重慶軌道交通6號線大龍山站—花卉園站區間中厚水平層狀巖小凈距重疊隧道爆破開挖時序探討

蔡振宇，黃 旭

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

重慶軌道交通6號線大龍山站—花卉園站區間中厚水平層狀巖小凈距重疊隧道爆破開挖時序探討

蔡振宇，黃 旭

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為減少小凈距重疊隧道爆破開挖對結構及中夾巖的不利影響，以重慶軌道交通6號線大龍山站—花卉園站區間重疊隧道(長約500 m)爆破開挖為依托，首先結合工程實際情況及相關施工經驗，說明重疊段總體施工方案優選為“先上洞后下洞”的開挖方法，但需根據凈距大小采用不同的施工措施；然后通過理論計算論證了上下間距較小時爆破開挖不能保證結構安全，需要采用減震爆破及非爆破的開挖技術，才能保證中厚層狀巖最小凈距重疊隧道“先上洞后下洞”開挖方法的實現。實施效果證明：對于中夾巖厚度小于3.5 m的最小凈距地段(長約25 m)，可先行開挖上洞上臺階，預留下臺階，并待后行下洞減震爆破通過后，再采用非爆破開挖預留的上洞下臺階，以完全消除爆破開挖對最小凈距中夾巖的影響，確保了最小凈距段結構及施工安全。

重疊隧道；層狀巖；小凈距；減震爆破；非爆破開挖；中夾巖

0 引言

既有的工程實踐及研究成果證明，隧道層狀巖的破壞機理、模式及其穩定性均與其他結構類型圍巖有著顯著區別，主要體現在層狀巖在地震動的作用下易沿層理面掉塊、擴展性松動及坍塌，從而在拱部形成平層[1]。而對于小凈距隧道而言，中夾巖柱厚度較薄，因爆破開挖的多次擾動而成為受力薄弱環節，圍巖的穩定性差，因此，施工中對中夾巖柱體的保護將非常重要[2]。小凈距隧道施工的重難點是如何合理選取開挖順序、控制爆破震動，確保隧道開挖過程圍巖的穩定[3]。目前，國內上下重疊小凈距隧道愈來愈多，相對于水平小凈距隧道，上下重疊小凈距隧道更需要確定合理的開挖順序及減震爆破，因為后行隧道處于先行隧道的擾動區內，對先行隧道有卸載作用，保留圍巖會產生更大變形[4]。故重疊隧道施工過程中，采用何種開挖時序，即先開挖上行洞后開挖下行洞，或先開挖下行洞后開挖上行洞的施工時序至關重要。通過對地表沉降、結構及圍巖變形等進行綜合分析得出：先下行洞后上行洞的施工時序更可控、可靠[5]。

前人對水平層狀巖隧道、小凈距隧道及上下重疊隧道施工技術等方面進行了大量研究，均認為必須選擇合適的開挖時序，以減輕后行隧道對先行隧道的影響。付仁鵬[6]介紹了北京地區盾構長距離連續下穿古舊平瓦房施工時，采取“先下后上、前后錯開、支撐加固”的施工原則，通過盾構掘進參數控制、夾層土注漿加固和下線洞內臨時支撐臺車進行下線隧道加固等關鍵措施，成功地完成了盾構長距離下穿大面積古舊平瓦房的施工。廣州地鐵某區間重疊隧道暗挖施工亦是采用“先下洞后上洞”的施工時序，超前加固、下洞支撐加固、回填注漿加固等方法保證了施工及隧道結構的安全[7]。同樣，深圳地鐵羅湖—國貿區間重疊隧道施工亦采用的是“先下洞后上洞”的施工工序[8]。而上述工程或國內絕大多數重疊隧道施工均采用“先下洞后上洞”的施工方案，采用的施工措施與本文也不盡相同。只有李少利等[9]在重慶軌道交通6號線近光電園站大跨區間重疊隧道施工中，通過研究提出了先上洞上臺階開挖后下洞開挖初期支護及二次襯砌后，再開挖上洞預留下臺階，然后上洞二次襯砌的方法進行重疊小凈距段施工，保證了隧道結構及施工安全。其時序開挖方法與本文相同，并在同一地區。實際上，該工程施工后，由于預留上洞下臺階爆破開挖，其震動可能會對相距較近(1.3 m)的下洞二次襯砌結構產生不利影響，故應采取相關技術措施，確保已建結構的安全。

在文獻[9]工程成功進行“先上洞后下洞”施工經驗的基礎上(與本工程同屬一家施工單位)，本文重點介紹了重疊段后行下洞爆破對中夾巖的震動影響及最小凈距段上洞預留下臺階非爆破開挖技術，以期為類似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

重慶軌道交通6號線大龍山車站—花卉園車站區間重疊隧道位于龍山大道下方，其中，右線在上，長509.961 m；左線在下，長513.93 m。均采用鉆爆法先期施工，為后期TBM步進至大龍山車站提供了通道。重疊隧道上洞最小埋深16 m，下洞最大埋深42.5 m，開挖斷面尺寸為(6.975～9.567)m×(7.08～9.5)m(高×寬)，上、下洞之間中夾巖厚度0～9.80 m，大多數里程中夾巖厚度都在1 m以上，而且重疊隧道中夾巖厚度在1 m以下的里程較短。采用復合式襯砌，初期支護為噴、錨、網支護，二次襯砌為C40鋼筋混凝土。重疊斷面型式如圖1所示。

圖1 大龍山車站—花卉園車站區間重疊隧道斷面型式圖

重疊段隧道地質巖性以砂巖、砂質泥巖為主。其中，砂巖呈中-厚層狀構造，巖性較硬，巖體較完整，屬Ⅲ級圍巖；砂質泥巖呈中-厚層狀構造，巖性較軟，巖體較完整，屬IV級圍巖。地下水不發育，無其他不良地質條件。

重慶軌道交通6號線大龍山車站小里程端區間重疊隧道設計開挖時序為“先下洞后上洞”，即要在大龍車站基坑到底才能開始掘進相鄰的重疊段區間下方隧道，下方隧道二次襯砌完成后再掘進上方隧道，然后二次襯砌，待其結構強度滿足要求后TBM再通過。若如此，則整個重疊段鉆爆開挖施工工期較長，嚴重影響TBM步進通過及后期正常掘進，使總體工期壓力增大。另外，對工程本身而言，由于位于重慶主城區內，22：00后及節假日不允許爆破作業，對隧道開挖影響較大，需盡可能提前進行鉆爆施工才能保證施工工期。故本工程重疊隧道需要采取“先上洞后下洞”的開挖時序，以確保施工工期。

2 重疊段開挖總體施工方案

國內外對重疊隧道開挖時序研究很多，但大多數學者均主張先開挖下方隧道，后開挖上方隧道，即“先下洞后上洞”的方案。呂奇峰等[10]對重疊隧道進行理論分析和數值模擬后，提出將施工順序分為“先上后下”和“先下后上”，并將二者進行對比分析，通過研究2種施工順序的塑性區分布以及襯砌內力的影響率，最終得出先下后上的施工順序較為合理。

重疊隧道“先上洞后下洞”開挖的施工風險主要有2點。首先，在上洞已開挖的情況下，下洞拱部爆破時中夾巖會失穩甚至破壞；其次，下洞開挖時上洞會產生不均勻沉降，結構有可能開裂。盡管可采用減震爆破技術進行施工，降低施工風險，但在2個隧洞相距較近的情況下，仍需要采用非爆破法進行開挖，以確保下洞開挖時上洞結構及中夾巖的安全與穩定，即重疊隧道最小間距的確定是決定后行洞采用何種開挖方法的關鍵。

JTGD 70—2004《公路隧道設計規范》對小凈距隧道中夾巖厚度進行了相關規定，但隨著減震爆破技術的進步，許多技術人員及學者認為規范中規定的最小凈距仍有壓縮空間，并通過研究得到了一些結論：V級圍巖的最小合理凈距為0.75B，Ⅳ級圍巖的最小合理凈距為0.5B，Ⅲ級圍巖的最小合理凈距為0.25B。規范最小限制與最小合理凈距如表1所示。

表1 規范最小限制與最小合理凈距的對照表[2]Table 1 Minimum clearance between stacked tunnels

注：B為隧道開挖斷面寬度。

本工程主要為中厚層狀的砂巖及砂質泥巖，屬Ⅲ級和Ⅳ級圍巖，對照表1，?、艏墖鷰r的最小合理間距0.5B為重疊段最小中夾巖厚度，即當中夾巖厚度大于3.5 m時，后行開挖的下洞可采用減震爆破進行施工；當厚度小于或等于3.5 m時，則采用非爆破技術開挖后行下洞，至少下洞的上半斷面應采用非爆破開挖。或者認為重疊隧道中夾巖厚度在3.5 m以上時，采用減震爆破技術可降低“先上洞后下洞”開挖所帶來的施工風險。

根據統計，重疊段中夾巖厚度在3.5 m以下的里程約占本段總長的46%，即長約25 m，位于重疊段小里程端，與大龍站相接。此里程段上洞最早開挖，為了保證后行開挖下洞爆破時中夾巖厚度在3.5 m以上，先行上洞開挖時只開挖上半斷面，預留下半斷面。后行下洞減震爆破開挖通過此里程段后，再采用非爆破法開挖預留的上洞下半斷面。對于其他中夾巖厚度大于3.5 m的里程段，則上洞先行采用全斷面法掘進，后行下洞采用減震爆破臺階法施工。重疊段隧道施工時序如圖2所示。

3 爆破對中夾巖震動影響分析

為了研究重疊隧道爆破對中厚水平層狀中夾巖的穩定性影響，本工程委托西南交通大學對“先上洞后下洞”及“先下洞后上洞”2種開挖時序中夾巖的穩定性進行了數值模擬計算[11]。模擬計算時選取的中夾巖厚度假定為1.5 m，其中先行洞采用全斷面法開挖，后行洞采用臺階法開挖。

施工步序如下：①—②—③—④。對于重疊段首先開挖及初期支護上洞上半斷面①，預留上洞下臺階④，至一定距離后放坡開挖下臺階至全斷面，形成全斷面開挖上洞。待相鄰基坑到底后臺階法減震動爆破開挖下洞②，下洞洞通或開挖至一定距離后二次襯砌下洞重疊段③，重疊段二次襯砌完成后即可非爆破開挖上洞預留的上臺階④。最后在對下洞二次襯砌臨時加固支護的情況下進行上洞二次襯砌，二次襯砌至設計強度后完成TBM步進過站。

圖2重疊段隧道施工時序示意圖

Fig.2 Construction procedure of stacked tunnels

通過研究得出：

1)中夾巖塊脫落?！跋壬隙春笙露础睍r序開挖時，上洞拱肩附近巖塊易脫落成平拱，平拱跨度0.85D～0.88D，厚度2d；中夾巖(下洞拱頂)在下洞爆破荷載作用下向上揚起，產生折斷塌落破壞?！跋认露春笊隙础睍r序開挖時，上洞亦是拱肩附近巖塊脫落成平拱，平拱跨度及厚度同“先上洞后下洞”；中夾巖(下洞拱頂)脫落跨度及深度基本與上洞相同，但中夾巖有所保留，同時拱腰也出現了少量巖塊脫落。2種開挖工序下的中夾巖塊脫落情況如圖3和圖4所示(圖中D為隧道開挖寬度；d為巖層層厚)。

2)巖層面開裂?！跋壬隙春笙露础睍r序開挖時，爆破荷載作用下中夾巖已基本被破壞；而“先下洞后上洞”時序開挖時，中夾巖有所保留。2種開挖時序巖層面開裂情況如圖5和圖6所示。

總之，本工程通過委托西南交通大學進行數值模擬得出結論：中厚水平層狀巖重疊隧道施工的關鍵部位為中夾巖。當中隔巖墻厚度在1.5 m左右時，無論是“先上洞后下洞”還是“先下洞后上洞”時序開挖，都不能保證中隔巖墻的穩定。故“先上洞后下洞”開挖時，后行隧道應實施嚴格的減震爆破技術并結合非爆破開挖技術，將開挖爆破對中夾巖的破壞減小到最低程度。

圖3 先上后下雙洞巖塊脫落情況Fig.3 Rock falling when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

圖4 先下后上雙洞巖塊脫落情況Fig.4 Rock falling when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel

圖5 先上后下巖層面開裂情況Fig.5 Cracking of stratification interface of ground when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

圖6 先下后上巖層面開裂情況Fig.6 Cracking of stratification interface of ground when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel

4 減震爆破設計及施工

4.1 鉆爆設計

通過模擬計算并結合工程實際，確定重疊段隧道總體施工方案是“先上洞后下洞”時序開挖。但在中夾巖厚度小于3.5 m地段，采用先開挖上洞上臺階，預留上洞下臺階，然后開挖下洞后再開挖上洞下臺階，即“先上洞上臺階、后下洞、再上洞下臺階”時序開挖。

由于先行上洞爆破開挖時下洞并未施工，其周圍亦無重要的建(構)筑物，為了提高工作效率及施工進度，采用常規的臺階法(中夾巖厚度小于3.5 m地段)或全斷面法爆破開挖；后行下洞施工則全部采用臺階法施工，進行嚴格的減震爆破開挖。下洞臺階法減震爆破炮孔布置如圖7所示，減震爆破參數如表2所示。

圖7 重疊隧道下洞臺階法減震爆破炮孔布置圖(單位：mm)Fig.7 Layout of blast holes of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method (mm)

表2 下洞臺階法減震爆破參數表Table 2 Parameters of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method

4.2 減震爆破施工技術措施

下洞全里程均采用減震爆破開挖，其減震措施如下：

1)拱部周邊孔。在爆破區域拱頂周邊開挖輪廓線上，間隔布置裝藥孔及減震孔，裝藥孔的間距為50 cm，裝藥孔與減震孔的間距為25 cm。

2)減震孔。在掏槽區設φ108 mm減震孔，拱頂周邊減震孔采用φ42 mm中空減震孔，間距55 cm，與裝藥孔間隔布置。隧道仰拱開挖輪廓上布置φ108 mm中空減震孔，間距40 cm。

3)循環進尺及炮眼深度。隧道掘進每循環進尺1.0 m。因此，掏槽眼深1.2 m，輔助眼、擴槽眼、周邊眼及底板眼孔深均為1.0 m，減震孔比裝藥孔深20～30 cm，為節約施工循環時間，φ108 mm中空孔集中施作，一次鉆孔深度為30 m左右；φ42 mm周邊減震孔每循環施作。

4)裝藥量。裝藥量根據經驗進行取值，然后根據薩氏公式進行驗算。爆破震動最大時刻均出現在掏槽區爆破，故首先應控制掏槽眼、輔助眼、擴槽眼最大單段藥量，最大單段藥量按薩氏公式Qmax=R3(V/K)3/α進行計算。周邊眼及底板眼由于布置了減震孔，裝藥量按公式計算后再按70%～80%折減。

5)爆破震動監測。每炮應進行爆破震動監測。爆破震動速度以GB 6722—2003《爆破安全規程》的要求進行控制。爆破后，應根據實測震速調整爆破參數。

5 預留下臺階非爆破施工

前25 m先行上洞上臺階采用常規爆破施工，預留的下臺階待后行下洞(減震爆破施工)通過后采用機械切割進行開挖。切割機選用22 kW以上的大功率巖石切割機，在隧道寬度范圍內，按50～80 cm的間距切割，切割厚度30～50 cm，人工撬出后，用小型農用車運出。下臺階機械切割施工如圖8所示，切割后的下臺階如圖9所示。

圖8 下臺階機械切割圖

圖9 下臺階機械切割成型圖

6 施工效果

采取減震措施后，后行下洞減震爆破施工時，在先行開挖出的上洞進行了爆破震動監測，得知爆破在正上方的先行上洞中夾巖(厚度大于3.5 m)處產生的最大爆破震速在9.63～12.85 cm/s，與測得的先行上洞邊墻及拱頂處的最大爆破震速(分別為10.66 cm/s及8.37 cm/s)相差不大，上洞初期支護或圍巖無明顯的新裂紋產生或剝落，中夾巖基本完好?，F本工程早已完工，不僅成功地完成了大龍山站小里程端上下重疊隧道的施工，保證了其結構安全及中夾巖的穩定，而且確保了TBM按期順利地通過并步進過站，節省了大量的費用和工期，降低了施工風險，施工過程中沒有發生一起工程事故，得到了專家和業主的高度評價，創造了良好的社會效益。

7 結論與建議

1)盡管國內許多學者認為小凈距重疊隧道施工時序一般應為“先下洞后上洞”，但本工程實踐證明：只要采取適當的工程措施，重疊隧道“先上洞后下洞”的施工時序是可以消除不利影響，能夠保證重疊隧道結構及施工安全的。

2)分析計算結果表明：當中夾巖厚度較小時，無論是“先上洞后下洞”，還是“先下洞后上洞”的時序開挖，都不能保證中夾巖的安全與穩定。后行隧道應嚴格實施減震爆破技術或非爆破開挖技術，將開挖爆破對中夾巖的破壞減小到最低程度。

3)將上下重疊隧道中夾巖厚度控制在3.5 m以上，然后采用減震爆破控制后行下洞爆破震動，將其對上洞已支護結構及中夾巖的影響控制在最低程度是本工程成功的關鍵所在。

4)采用切割機械切割圍巖進行后行洞預留下臺階非爆破開挖是本工程成功的有力保障。

通過在中厚水平層狀巖中進行小凈距重疊隧道減震爆破施工，確定合理且安全的上下重疊隧道的施工方案，加快了總體施工進度，滿足了相應節點工期要求，獲得了良好的經濟效益。但限于類似本工程實例的數量限制，針對不同地區不同地質情況下進行同類試驗的效果對比需進一步深化。

[1]李長源.軟弱水平巖層隧道施工技術[J].工程質量，2006(4)：33-35.(LI Changyuan.Construction technique for tunnel on horizontal soft rock stratum[J].Quality of Civil Engineering and Construction，2006(4)：33-35.(in Chinese))

[2]洪開榮.山區高速公路隧道施工關鍵技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]胡元芳.小線間距城市雙線隧道圍巖穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(9)：1335-1338.(HU Yuanfang.Stability analysis of surrounding rocks of double-hole urban tunnel with small interval[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(9)：1335-1338.(in Chinese))

[4]段寶福，李磊.地鐵暗挖區間重疊交叉隧道施工與監測[J].施工技術，2012，41(13):77-81.(DUAN Baofu，LI Lei.Construction and monitoring of overlapping tunnel in shallow depth of Metro[J].Construction Technology，2012，41(13):77-81.(in Chinese))

[5]何有成.城市軌道交通上下重疊四線隧道施工順序比選[J].城市建設，2013(21)：6.

[6]付仁鵬.長距離重疊隧道連續下穿平瓦房施工技術[J].隧道建設，2013,33(12):1036-1040.(FU Renpeng.Construction technologies for long-distance boring of stacked tunnel underneath buildings[J].Tunnel Construction,2013,33(12):1036-1040.(in Chinese))

[7]衛曉波.地鐵淺埋暗挖重疊隧道施工技術[J].城市建設，2010(20):234-236.

[8]王建山.羅湖—國貿區間重疊盾構隧道施工[J].施工技術，2008，37(9):47-50.(WANG Jianshan.Construction of overlap shield tunnel at Luohu-Guomao section[J].Construction Technology，2008，37(9):47-50.(in Chinese))

[9]李少利，李豐果.淺埋暗挖車站大跨區間及重疊隧道施工技術[J].施工技術，2011，40(7):81-84.(LI Shaoli，LI Fengguo.Construction technology of shallow subsurface excavation station large interval and overlapping tunnel[J].Construction Technology，2011，40(7):81-84.(in Chinese))

[10]呂奇峰，黃明利，韓雪峰.重疊隧道施工順序研究[J].鐵道標準設計,2010(10):102-105.(LV Qifeng，HUANG Mingli，HAN Xuefeng.Discussion on construction order of overlapping tunnels[J].Railway Standard Design,2010(10):102-105.(in Chinese))

[11]蘇鵬.城市硬巖重疊隧道施工關鍵技術研究[D].成都：西南交通大學土木工程學院，2013.

DiscussiononBlastingExcavationSequenceofClosely-spacedStackedTunnelsinMedium-thickLayeredRocksCaseStudyonDalongshan-HuahuiyuanRunningTunnelonLine6ofChongqingMetro

CAI Zhenyu,HUANG Xu

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Dalongshan-Huahuiyuan running tunnel on Line 6 of Chongqing Metro has a 500 m-long closely-spaced stacked tunnel section,which is located in medium-thick layered rocks.The blasting excavation of the stacked tunnel may have adverse impact on the tunnel structure,as well as on the rocks between the twin tunnel tubes.It is proposed that the upper tunnel tube should be excavated before the lower tunnel tube and that countermeasures should be taken according to the thickness of the rocks between the twin tunnel tubes.Theoretical calculations made shows that,for the twin tunnel tube section with thin rocks between the tunnel tubes,vibration-reducing blasting technology and non-blasting excavation technology should be adopted so as to ensure the safety of the tunnel structure.For the 25 m-long twin tunnel tube section with less than 3.5 m-thick rock between the tunnel tubes,the top heading of the upper tunnel tube should be excavated,while the bench of the upper tunnel tube should be reserved; Then the lower tunnel tube is excavated by blasting means before the bench of the upper tunnel tube is excavated by non-blasting means,so as to minimize the adverse effect on the rocks between the twin tunnel tubes and,in the end,to ensure the safety of the tunnel structure and the tunneling activity.

stacked tunnel; layered rock; small clearance; vibration-reducing blasting; non-blasting excavation; rock between twin tunnel tubes

2014-01-21;

2014-03-14

蔡振宇(1968—)，男，湖北陽新人，1990年畢業于西南交通大學，橋梁工程專業，本科，高級工程師，現從事隧道及地下工程施工工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.013

U 455.6

A

1672-741X(2014)05-0478-06