(構(gòu))筑物實際情況設(shè)定變形速率、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、預警值等指標以及不同部位的差異化指標。

表7 變形控制標準Table 7 Deformation control standard

3.2.2 開挖、支護和襯砌設(shè)計

開挖、支護和襯砌設(shè)計依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，綜合采用結(jié)構(gòu)力學、彈性地基梁、二維和三維有限元等方法進行計算并確定設(shè)計參數(shù)，如表8所示。龍泉隧洞出口段埋深總體較淺且全部為第四系地層，采用洞內(nèi)和地表綜合加固措施；昆呈隧洞過金馬村車站段埋深相對較大，地質(zhì)條件總體稍好，且涉鐵段采取地表措施存在困難，以洞內(nèi)強支護為主。

表8 主要設(shè)計參數(shù)Table 8 Main design parameters

3.3 施工過程反饋與動態(tài)設(shè)計優(yōu)化

從目前已施工洞段看，設(shè)計方案總體可行，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)基本控制在允許范圍內(nèi)，臨近建(構(gòu))筑物影響受控。施工過程中根據(jù)實際情況開展了反饋分析和動態(tài)設(shè)計優(yōu)化,如下所述。

(1)龍泉隧洞出口段：根據(jù)施工期補勘結(jié)果和征地拆遷協(xié)調(diào)工作開展情況，將原設(shè)計方案“地面隔離樁+地表CS注漿”優(yōu)化調(diào)整為“地面隔離樁+地面洞內(nèi)水平旋噴注漿+重點部位地面隔離樁+地面旋噴注漿”的方案，已順利完成施工，監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。

(2)龍泉倒虹吸：根據(jù)接收井施工期降水情況和開挖揭露地質(zhì)條件，經(jīng)分析評估，將凍結(jié)法出洞改為管棚法出洞，節(jié)約成本約200萬元，已安全出洞。

(3)昆呈隧洞(金馬村車站段)：根據(jù)開挖揭露情況，部分洞段開挖方式由控制爆破改為機械開挖，超前注漿、管棚、小導管等支護和注漿參數(shù)加強，鋼拱架增加臨時橫撐，目前施工基本順利。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)城區(qū)淺埋隧洞的特點和近接施工影響控制要求，提出全過程動態(tài)閉環(huán)反饋控制方法，包括施工條件分析、施工方法比選、設(shè)計方案確定、施工過程反饋和動態(tài)設(shè)計優(yōu)化等環(huán)節(jié)。

(2)施工條件分析是施工方法選擇的前提，應(yīng)統(tǒng)籌考慮工程地質(zhì)條件、地表和地下建(構(gòu))筑物現(xiàn)狀與交叉關(guān)系以及其他影響因素。

(3)城區(qū)隧洞相對成熟、通用的施工方法主要包括明挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法和頂管法，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟綜合比選確定適合的施工方法，在此基礎(chǔ)上開展設(shè)計工作。變形預測和變形控制標準以及監(jiān)測設(shè)計是設(shè)計工作的組成部分，變形控制標準的確定應(yīng)綜合考慮規(guī)范要求、工程實際特點和其他工程經(jīng)驗。

(4)施工過程多源信息反饋和動態(tài)設(shè)計優(yōu)化是保證近接施工影響控制的關(guān)鍵。

(5)滇中引水工程輸水總干渠過昆明城區(qū)淺埋段下穿或鄰近側(cè)穿各類敏感建(構(gòu))筑物100余座，施工環(huán)境極其復雜，具有典型的代表性，采用本文提出的全過程動態(tài)閉環(huán)反饋控制方法，目前近接施工影響整體受控。