新建隧道橫通道鉆爆法施工對既有隧道的影響研究

■ 蔡亦來

(1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004)

近年來，隨著高速公路提速和擴建加寬進程的加快，公路隧道開發利用規模不斷擴大，隧道線路多線疊交和新建隧道近距離穿越既有隧道及其他各種地下建 (構)筑物的現象也與日俱增。由于受地質條件和施工水平的制約，隧道近距離施工難免會對周圍巖土體產生擾動，造成地表沉降，近接隧道和鄰近建(構)筑物開裂、破損甚至坍塌等嚴重環境危害。另一方面，隨著我國交通基礎設施建設的快速發展，隧道工程的規模也快速增加，公路隧道建設已經進入高數量、高難度、高技術、高風險的四高建設期，開展鄰近隧道工程建設階段的爆破影響研究也日益重要。隧道作為公路干線中的重點工程，其質量的好壞及安全程度直接影響著公路干線的正常運營，關系著國家交通運輸事業和國民經濟的發展。在以往復線隧道修建過程中，新建隧道鉆爆開挖產生的爆破振動對臨近既有隧道結構造成損壞，影響公路干線正常運營的事故也時有發生，給國家帶來了巨大經濟損失，嚴重影響了公路交通運輸事業的發展和進步。

本文緊密依托新建隧道工程建設，針對近距離長大隧道主洞和橫通道開挖爆破對既有多病害條件下的隧道的影響展開系統研究，力求避免設計、施工和運營階段可能發生的事故，杜絕不必要的重大損失和社會負面影響，本文研究既具有重要的工程應用價值和現實意義，也具有一定的理論指導作用。

1 概況

本文所依托工程隧道為原有高速隧道擴容，擴容方案為在既有隧道兩側新建兩個單洞兩車道隧道。圖1是新建隧道與既有隧道建成后效果圖，紅色為既有隧道，藍色為新建隧道。新建隧道按新奧法設計，鉆爆法施工。隧道屬于特長隧道的范疇，對應于既有隧道也設置了車行橫通道和人行橫通道，其位置與左右線隧道正交。新建隧道與既有隧道對應位置的標高基本一致。

隧道工程區地層主要為一套海相與淺海海相碳酸巖鹽、內陸相碎屑巖和碎屑巖沉積。出露的地層除白堊系、第三系缺失外，自二疊系至第四系均有不同程度的發育。其中，侏羅系出露厚度最大、分布最廣，三疊系次之，二疊系最少。隧道巖性主要有灰巖、白云巖、鹽溶角礫巖、泥灰巖 、砂巖等。 灰巖、白云巖、泥灰巖、角礫巖等碳酸巖鹽主要出露于背斜軸部，呈長條狀展布；背斜兩翼主要以砂巖、泥質巖等為主，具有較大的分布面積。

既有隧道V級圍巖段襯砌采用50cm素混凝土，初期支護為18cm厚噴射C20混凝土；采用長3.5m的φ22砂漿錨桿。Ⅳ級圍巖段隧道初支為14cm厚C20噴射混凝土，長3.0m的Φ22漿錨桿。

新建隧道V級圍巖初期支護采用Φ42小導管，噴射厚25cm的C25混凝土，內設間距80cmI18型鋼，間距20×20cm的Φ8鋼筋網。在拱部和邊墻分別采用間距100(環)×80(縱)cm長度3.5m的Φ25中空注漿錨桿和Φ22砂漿錨桿，隧道二次襯砌為厚50cm的C30鋼筋混凝土。

圖1 新建隧道與既有隧道效果圖

2 計算方法及參數的確定

2.1 基本假定

為簡便起見，在建模計算和有限元分析中做如下基本假定：

(1)隧道巖土體的開挖是瞬間過程，即不考慮巖土體時間效應；

(2)巖土體是各向同性、連續的彈塑性材料，材料塑性屈服準則采用 屈服準則；

(3)初始地應力僅考慮重力荷載作用。

2.2 計算參數

有限元計算參數中，新建橫通道初期支護按C25混凝土選取，二襯按C30混凝土選取，既有隧道二次襯砌為C25混凝土。圍巖力學參數采用新建隧道工程勘察報告中建議值，見表1。

表1 新建隧道巖土體設計參數表

2.3 車行橫通道

2.3.1 新建右三號車行橫通道的選取

本文選取右三號車行橫通道位于新建隧道YK4+145和既有隧道JYK4+157.34處。既有隧道圍巖條件最差，主要為黑色炭質頁巖夾泥質頁巖、泥質粉硬巖，巖層破碎，節理極為發育，富含地下水。該通道位于既有隧道右線緊急停車帶區域，根據設計可知，在右三號車行橫通道斷面處，新建隧道圍巖等級為V級，以燧石灰巖為主，溶洞溶隙發育，位于斷層影響帶范圍內，巖體破碎，圍巖自穩能力差，地下水十分發育，受斷層影響龍潭組煤系地層中瓦斯易沿溶隙、裂隙涌出，瓦斯涌出量大。

右三號車行橫通道與既有右線隧道及其人行橫通道的位置關系見圖2。

圖2 右三號車行橫通道與既有隧道平面位置關系

2.3.2 計算模型

取右三號車行橫通道、既有隧道右線緊急停車帶以及該區域既有人行橫通道作為計算區域，建立有限元計算模型。底面施加三向位移約束，模型4個側面施加法向位移約束。隧道埋深約310m，模型頂面距離地表約190m，在模型頂面施加上覆巖體重力荷載6032kPa。計算模型共64358個節點，45696個單元，如圖2、圖3.

圖3 右三號車行橫通道計算模型

2.3.3 橫通道施工前的計算結果與分析

在右三號車行橫通道施工前，首先進行既有隧道與人行橫通道的施工工況模擬，分三個步驟進行計算：

(1)在重力荷載作用下進行地應力平衡；

(2)開挖既有右線隧道與人行橫通道；

(3)施加既有右線隧道與人行橫通道襯砌。

計算獲得的既有右線隧道、既有人行橫通道二次襯砌第一主應力與第三主應力分布情況如圖4。

圖4 右三號車行橫通道開挖前既有隧道襯砌應力

右三號車行橫通道開挖前，主線隧道與既有人行橫通道第一、第三主應力最大值與分布位置見表2。在右三號車行橫通道開挖前，既有右線隧道襯砌第一主應力整體較小，在一般部位均小于1.35kPa，在邊墻腳部與人行橫通道交界處較大，最大值為16.25kPa(拉應力)，小于C25混凝土抗拉強度1.27MPa，位于既有隧道拱腰與既有人行橫通道相交處；既有右線隧道第三主應力整體較小，最大值-51.30kPa(壓應力)，小于C25混凝土抗壓強度11.90MPa，位于邊墻腳與既有隧道交界處。

既有人行橫通道襯砌大部分區域的第一主應力數值較小，小于C25混凝土抗拉強度1.27MPa，局部最大值為2.21kPa(拉應力)，位于拱肩與主線隧道交界線附近；第三主應力最大值-4.93kPa(壓應力)，小于C25混凝土抗壓強度11.90MPa，位于邊墻腳與主線隧道交界處。

表2 右三號車行橫通道開挖前襯砌應力最大值

右三號車行橫通道開挖前，既有隧道人行橫通道位置處的圍巖位移見圖5。

在既有人行橫通道縱剖面上，x向 (垂直于主線隧道方向)圍巖最大位移1.479mm，位于人行橫通道與主線相交處；豎向最大沉降6.315mm，最大隆起4.143mm；垂直于人行橫通道方向最大水平位移1.891mm，位于人行橫通道與主線隧道接口位置。

右三號車行橫通道開挖前，原隧道人行橫通道與右線隧道相交區域圍巖塑性區分布情況見圖6。由圖可見塑性區主要分布在人行橫通道與主線隧道相交區域以及主線隧道拱肩、邊墻腳附近。

2.3.4 橫通道施工后的計算結果與分析

本節數值模擬右三號車行橫通道施工過程，包括對既有右線隧道襯砌拆除、新建三號車行橫通道的開挖和施加支護。

既有右線隧道、人行橫通道與三號車行橫通道襯砌第一主應力與第三主應力計算結果如圖7。

圖5 右三號車行橫通道開挖前人行橫通道縱斷面圍巖位移

圖6 右三號車行橫通道開挖前人行橫通道處圍巖塑性區分布

在新建右三號車行橫通道施作后，既有右線隧道襯砌第一主應力整體較小，在一般部位均小于0.80MPa；個別部位最大值為9.34MPa(拉應力)，大于C25混凝土抗拉強度1.27MPa，位于既有隧道邊墻腳與新建車行橫通道相交處；既有右線隧道第三主應力整體較小，大部分區域小于-1.70MPa，最大值-20.52MPa(壓應力)，大于 C25混凝土抗強度11.90MPa，位于拱腰與新建車行橫通道相交處。

圖7 右三號車行橫通道開挖后隧道襯砌應力

既有人行橫通道襯砌第一主應力大部分區域小于53.45kPa，最大值為0.64MPa(拉應力)，位于邊墻腳與主線隧道交界線附近，小于C25混凝土抗拉強度1.27MP；第三主應力力最大值-2.27MPa(壓應力)，小于混凝土C25抗壓強度11.90MPa，位于拱肩與主線隧道交界處。

右三號車行橫通道開挖后，主線隧道與既有人行橫通道第一、第一主應力最大值與分布位置見表3。

右三號車行橫通道斷面圍巖在坐標軸三個方向的位移分布情況見圖8。

表3 右三號車行橫通道開挖后襯砌應力最大值

圖8 右三號車行橫通道開挖后圍巖位移

右三號車行橫通道開挖后，隧道圍巖位移整體較小。垂直于既有隧道軸線水平位移最大值出現在右三號車行橫通道與既有右線隧道交接部位，量值為2.532mm；圍巖最大沉降位于主線隧道拱頂，為7.780mm，最大隆起位于主線隧道底板，為4.513，mm；垂直于右三號車行橫通道圍巖最大位移2.042mm，位于既有人行橫通道與主線隧道相交區域。

右三號車行橫通道開挖后，圍巖塑性區分布見圖9。塑性區主要分布在右三號車行橫通道與既有右線隧道交界線周邊，以及既有隧道拱肩、拱腰與邊墻腳區域。原人行橫通道縱斷面圍巖塑性區范圍也較大。

圖9 右三號車行橫通道開挖后圍巖塑性區分布

3 監控量測結果與分析

為加強觀測確保橫通道施工安全，一方面對監控量測斷面按間距5m加密布置，另一方面還結合上章計算結果，除了將常規的隧道頂部、邊墻及隧道拱腳部作為穩定性監控的重點控制部位外，還特別增設了邊墻沉降測點，具體測點布置示意圖如圖10。測量中量測頻率及精度要求根據現《公路隧道施工技術規范》規定進行。

圖10 測點、測線布置示意圖

圖11中藍色數據點為右三號車行橫通道(位于新建隧道樁號YK4+145)處的邊墻豎向變形測點監測曲線。由圖11可以看出，右三號車行橫通道可劃分為快速增長、緩慢增長和趨于穩定三個階段。右三號車行橫通道在開挖后前6天的時間段內變形較快，變化速率為0.8～1.5mm/d，最終變形為3.3mm。

圖11 邊墻豎向變形時程曲線圖

為分析探討隧道圍巖變形規律，現選取右三號車行橫通道中靠近既有隧道處的監測斷面進行分析。

(1)拱頂沉降

典型的拱頂沉降時程曲線見圖12。

由圖12分析可知，橫通道的隧道拱頂沉降其隨時間的變形特征可劃分為快速增長、緩慢增長和趨于穩定三個階段，并在12天之后基本趨于穩定，呈收斂趨勢，具體如表4。以右三號車行橫通道拱頂沉降快速增長階段為前6天，變形速率約為1.0～2.0mm/d，隨后一個星期變形速率約為0.1～1.5mm/d，隨后趨于穩定，累計位移最大為9.37mm。

圖12 拱頂沉降時程曲線圖

(2)周邊收斂

典型的周邊收斂時程曲線見圖13。

圖13 周邊收斂時程曲線圖

由圖13分析可知，橫通道的隧道周邊收斂其隨時間的變形特征也可劃分為快速增長、緩慢增長和趨于穩定三個階段，14天之后基本趨于穩定，呈收斂趨勢，具體見表5。右三號車行橫通道測點的周邊收斂快速增長階段約5天，變形速率約為0.9～1.2mm/d，隨后一個星期變形速率約為0～0.25mm/d，隨后趨于穩定。右三號 橫通道累計收斂最大為3.12mm。

表4 拱頂沉降位移階段劃分及特征

表5 周邊收斂位移階段劃分及特征

綜上所述，新建隧道右三號車行橫通道區段施工，其支護結構及圍巖變形總體上呈收斂趨勢，這表明新建隧道在經歷了一段時間后變形趨于穩定，同時也表明已有支護及施工措施可保證隧道圍巖的穩定性與安全。

右三號車行橫通道(新建隧道YK4+145處)典型斷面的拱頂沉降、周邊收斂數值計算結果與監控量測值的比較見表6。由該表可以看出，右三號車行橫通道典型斷面實測終值為數值模擬結果的81%～83%，比數值模擬結果減小約20%，即監控量測實測值約為數值模擬結果的80%左右。由于監控量測總是在開挖完成且初期支護實施后才能埋設測點并開始測量計算，因此監測工作不可避免地存在一定程度的滯后性，無法及時測量測點埋設前的隧道圍巖的沉降及收斂變形，因此實測數據較計算結果減少約20%，這實際上是對未能及時測得的變形損失的反映。另外，監控量測數據與數值計算結果在隧道圍巖總體變形趨勢及最終位移量值方面其吻合程度也較好，這表明本文所使用計算方法及其結果是可靠的，可以為具體的施工實踐提供指導和幫助。

表6 實測值與數值模擬結果對比

4 結論與展望

(1)新建橫通道監控量測數據與數值計算結果在隧道圍巖總體變形趨勢及最終位移量值方面其吻合程度較好，表明本文所使用的計算方法及其結果是可靠的，可以為具體的施工實踐提供指導和幫助。

(2)工程地質條件一直難于被人們所充分了解和掌握。即使有充分的地質勘探技術和資金支持，囿于山嶺隧道沿線地形地貌多變，地質單元類型復雜多樣，現有的勘察設計也不可能完全摸清弄透隧道的所有地質條件。因此，以地質模型為依托的有限元計算模型也只能是在一定程度上的近似，有限元分析在先天上就具有缺陷。如何更精確查明地質條件，根據實際工程和地質狀況，建立最優的數值計算模型并尋找最佳的計算方法進行計算研究應該是我們隧道工程領域共同的追求。

(3)本文主要選用的是振動速度為研究對象，振動速度能否成為振動安全的唯一判據目前還有深入研究的必要。為了更接近實際情況，今后研究中可將頻率、振動持續時間等引入爆破振動研究，建立三參數甚至四參數的模型必將更真實地反應工程的實際情況。