超大斷面超小凈距交叉隧道施工安全風險分析

楚興華 周江鋒 于國壘

(1.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000； 2.中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著我國城市化的快速推進和基礎建設的大力發展，隧道工程大量涌現，而且規模不斷擴大，由于建設時序的原因，必然會存在后續工程對臨近既有隧道造成影響的問題。隧道開挖對臨近或下臥已建隧道的影響是一個復雜和動態變化的過程，雖然大部分都控制比較到位，但也出現了一些風險事件，針對這方面的研究也越來越引起學者們的重視[1，2]。

陶連金等提出了盾構隧道穿越既有地鐵車站結構安全的評估方法[3]；楊樹才結合我國建設實際首次建立了一套貫穿地下工程建設全過程的安全風險動態管控模式[4]；孫長軍[5]、宋瑞剛[6]依托北京、大連等地的大量隧道近接施工案例，采用現場調研、理論分析、數值計算等方法，系統研究了近接施工安全風險控制技術。然而，現有對超大斷面(跨度大于20 m)、超小凈距(凈距小于5 m)的重疊交叉隧道施工安全的風險研究仍然較為少見。

有鑒于此，本文以大橫琴山隧道和珠海機場城際軌道交通鐵路隧道(以下簡稱珠機城軌)重疊交叉段為研究對象，根據工程自身現狀，搜集調研類似工程，通過風險評估，定性分析兩擬建隧道工程的相互影響；同時結合分析成果，綜合判定評估對象的影響程度，同時提出建議和加強措施，保證隧道工程的安全施工。

1 工程背景

1.1 工程概況

珠海橫琴新區大橫琴山一號隧道位于珠海市橫琴新區大橫琴山，隧道進洞口位于橫琴大道南側，交通較為便利，出洞口位于長隆隧道上方。隧道全長2.3 km，設計標準為60 km/h，為雙向六車道城市主干道公路隧道。隧道所處山體地表覆蓋有殘積土(礫質黏性土)，基底為燕山二期～三期花崗巖。采用CD法施工，大橫琴山隧道下穿珠機城軌段的斷面圖如圖1a)所示。

珠機城際設計標準為160 km/h雙線城際鐵路。珠機城軌隧道上跨大橫琴山一號隧道段為單洞雙線隧道斷面，該段洞身位于花崗巖中風化地層中，采用臺階法施工。珠機城際鐵路隧道設計斷面如圖1b)所示。

1.2 相對位置關系及影響范圍

大橫琴山隧道于右線YK1+281，左線ZK1+289下穿規劃珠機城際鐵路，下穿處埋深約100 m，平面夾角約60°，兩項目隧道結構凈距3.5 m～4.3 m，交點距A匝道洞口256 m，距B匝道洞口319 m，右線交點距珠機橫琴隧道出口494 m。隧道與珠機城軌的豎向凈距(隧道斷面外輪廓頂距珠機城軌斷面外輪廓底)分別為：左線4.36 m，右線3.5 m。具體位置關系如圖2所示。

1.3 地形、地貌、地質概況

大橫琴山隧道下穿珠機城軌隧道的典型地質縱斷面情況如圖3所示。

地貌：穿越大橫琴山段為剝蝕殘丘地貌，隧道地形起伏較大，基底為燕山二期～三期花崗巖。

地層：下穿處埋深約100 m，該段隧道穿越巖體主要由中風化花崗巖構成，節理裂隙發育，圍巖級別為Ⅲ，Ⅳ圍巖，巖體透水能力較強，基巖裂隙水和構造裂隙水，富水性微～中等。

2 風險等級及風險分析

2.1 風險等級與接受準則

鐵路建設隧道工程風險事件發生后果等級按嚴重程度分成五級，可通過人員傷亡、經濟損失、功能缺陷、環境影響及穩定影響等主要指標來反映。本文根據已有研究和規范標準等[7，8]，歸納總結了風險事件發生后各主要影響指標的等級標準，具體見表1。

表1 風險事件發生后各主要影響指標的等級標準

鐵路建設隧道工程風險等級可根據風險事件發生的概率和后果等級分為四級，具體通過表2判定。根據隧道的實際工程性質和環境條件，分階段制定風險接受準則與風險控制原則，詳見表3。

表2 工程風險等級劃分

表3 風險接受準則與控制原則

2.2 隧道施工初始風險分析

1)工程自身風險。大橫琴山隧道所穿越巖體節理裂隙發育，巖體呈碎裂狀結構，較破碎，巖體完整性較差，巖體透水能力較強，在隧道的開挖過程中，可能發生拱頂掉塊、隧道塌方、大變形以及突水等風險情況。

2)工程環境風險。大橫琴山隧道于右線YK1+269～YK1+299，左線ZK1+276～ZK1+306下穿規劃珠機城際鐵路，埋深約100 m，隧道與珠機城軌的豎向凈距(隧道斷面外輪廓頂距珠機城軌斷面外輪廓底)分別為：左線4.36 m，右線3.5 m。后掘進隧道在掘進過程中對先建隧道襯砌會產生附加內力，并引起變形以及襯砌周圍土體的位移，造成已建隧道襯砌開裂等情況。

3)爆破振動對先建隧道的影響風險。大橫琴山隧道和珠機城軌隧道都采用礦山法施工，其爆破產生的振動，可能使兩隧道之間的中間圍巖產生損傷，在爆破振動作用下，先建隧道受到振動加速度的作用，產生慣性力，可能引發襯砌開裂結構、剝落，嚴重時將會破壞既有隧道的襯砌結構安全。此外，既有隧道圍巖的應力場也會受新建隧道開挖影響而產生應力重分布。

大橫琴山隧道開挖施工初始風險評估表如表4所示。

表4 大橫琴山隧道開挖施工初始風險評估表

3 施工安全措施

綜前所述，影響隧道施工安全主要有兩大風險因素：一是隧道圍巖條件較差；二是兩隧道凈距很小，隧道開挖、爆破等對既有隧道襯砌結構損傷破壞較大。為降低工程施工風險等級，著重從兩大風險因素控制方面考慮，根據工程實際情況，主要采取以下施工安全措施：

1)開挖作業要短進尺、弱爆破。本段采用單側壁法施工，開挖作業由上而下，襯砌施工由下而上。隧道施工應遵循“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則。

2)考慮到隧道開挖引起的水平和豎向位移會影響結構穩定性和受力，在施工過程中，應當做好監控量測，一旦出現結構傾斜、扭曲或者差異沉降過大，應當立即停止施工，采取注漿加固等有效措施。

3)開挖后立即進行噴射混凝土施工，緊接打錨桿、架立鋼架，最后復噴混凝土至設計厚度。開挖時側壁兩端接頭盡量在主洞鋼架接頭附近。

4)導坑上下臺階界面鋼架支撐應做好鎖腳措施，防止鋼架失穩或下沉。

5)施工單位可根據機具、人員配備及施工技術水平合理調整施工方案，臺階長度可根據現場情況合理調整，但必須保證施工安全。

6)施工階段加強對珠機城際襯砌表面振速監測及沉降變形監測，要求爆破振動速率不大于20 cm/s。

采取安全措施后殘余風險評估表見表5。

表5 采取安全措施后殘余風險評估表

同時，考慮到大橫琴山隧道位于珠機城軌隧道下部，兩隧道間距較小(最小凈距3.5 m)，立交點處大橫琴山隧道斷面跨度較大(24 m)，珠機城軌隧道斷面較小(12.4 m)，隧道斷面越大，對周圍圍巖的擾動就越大，對相鄰的工程影響就越大。因此，大橫琴山隧道先行，珠機城軌隧道以小斷面上跨大橫琴山隧道，對下部隧道影響更小，可更好保證兩座隧道的施工安全。

此外，在施工前還應做好應急預案的編制，做好現場施工的統籌管理和安排，保證不同施工單位統籌運作，以應對各種危及隧道結構安全的突發情況，盡可能地將風險事件發生后的影響降到最小。

通過對大橫琴山隧道施工的風險因素進行控制，采取措施后對珠機城軌的影響殘余風險等級由高度轉為中度，為可接受狀態，有效提高隧道開挖施工安全性。

4 結論與建議

1)影響隧道施工安全主要有兩大風險因素：一是隧道圍巖條件較差；二是兩隧道凈距小，隧道開挖、爆破等對既有隧道襯砌結構損傷破壞較大。可通過采取短進尺開挖、弱爆破、做好施工監控量測、開挖后立即初襯施工等措施來控制這兩大風險因素，進而降低工程施工風險等級。

2)考慮到隧道斷面越大，對周圍圍巖的擾動就越大，對相鄰的工程影響就越大，結合工程情況，建議先開挖大橫琴山隧道，珠機城軌隧道以小斷面上跨大橫琴山隧道，對下部隧道影響更小，可更好保證兩座隧道的施工安全。

3)建議大橫琴山隧道先施作交叉段二次襯砌，以提高安全性。若受客觀條件而不能先施作二襯，則應在拱部采用中管棚+小導管超前支護，且不拆除臨時支撐，以減小上部隧道施工爆破對下部隧道的影響，確保施工安全，待珠機城軌隧道開挖通過后再施工上下兩隧道二次襯砌。

4)在施工中，如果發現監測變形過大，建議及時調整開挖方法，選用雙側壁導坑法施工。同時，兩隧道參建單位應構建交叉段施工管理的聯動機制、共享監控量測數據，以確保交叉段施工安全。