張榮坤

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，公路、市政道路和鐵路等路網(wǎng)密度不斷提升，交通通道日益緊缺，不同方式間的交叉穿(跨)越逐漸增多[1]。大伙房水庫(kù)輸水二期工程是由大伙房水庫(kù)向遼寧省撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦等六城市輸水的一項(xiàng)大型輸水工程[2]，是遼寧中南部工農(nóng)業(yè)供水重要水源工程。大伙房水庫(kù)輸水二期工程輸水隧洞頂距高鐵阿金隧道開(kāi)挖底高程僅為28.96m，因此，有必要在隧道建設(shè)中開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)影響評(píng)價(jià)，確保供水工程安全運(yùn)行。

1 穿越段工程概況

1.1 大伙房水庫(kù)輸水二期工程

大伙房水庫(kù)輸水二期工程的工程等別為I等，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)[3]。輸水隧洞為有壓洞，圓形斷面，成洞洞徑6m，全段總長(zhǎng)30km[4]。輸水隧洞圍巖類(lèi)別以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主，只在樁號(hào)2+885處為Ⅴ類(lèi)圍巖，段長(zhǎng)31m，該位置與交叉點(diǎn)水平距離49.4m；3+047處為Ⅳ類(lèi)圍巖，段長(zhǎng)23m，該位置與交叉點(diǎn)水平距離212.4m。

1.2 沈白高鐵阿金隧道

阿金隧道位于撫順市東洲區(qū)，為單洞雙線(xiàn)隧道，起訖里程為DK59+000～DK60+710，隧道最大埋深約56.5m。最高高程約188.5m，最低約120.0m，隧道進(jìn)、出口均與路基工程相連[5]。隧道全段落位于R7000的右偏曲線(xiàn)上，進(jìn)口至DK59+050范圍縱坡為15.5‰的上坡，DK59+050至DK60+250范圍縱坡為3‰的上坡，DK60+250至出口范圍縱坡為18‰的上坡。

1.3 穿越段

阿金隧道于DK59+754.95上跨大伙房水庫(kù)輸水隧洞，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，由粉質(zhì)黏土、混合巖(全風(fēng)化—弱風(fēng)化)組成，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎軟弱，呈塊狀散體結(jié)構(gòu)。阿金隧道與大伙房水庫(kù)輸水二期工程平面交叉角約為87.15°，上跨位置處阿金隧道為3%的上坡段，阿金隧道軌面高程131.05m；該處大伙房水庫(kù)二期輸水工程隧洞洞底高程93.34m，洞徑6.0m，洞頂高程99.34m，輸水隧洞頂距阿金隧道軌面距離約為31.71m，距離隧道開(kāi)挖底高程約為28.96m。

2 穿越段設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

DK59+701.35～DK59+808.55段，采用單臂掘進(jìn)機(jī)非爆破開(kāi)挖，DK59+251.35～DK59+701.35段和DK59+808.55～DK60+258.55段，采取控制爆破，距離輸水隧洞最近距離處爆破振速不大于2.5cm/s，嚴(yán)格控制一次裝藥量及開(kāi)挖進(jìn)尺，確保隧道施工不影響居民的正常生活及隧洞輸水。阿金隧道為單洞雙線(xiàn)隧道，隧道洞身采用毫秒延時(shí)微振控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制最大單響藥量。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 Ⅲ級(jí)圍巖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

阿金隧道Ⅲ級(jí)圍巖段(DK59+260～DK59+540、DK60+040～DK60+150)爆破施工按照4m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行，設(shè)計(jì)不同類(lèi)別炮孔的炮孔數(shù)量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數(shù)量等爆破參數(shù)(見(jiàn)表1)，單孔最大裝藥量65.6kg。

表1 Ⅲ級(jí)圍巖臺(tái)階法爆破參數(shù)

2.2.2 Ⅳ級(jí)圍巖三臺(tái)階法爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

阿金隧道Ⅳ級(jí)圍巖段(DK59+251.35～DK59+260、DK59+540～DK59+610、DK59+985～DK59+040、DK60+150～DK60+200)爆破施工按照3m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行。

其中DK60+179.3～DK60+200Ⅳ級(jí)圍巖段屬于特殊控制段，循環(huán)進(jìn)尺及相關(guān)參數(shù)參照Ⅴ級(jí)圍巖，以現(xiàn)場(chǎng)試爆為準(zhǔn)調(diào)整具體相關(guān)參數(shù)，如不能達(dá)到監(jiān)控和要求標(biāo)準(zhǔn)，需按照施組要求按照電子雷管控制爆破重新設(shè)計(jì)不同類(lèi)別炮孔的炮孔數(shù)量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數(shù)量等爆破參數(shù)(見(jiàn)表2)，單孔最大裝藥量30.4kg。

表2 Ⅳ級(jí)圍巖三臺(tái)階法爆破參數(shù)

2.2.3 Ⅴ級(jí)圍巖三臺(tái)階法爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

阿金隧道Ⅴ級(jí)圍巖段(DK59+610～DK59+695、DK59+695～DK59+701.35、DK59+808.55～DK59+985)爆破施工按照1.2m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行，設(shè)計(jì)不同類(lèi)別炮孔的炮孔數(shù)量、裝藥量、最大段藥量、雷管段別及其數(shù)量等爆破參數(shù)(見(jiàn)表3)，單孔最大裝藥量14.4kg。

表3 Ⅴ級(jí)圍巖三臺(tái)階法爆破參數(shù)

3 安全評(píng)價(jià)

3.1 爆破影響

根據(jù)《水利水電工程施工通用安全技術(shù)規(guī)程》(SL 398—2007)[6]，爆破振動(dòng)安全允許距離按下式計(jì)算：

式中R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破時(shí)Q為總藥量，延時(shí)和毫秒爆破時(shí)為最大一段藥量，kg；

V——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，cm/s，取2.5cm/s；

K、α——與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，此處為中硬巖，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)K值可以取200，α值取1.6。

各類(lèi)圍巖距離輸水隧洞最近距離爆破振速驗(yàn)算成果見(jiàn)表4。

表4 爆破振動(dòng)速度計(jì)算值

從表4可以看出不同斷面對(duì)輸水隧洞最大爆破振動(dòng)速度均小于2.5cm/s，爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)既有輸水隧道設(shè)施的安全產(chǎn)生影響。

3.2 隧道完建期對(duì)輸水隧洞正常運(yùn)行的影響

3.2.1 力學(xué)分析法

鐵路隧道建成后，隧道荷載主要為結(jié)構(gòu)自重。阿金隧道交叉穿越位置為Ⅴ類(lèi)圍巖，新建沈陽(yáng)至白河鐵路工程隧道襯砌混凝土自重荷載為575kN/m，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)[7]，軌道結(jié)構(gòu)自重荷載最大為14.3kN/m2，即使按照內(nèi)軌頂面最大寬度9.4m滿(mǎn)布計(jì)算，其荷載最大為134.42kN/m，其余細(xì)部結(jié)構(gòu)荷載本次評(píng)價(jià)按襯砌混凝土自重荷載的0.5倍考慮，則沿隧道軸線(xiàn)方向荷載之和為575+575×0.5+134.42=996.9kN/m。而開(kāi)挖出的巖石總重量約為141×27=3807kN/m。可見(jiàn)隧道完建期總荷載遠(yuǎn)小于隧道開(kāi)挖出的石方重量，因此隧道完建后相對(duì)隧道開(kāi)挖前，輸水隧洞受到的鐵路工程附加應(yīng)力荷載為0。同時(shí)該段輸水隧洞圍巖分類(lèi)為Ⅲ類(lèi)及以上，巖石的成拱效應(yīng)好，對(duì)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響，不影響輸水隧洞的正常運(yùn)行。

3.2.2 規(guī)范法

根據(jù)普氏理論，隧洞開(kāi)挖后如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷塌落而形成一個(gè)拱形，稱(chēng)為塌落拱[8]。當(dāng)隧洞埋深較大時(shí)，塌落拱不會(huì)無(wú)限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱，作用于支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無(wú)關(guān)。

a.根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)[9]，淺埋和深埋隧道按照荷載等效高度值進(jìn)行判別：

HP≥(2～2.5)hq

hq=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

在鉆爆法施工條件下，Ⅰ～Ⅲ類(lèi)圍巖?。?/p>

HP=2hq

Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖?。?/p>

HP=2.5hq

式中HP——淺埋隧道分界深度，m；

hq——荷載等效高度，m；

S——圍巖級(jí)別；

ω——跨度影響系數(shù)；

B——隧道寬度，m；

i——B每增加1m時(shí)的圍巖壓力增加率，以B=5m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B<5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)5m

計(jì)算得

hq=0.45×23-1×[1+0.1×(7.2-5)]=2.196m

HP=28.96>2hq=2×2.196=4.392m

故鐵路隧道開(kāi)挖后，開(kāi)挖底高程至輸水隧洞頂高程的距離仍滿(mǎn)足深埋隧洞條件。則有

q=γhq=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

計(jì)算表明，鐵路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，輸水隧洞屬于深埋隧洞，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖壓力只與荷載等效高度hq有關(guān)，而荷載等效高度hq未發(fā)生變化，不影響輸水隧洞安全。

b.根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[10]，淺埋和深埋隧道按照荷載等效高度值進(jìn)行判別：

ha=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

式中ha——荷載等效高度，m；

S——圍巖級(jí)別；

ω——跨度影響系數(shù)；

B——隧道寬度，m；

i——B每增加1m時(shí)的圍巖壓力增加率，當(dāng)B<5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B>5m時(shí)，取i=0.1。

計(jì)算得

ω=1+0.1×(7.2-5)=1.22m

ha=0.45×23-1×1.22=2.196m

h=28.96>2ha=2×2.196=4.392m

故鐵路隧道開(kāi)挖后，開(kāi)挖底高程至輸水隧洞頂高程的距離仍滿(mǎn)足深埋隧洞條件。則有

q=γha=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

計(jì)算表明，鐵路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，輸水隧洞屬于深埋隧洞，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖壓力只與荷載等效高度hq有關(guān)，而荷載等效高度hq未發(fā)生變化，不影響輸水隧洞安全。

c.根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)[11]，輸水隧洞在交叉位置為鉆爆法施工，圍巖類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，輸水隧洞圍巖按照碎裂松散體考慮，作用在襯砌上的圍巖壓力按下式計(jì)算：

垂直方向

qv=(0.2～0.3)γRb

水平方向

qh=(0.05～0.1)γRh

式中qv——垂直均不圍巖壓力，kN/m2；

qh——水平均不圍巖壓力，kN/m2；

γR——巖體重度，kN/m3；

b——隧洞開(kāi)挖寬度，m；

h——隧洞開(kāi)挖高度，m。

由SL 279—2016可知，深埋隧洞垂直和水平向圍巖壓力，只與隧洞寬度和隧洞高度有關(guān)，而鐵路工程隧道修建前后，輸水隧洞屬于深埋隧洞，因此不影響輸水隧洞安全。

根據(jù)上述規(guī)范法計(jì)算結(jié)果，鐵路工程穿越輸水隧洞前后，水平和垂直圍巖壓力未發(fā)生變化。因此鐵路工程隧道穿越大伙房水庫(kù)輸水二期工程輸水隧洞，不會(huì)對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)造成影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

阿金隧道在爆破過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)裝藥，控制單孔裝藥量，控制大伙房輸水二期工程交叉處地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度小于2.5cm/s。采用力學(xué)分析法及規(guī)范法對(duì)阿金隧道完建期對(duì)大伙房輸水二期工程輸水隧洞正常運(yùn)行分析，輸水隧洞均屬于深埋隧洞，不受施工影響。