丹平路貓公壩隧道上穿供水隧道的風險控制

車明升

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東深圳 518040）

1 工程概況

隨著我國鐵路、公路及市政建設事業的高速發展，越來越多的隧道工程投入建設。受地物、地形和地質條件等因素的限制，同一場地區域內兩條隧道在不同高度位置相互穿越的情況逐漸增多[1]。許多新建隧道與既有隧道之間凈距較近，施工過程影響既有隧道結構，影響其運營安全的情況時有發生。

深圳市丹平快速路是《深圳市干線道路網規劃》中“七橫十三縱”的重要組成部分。道路性質為城市快速路；設計行車速度80 km/h。

貓公壩隧道位于丹平快速路主線樁號K3+257～K3+939位置上，穿越深圳水庫北側的貓公壩山。該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風化程度混合花崗巖。

貓公壩隧道左線長度678 m，右線長度673 m，結構形式為小凈距復合襯砌隧道。

貓公壩隧道（擬建）左線與現況既有布吉水廠供水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角55°、凈距3.7 m），同時與深圳市東部引水隧道斜交（上穿越既有隧道、斜交角43°、凈距19.8m），如圖1所示。

鑒于兩條供水隧道的重要作用，新建貓公壩隧道必須保證供水隧道的結構安全。

2 工程地質與水文地質條件

貓公壩隧道洞口段屬于山嶺崗丘地貌，風化厚度較大，地形較平緩，洞口多為第四系坡殘積土及不同程度風化基巖，洞口現狀穩定性好，無滑坡、崩塌等不良地質現象。左線該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風化程度混合花崗巖，巖體為結構碎塊狀鑲嵌結構或松散結構。滴水或滲水為主。圍巖開挖后無自穩能力。右線該處圍巖為第四系坡積、殘積土、不同風化程度混合花崗巖、碎裂巖及F6斷裂糜棱巖帶，巖體為結構碎塊狀鑲嵌結構或松散結構。滴水或滲水為主，局部出現線狀流水。圍巖開挖后無自穩能力。

圖1 交叉隧道位置及三條隧道斷面圖

根據區內地下水賦存條件及含水巖組特征，將其劃分為松散土類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。

2.1 松散土類孔隙水

分布在人工填土層、第四系沖洪積礫砂和坡殘坡積層的顆粒孔隙之中，屬潛水性質。地下水主要接受大氣降雨和基巖裂隙水的補給，沿溝谷排泄于地表或下部基巖裂隙水中，水位和水量受季節變化明顯。受含水層分布范圍、厚度，地下水補給來源的限制，水量中等～貧乏。

2.2 基巖裂隙水

分布在區內基巖山區及第四系孔隙潛水的下部，主要為塊狀巖裂隙水，含水巖組為加里東期混合花崗巖或侏羅系砂巖。水力性質以潛水為主，在山間谷地一帶局部具承壓性質。地下水主要接受大氣降雨補給，由于區內地形高差大，地下水逕流通暢，排泄于山間低洼的溝谷溪流和附近的水庫之中，地下水動態較不穩定，雨季和降雨后地下水位上升，水量增大；枯季則地下水位降低，水量減少。

3 工程安全性評價標準

地下近接施工之所以會對既有結構的穩定性和安全性造成影響，主要是因為新建地下工程施工過程會引起鄰近圍巖或土體的應力重分布.進而引起地層變形。而上跨隧道施工是在經過至少一次擾動的圍巖中再次進行洞室開挖，其力學過程要相對復雜，既有結構的變形往往是上跨施工關注的重點。其變形是地層變形的直接結果。而既有隧道的存在同樣也會反作用于地層，使其變形與自由場地層不同。

隧道近距離穿越對既有隧道變形的影響主要包括橫向和縱向兩個方面[2]。對隧道橫向變形的認識目前比較充分，主要是在其橫向結構特性上。在抗壓強度足夠時，由于襯砌采取了合理的柔性設計思想，襯砌周圍的巖土壓力和抗力總是趨于將襯砌環壓緊。只要襯砌環不首先破壞，隧道橫向結構的穩定性及承載能力是可以保證的。

但有時會受結構縱向變形的影響。隧道縱向結構適應豎直變位的能力比較低，因此隧道的豎直沉降或上浮對隧道結構相當不利。在隧道豎直變位和曲率達到一定程度以后，會導致隧道環向結構縫將張開過大，結構縫防水系統失效；襯砌結構產生環向裂縫，降低結構耐久性，縮短結構使用年限。情況最不利時，可能導致隧道縱向彎拉破壞。

基于以上原因，應對新建隧道開挖時，既有隧道縱向結構豎直變位和所形成變位曲線的曲率半徑進行嚴格控制。上海地鐵技術保護標準要求為：周圍施工引起的隧道縱向沉降不能大于5 mm，縱向沉降曲線半徑不能小于15000 m。在該項工程中，由于布吉供水管在隧道內，可以適當降低要求，對布吉供水隧道要求縱向結構豎直變位不大于10 mm，變位曲線的曲率半徑不小于10000 m的控制指標。深圳市東部引水隧道由于是重力流輸水方式隧道，輸水直接在隧道內,因此對結構安全要求較高。結構采用上海地鐵技術保護標準：要求豎直變位不大于5 mm，變位曲線的曲率半徑不小于15000 m的控制指標。

4 施工控制與處理措施

4.1 施工方法及鉆爆控制

在施工方法上采用雙側壁導洞法開挖，最大限度地減小對既有隧道的影響；如地質情況允許，應采用人工和機械開挖混合的方式以避免爆破振動對既有隧道的影響。

如地質情況決定必須采用鉆爆施工，施工中應對爆破振動速度進行嚴格控制：（1）爆破產生的震動不能對既有隧道襯砌產生破壞效應。（2）爆破飛石必須控制在安全范圍內，確保人員和設備安全。

新建隧道爆破時，既有隧道的振動速度應控制在在10 cm/s以內。為了達到減振的目的應將一次爆破的所有藥孔分成較多段按順序起爆；段數越多，單段爆破最大藥量就越少。這種分段微差爆破方式能有效地降低最大振動速度。

同時為避免微差爆破延時不夠或延時誤差造成應力波疊加，使振動加強，在選擇雷管段數時，應加大相鄰段別的段位差[3～4]。

如果分段微差爆破方式的減振效果仍無法滿足要求，可以進一步采用縮短爆破進尺，縮短炮孔長度，降低單孔裝藥量等方式最大限度地降低爆破振動對既有隧道的影響。

4.2 中夾巖體的加固

新建貓公壩隧道與布吉供水隧道間最小凈距為3.7 m。為了減少既有隧道上浮值，降低新建隧道施工對既有隧道的影響，應對中夾巖體進行加固。該項工程采用中空注漿錨管（D=50 mm、L=4 m、下傾角45°）進行加固。新建隧道仰拱部分錨管環向間距35 cm，隧道縱向每2 m設置一排；加固范圍為貓公壩隧道與布吉供水隧道相交點兩側各30 m范圍內的仰拱以下巖體（見圖2）。

圖2 中夾巖體加固方案示意圖

4.3 既有隧道的監控量測

從工程類比及計算分析可以判定，貓公壩隧道施工對東部引水隧道的影響很小，但是對布吉供水隧道存在一定的影響。為了詳細摸清這一影響的規律，徹底消除工程隱患，為動態設計提供依據，新建隧道施工過程中應對布吉供水隧道進行周密的監控量測。根據工程具體需要擬定監控量測方案見表1所列，量測斷面布置見圖3所示。

表1 監控量測項目及量測方法一覽表

圖3 量測斷面布置示意圖

監控量測范圍為貓公壩隧道與布吉供水隧道相交點兩側各40 m范圍內的布吉供水隧道。

貓公壩隧道施工過程中如出現既有隧道豎向位移值突然增大，位移速度加速等情況，量測頻率應增加。進行既有隧道洞內狀況觀察時應在新建隧道每次爆破后都要觀察，一般應每天觀察一次；量測元件的安設及初讀的時間應在爆破后24 h內，并在下一次爆破之前完成。水平凈空變化量測和拱頂豎向位移量測應設在同一斷面，并可采用斷面儀進行量測。

量測數據統計分析和信息反饋：（1）施工期間，監測人員在每次監測后根據監測數據繪制拱頂下沉、襯砌表面應力、爆破震速、水平位移等隨時間及工作面距離變化的時態曲線，了解其變化趨勢，并對初期的時態曲線進行回歸分析。預測可能出現的最大值和變化速率。根據拱頂下沉、水平位移量大小和變化速率，綜合判定圍巖和支護結構的穩定性。并根據變形管理等級及時反饋給設計和施工人員。（2）數據統計和分析：將量測記錄及時錄入計算機，根據記錄繪制洞內各測點的位移u-時間t的關系曲線（見圖4）。

圖4 位移u-時間t關系曲線圖

若位移u-時間t關系曲線如圖4中（b）所示出現反常。表明圍巖和支護已呈不穩定狀態，應加強支護，必要時暫停開挖并進行施工處理。

當位移u-時間t關系曲線如圖4中（a）所示趨于平緩時，進行數據處理或回歸分析，從而推算最終位移值和掌握位移變化規律。

各測試項目的位移速率明顯收斂、圍巖基本穩定后，才能進行下步施工。

4.4 既有隧道的加固

隧道工程地質和水文地質情況存在一定的不確定性，并且從現場情況來看布吉供水隧道建成于1991年，其襯砌環向變形縫和施工縫有比較明顯的滲漏水現象，襯砌局部存在裂縫，也有滲漏水現象出現。

鑒于以上原因，將布吉供水隧道的加固分為三個階段：

（1）新建隧道開挖前，對布吉供水隧道內部裂縫進行嵌縫補強，同時增設變形縫和施工縫防水措施：

布吉供水隧道二襯內表面存在少量裂縫，裂縫的寬度、深度都不大。采用高強水泥漿對裂縫進行補強。沿裂縫延伸范圍鑿成楔型槽，槽寬不小于5 cm，深度接近裂縫寬度，槽體外窄內寬，用水沖洗干凈后，用高強水泥漿嵌補。

在襯砌環向變形縫和施工縫靠隧道內部一側，先對縫體進行清理，施工縫則需要延環向開鑿寬4 cm,深3 cm的槽體。縫體、槽體用水沖洗干凈后，采用聚氨酯遇水膨脹止水膠進行環向擠抹，以起到增強縫體防水性能的作用。

（2）新建隧道開挖過程中，如布吉供水隧道確實產生較多新的裂縫，可以采用噴射混凝土的方法對裂縫進行補強。噴射混凝土可以使已裂損的塊體緊密結合，阻止這些塊體進一步松動[5]。同時在噴射壓力作用下混凝土嵌入裂縫內一定深度，使裂縫粘結閉合，增強了裂損襯砌的整體性，可以大幅度提高裂損襯砌的承載能力，達到加固的目的。當裂損較嚴重時，可將噴射混凝土與鋼筋網結合使用已達到更好的加固效果。

（3）新建隧道開挖過程中，如確實對布吉供水隧道的結構安全產生重大影響，或裂縫密集，裂縫的深度和寬度影響混凝土整體性，或二襯有掉塊，發生較大變形和裂損，則應采用鋼骨混凝土拱架整體替換原有二襯。方法是將原有二襯環向整環鑿槽，嵌入型鋼拱架，拱架之間用縱向鋼筋連接，施工完拱架后用模筑混凝土封閉。

4.5 預案

如在施工過程中量測和反饋的數據顯示既有隧道的安全性受到影響，可以選用錨噴加固、內表面補強、鋼纖維補強和內拱架等加固措施，對布吉供水隧道進行維修和加固。由于布吉供水隧道為供水管線通過的隧道，維修和加固的施工都是比較方便的。貓公壩隧道施工同時，應同時準備布吉供水隧道加固所用材料，以隨時應對突發情況。

5 總結

（1）在近距離上穿越既有隧道的情況下，新建隧道應盡量采用每步驟開挖量小的施工方法；在地質條件容許的條件下，盡量采用人工和機械開挖混合的方式以避免爆破振動對既有隧道的影響。若必須鉆爆施工時，應對爆破振動速度進行嚴格控制，采用分段微差爆破等方法最大限度的降低爆破振動對既有隧道的影響。

（2）為了徹底消除工程隱患，為動態設計提供依據，新建隧道施工過程中應對既有隧道進行周密的監控量測。同時，應及時利用監控量測結果指導設計和施工。

（3）新建隧道近距離上穿越既有隧道的情況下，應根據工程實際對既有隧道做出加固設計。設計內容可包括新建隧道開挖前對既有隧道的預加固；新建隧道開挖過程中對既有隧道產生影響后的加固補強；新建隧道開挖過程中出現嚴重危及既有隧道結構安全情況時的應急搶險加固預案。

（4）實踐證明，對布吉供水隧道的加固設計是必要的和成功的。東部引水隧道在未采取加固措施的條件下，通過選用擾動較小的施工工法，控制爆破振速等措施，基本未受新建隧道的影響。現貓公壩隧道已通車，兩座既有供水隧道結構安全、運營正常。

[1]胡群芳,黃宏偉.盾構下穿越已運營隧道施工監測與技術分析[J].巖土工程學報,2006，(1)：42-47.

[2]陳亮,黃宏偉.王如路.近距離上部傳越對原有隧道沉降的影響分析[J].土木工程學報,2006，（6）：83-87.

[3]彭道富,李忠獻，楊年華.近距離爆破對既有隧道的振動影響[J].中國鐵道科學,2005，(4)：73-76.

[4]吳浩藝,劉慧，史雅語，楊年華.臨近測向爆破作用下既有隧道減震問題分析[J].爆破,2002，(4)：74-78.

[5]蘭宇,佘健.淺析高速公路隧道維護補強對策[J].四川建筑,2005，(1)：129-131.