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。
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。
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。
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。
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。
2.2.1 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)
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。
3.2.1 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。
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。