既有城市隧道擴(kuò)建施工方案初步探討

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(yùn)鐵路專線為國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的“滬漢蓉”城際客運(yùn)專線的重要組成部分，目前正在緊張施工中。線路全長(zhǎng)約302 km。引入重慶樞紐的新紅巖隧道全長(zhǎng)6 699 m，位于重慶繁華的沙坪壩區(qū)，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)。隧道洞身上部多居民點(diǎn)分布，主要為多層磚房。為了盡量避免隧道施工對(duì)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(jì)總表見表1。新紅巖隧道進(jìn)口淺埋段現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。因此，如何在減小隧道施工對(duì)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(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

表1 隧道拱頂?shù)乇矸课菡{(diào)查統(tǒng)計(jì)表

圖1 新紅巖隧道進(jìn)口現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(dòng)影響地表建筑、爆破噪聲影響居民生活問題。

本文主要針對(duì)隧道施工對(duì)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(dòng)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(duì)象，采用FLAC數(shù)值模擬實(shí)際施工步序，分析不同埋深條件下擴(kuò)挖隧道對(duì)地表沉降的影響以及沉降槽的分布形式。

2.1 計(jì)算工況

由于地表房屋分布較多，且與隧道的相對(duì)位置關(guān)系復(fù)雜，本次分析主要選取各個(gè)埋深條件下房屋分布最不利工況進(jìn)行分析，具體計(jì)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(jì)算工況

圖2 地表沉降分析典型斷面(10 m埋深)

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告及隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，本次數(shù)值分析計(jì)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(jì)算模型

計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)算模型(10 m埋深工況)

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 隧道施工位移場(chǎng)

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

圖5 施工完成后位移場(chǎng)分布(10 m埋深)

小結(jié)：①?gòu)奈灰婆c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(tái)階的位移增長(zhǎng)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(duì)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(cè)點(diǎn)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?gòu)牡乇沓两抵蹬c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)挾葋砜矗S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)。總體而言，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(duì)建筑物及結(jié)構(gòu)的影響控制指標(biāo)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，確定地表沉降對(duì)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(hào)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(diǎn)差異沉降按25 mm控制。

4 爆破對(duì)地表建筑及居民的影響

4.1 爆破振動(dòng)國(guó)家安全控制標(biāo)準(zhǔn)

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

表7 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

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

4.2 爆破對(duì)居民的影響

爆破對(duì)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(guó)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(shí)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(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，按地表建筑物最大振動(dòng)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(tái)階法，炮孔布置多，且要求單孔起爆，施工進(jìn)度慢；爆破對(duì)地表建筑及居民仍存在影響，施工風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)，地表沉降最值約31 mm，10 m橫向沉降點(diǎn)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(duì)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(shí)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(dòng)的影響。

(2)根據(jù)施工對(duì)地表房屋的影響、施工進(jìn)度、施工風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(shí)安置。

(4)國(guó)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(jì)的要點(diǎn)，對(duì)城市隧道工點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考。

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

[2] GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)-隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999