新建隧道施工对既有隧道的影响分析及处理措施

谢勇涛，于清浩，丁 祥，卢裕杰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 工程概况

新建大理至丽江高速公路是国家高速公路网杭州至瑞丽高速公路的联络线,线路全长202.274 km,全线按4车道高速公路标准建设,深长村至华营设计车速100 km/h,华营至丽江设计车速80 km/h。

深长村龙翔隧道穿越大理凤仪镇浴龙山,为左右分离式隧道,隧道围岩以中薄层软质岩(泥岩、泥质粉砂岩、不等厚互层夹薄层砂岩)为主,受区域构造影响岩体节理裂隙很发育,受节理裂隙影响岩层风化面不连续、不规则,隧道最大埋深约150 m。

龙翔隧道左幅K7+271.7和右幅K7+323.42分别交叉上跨广大铁路浴龙山隧道交于K201+116.03和K201+065.7处,交角均约为44°,与既有隧道衬砌净距分别为19.6 m和21.1 m,平面位置关系如图1所示。

图1 龙翔隧道与浴龙山隧道的关系

2 经验法对既有隧道影响分析

2.1 近接施工的分类和影响范围的划分

众所周知,地下近接施工之所以会对既有结构的稳定性和安全性造成影响,主要是因为新建地下工程施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布,进而引起地层变形,而上跨隧道施工是在经过至少一次扰动的围岩中再次进行洞室开挖,其力学过程要相对复杂,既有结构的变形往往是上跨施工关注的重点,其变形是地层变形的直接结果,而既有隧道的存在同样也会反作用于地层,使其变形与自由场地层不同。

日本在近接施工中,以既有结构物的铁路隧道和新建工程的位置关系分为不同类型,并规定了相应的影响范围,作为设计施工的基准,对指导近接施工有一定的参考价值。近接施工分类见表2。

表1 近接施工的分类

根据近接工程的分类和既有隧道与新建隧道的间隔,把近接度划分为：无影响范围,注意范围和需采取措施的范围。这里所谓“间隔”,是指既有隧道衬砌外缘到近接工程的最小距离。近接度的判断采用D(隧道外径)值。在隧道交叉情况时,近接度的划分见表2。

表2 近接度的划分(隧道交叉)

注：D为新建隧道外径。

另外近接施工的地层振动因与既有隧道的位置关系、使用炸药、地形和地质条件而有很大的不同,因此,表3的划分是根据振动源与隧道的距离来划分近接度的。

表3 近接度的划分(地层振动)

2.2 浴龙隧道受龙翔隧道施工的影响范围

根据浴龙山隧道与新建龙翔隧道位置关系(图2),并结合交叉隧道的近接度划分,左右幅隧道要注意的影响范围为18.75～37.5 m,而左右幅隧道与既有隧道的净距分别为19.6 m和21.1 m,可得出新建隧道左幅K7+237.87～K7+305.53段67.66 m和右幅K7+287.43～K7+359.41段71.98 m上跨施工时,既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受到影响。

图2 浴龙山隧道影响范围

3 数值模拟对既有隧道影响分析

为了探寻不同施工步骤土体位移规律,发现施工主要控制点,建立三维有限元模型能较好的模拟隧道开挖,采用MIDAS-GTS软件建立模型。其中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则,实体单元模拟,初支和二衬采用“板”单元模拟,锚杆采用“嵌入式桁架”单元模拟,隧道小导管超前支护采用块体单元模拟,计算时采用提高土层参数方法模拟。模型在左右幅隧道外侧各往外取45 m,横向共选取149 m；纵向100 m；高度下限方向为铁路隧道底面以下30 m,根据以往研究经验,此范围能够满足研究需要。

模型底部施加完全固定约束,两侧施加竖直滑动约束,表面取为自由边界。对于新建隧道运营阶段,根据铁路隧道设计规范,车动力荷载为20 kPa。计算参数见表4,模型见图3。

3.1 施工阶段计算结果分析

在新建隧道施工过程中,三维有限元模型模拟的是整体式开挖,先开挖右幅隧道,然后才开挖左幅隧道。因此,在新建隧道上跨浴龙山隧道模型中,分别进行2种工况计算分析。

表4 计算输入参数

图3 三维计算模型

工况1：右幅隧道开挖后对既有隧道的影响；

工况2：左幅隧道开挖后对既有隧道的影响；

计算过程中分别得到了新建隧道开挖后,既有隧道的竖向位移、大小主应力分布图。既有浴龙山隧道分别与新建隧道交叉处拱顶、左右拱腰、左右拱脚以及左右墙脚的衬砌结构各特征点处受力如表5和表6所示。

表5 右幅隧道衬砌结构受力

表6 左幅隧道衬砌结构受力

浴龙山隧道结构二次衬砌设计为C13混凝土,其极限抗压强度为10.5 MPa；极限抗拉强度为1.3 MPa,所要满足的强度安全系数见表7。

表7 混凝土强度安全系数

根据计算结果,新建隧道开挖引起既有铁路隧道K201+045～K201+136段拱顶衬砌向上抬起,最大位移量约为7.5 mm；需对内净空位移及拱圈沉降进行监测。从新建隧道正下方往外,既有隧道的上抬位移逐渐减小,在20 m外的区域既有隧道受新建隧道的影响就已经变得较弱了；洞周应力1.3～1.5 MPa,塑性应变基本上位于新建隧道周围,没有扩展,并未使既有铁路隧道洞周出现明显的塑性区；改变了既有铁路隧道K201+015.4～K201+159.6段衬砌结构承载能力,主要是衬砌的拱顶和墙脚出现拉应力,形成抗裂破坏,部分位置截面强度安全系数不满足《铁路隧道设计规范》要求,影响既有隧道衬砌的安全,需要对洞身围岩进行加固处理。

3.2 爆破模拟结果分析

(1)爆破分析有限元模型

本部分采用三维有限元模型,在爆破荷载的作用下进行瞬态动力分析,以确定新建隧道爆破作用对既有铁路隧道的影响。其中,数值模型的几何尺寸、网格划分以及围岩、衬砌力学参数等均与前述施工过程分析相同。

在本数值模型中,采用1972年Lysmer和Wass所提议的粘性边界(viscous Boundary)理论,利用MIDAS-GTS中的曲面弹簧功能来建立边界条件；对于一般的爆破弹性分析,可以认为爆破荷载加载区在掌子面以及一个开挖循环周围,且以压力的形式均布作用在孔壁上,方向垂直于隧道截面；把爆破荷载简化为具有线性上升段和下降段的三角形荷载等。根据MIDAS-GTS所提供的爆破荷载模式,本模型采用美国National Highway Institute里提及的爆破荷载公式以及Statfield里提及的有关时程动压力计算公式来确定爆破荷载,由此可得其加载曲线如图4所示。

图4 爆破荷载时程数据

(2)爆破振动容许值

根据《隧道施工要点集》一文中,对衬砌应力增加和振动速度容许值要求分别见表8～表9。

表8 衬砌应力增加的容许值标准 MPa

表9 振动速度容许值 cm/s

(3)爆破计算结果分析

振速分析：垂直振速峰值位于既有隧道拱顶区域,由拱顶往下逐渐衰减,水平振速从拱顶往下则出现先增大后减小的趋势；但是垂直振速峰值在既有隧道截面均大于水平振速峰值,即爆破对既有隧道的影响主要集中于拱顶部位,拱部最大振速超过11 cm/s,对于既有隧道的健全度为B,振动速度超过表9中要求容许值4 cm/s。

应力分析：左右拱墙及以下部位受到了沿着x和y方向的较大拉应力,有可能产生拉伸破坏。若拉伸应力超过混凝土的抗拉强度时,在既有隧道的横向和轴向会产生拉伸裂纹,局部部位既有隧道衬砌拉应力超过表8中容许值1 MPa。

4 工程难点处理措施

4.1 施工方法、支护类型及钻爆控制

在施工方法上采用双侧壁导洞法开挖,最大限度减小对既有隧道的影响；如地质情况允许,应采用人工和机械混合开挖的方式以避免爆破振动对既有隧道的影响。

初期支护的刚度越大,抵抗变形的能力越强,而双侧壁导坑法施作两侧弧形导坑的钢架时,很难将其控制在同一平面内,支护承载能力大大降低。因此,龙翔隧道上跨段采用双层初支加强,第一层：间距0.5 m的I25a钢架,喷35 cm厚C25混凝土；第二层间距1.0 m的格栅,喷25 cm厚C25混凝土。

如地质情况决定必须采用钻爆施工,施工中应对爆破振动速度进行严格控制,新建隧道爆破时,既有隧道的振动速度应控制在4 cm/s以内。为了达到减振的目的，应将一次爆破的所有药孔分成较多段按顺序起爆；段数越多,单段爆破最大药量就越少。这种分段微差爆破方式能有效降低最大振动速度。同时为避免微差爆破延时不够或延时误差造成应力波叠加,使振动加强,在选择雷管段数时,应加大相邻段别的段位差。如果分段微差爆破方式的减振效果仍无法满足要求,可以进一步采用缩短爆破进尺,缩短炮孔长度,降低单孔装药量等方式最大限度地降低爆破振动对既有隧道的影响。

4.2 监控量测

新建龙翔隧道上跨既有隧道施工时,对广大线浴龙山隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m进行以下项目监控量测：净空位移收敛量测；拱圈竖向位移量测；已有原始裂纹发展情况量测；隧道衬砌开裂监测；对爆破时的振动速度进行监测,进行动态设计,及时利用监控量测结果指导设计和施工。

龙翔隧道施工过程中如出现既有隧道竖向位移值突然增大,位移速度加速等情况,量测频率应增加。进行既有隧道洞内状况观察时应在新建隧道每次爆破后都要观察,一般应每天观察1次；量测元件的安设及初读的时间应在爆破后24 h内,并在下一次爆破之前完成。水平净空变化量测和拱顶竖向位移量测应设在同一断面,并可采用断面仪进行量测。

4.3 浴龙山隧道加固和病害处理方案

由于浴龙山隧道衬砌现状较差,1998年竣工,工程施工质量水平不高。隧道采用先拱后墙法整体式衬砌,衬砌采用C13素混凝土,其极限抗压和抗拉强度较低；隧道拱墙交接处纵向施工缝有渗漏水病害,且局部漏水严重；隧道局部位置存在衬砌开裂病害；既有隧道拱墙背超挖较大,回填不密实的情况下可能存在空洞。因此对既有隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2 m受新建龙翔隧道左右幅开挖的影响段落应进行加固和病害处理。

(1)衬砌裂缝处理

衬砌开裂采用锚固加强方案,即通过锚杆的作用将隧道衬砌和周边围岩紧密地联系在一起,形成一个共同受力的整体,抑制衬砌裂纹的进一步发展。隧道纵向、斜向裂缝按裂缝宽度分类采取不同的整治措施。

①裂缝缝宽<5 mm时,采用灌浆+锚杆处理,对裂缝灌注AB灌浆树脂,骑裂缝两侧布设φ32 mm自进式中空注浆锚杆,锚杆间距1.5 m。

②裂缝缝宽>5 mm时,采用凿槽嵌补+灌浆+锚杆处理,用AB树脂砂浆嵌补且预留注浆孔,待AB树脂砂浆固化后给裂缝压注AB灌浆树脂,裂缝两侧设φ32 mm自进式中空注浆锚杆,锚杆间距1.0 m。

③锚杆长度依据围岩情况采用3～4 m。AB灌浆树脂采用自动压力灌浆技术进行施工。

(2)拱脚处理

对于K201+015.4～K201+159.6段隧道内拱脚纵向因空隙而造成渗漏水地段,首先应对有渗水地段的拱脚两侧用高压水冲洗(在无水源条件时,亦可用钢丝刷或湿布清除)干净,而后用超细水泥浆(水灰比0.5∶1)进行表面抹缝处理,并打孔预埋注浆管(孔距0.8～1.2 m,孔深50 cm,φ6～8 mm),待表面水泥注浆达到一定强度后,对拱脚压注超细水泥浆(水灰比1.5∶1,用每隔3孔注浆的方式逐孔注浆,以确保浆液均匀扩散),注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。

(3)渗漏水处理

隧道渗漏水整治采取“拱部以堵、边墙以排为主,防、堵、截、排相结合”的原则。

对于K201+015.4～K201+159.6段渗漏水严重地段,对表面冲洗干净后,采用表面压抹超细水泥浆(水灰比0.5∶1),同时对拱部采用φ42 mm钢花管压注超细水泥浆(水灰比1.5∶1,注浆固结范围为隧道结构外2 m,孔距1 m×1 m梅花形),注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。边墙一般地段凿槽(10 cm×8 cm)预埋φ7 cm半圆形PVC管将水引排到侧沟内(对于渗漏水的集中段,采取每5 m开槽设暗沟排水),无侧沟段将水引至铺底处的横向排水管内导入侧沟,而后采用GTL快速堵漏剂封堵,排水槽表面用超细水泥浆(水灰比0.5∶1)进行表面压抹处理。

(4)拱墙背后空洞处理

采用φ42 mm注浆管对衬砌背后空洞压注充填M10水泥砂浆,并固结空洞内充填物,注浆压力0.3～0.4 MPa。为防止压力过大破坏衬砌结构,在压浆时不能一次注满,分几次压浆,使二衬与围岩成一个整体受力,改善衬砌受力模式,确保安全。

(5)结构补强处理

①对隧道K201+068.68～K201+111.51段42.83 m拱墙全环凿槽嵌入I16型钢钢架,每榀钢架间距1.0 m,钢架采用φ42 mm锁脚锚管固定,并采用C25喷混凝土封槽,表面用超细水泥浆(水灰比0.5∶1)进行表面压抹处理。

②对隧道K201+015.4～K201+159.6段144.2m拱墙全环增设φ32 mm自进式中空注浆锚杆进行加固,锚杆长3.5 m,间距1.0 m×1.0 m,梅花形布置,锚杆注浆材料采用超细水泥浆(水灰比1.5∶1,采用每隔3孔注浆的方式逐孔注浆,以确保浆液均匀扩散),注浆压力0.3～0.4 MPa。

③K201+068.68～K201+111.51段注浆锚杆与钢架联接,其余地段在注浆锚杆布设部位应预先对衬砌表面凿除20 cm×20 cm宽,8 cm深的空洞。待注浆完毕后放入锚杆垫板及螺母后,用C25干硬性混凝土封口并压抹平顺。

5 结论

(1)在地质勘察详尽、准确，设计合理，施工措施得当，监控和量测及时、充分的前提下,龙翔隧道近距离上跨既有隧道的工程安全性是可以得到保证的。

(2)在近距离上跨既有隧道的情况下,新建隧道应尽量采用每步骤开挖量小的施工方法；在地质条件允许的条件下,尽量采用人工和机械混合开挖的方式,以避免爆破振动对既有隧道的影响；必须钻爆施工时,应对爆破振动速度进行严格控制,采用分段微差爆破等方法最大限度地降低爆破振动对既有隧道的影响。

(3)为了彻底消除工程隐患,为动态设计提供依据,新建隧道施工过程中应对既有隧道进行周密的监控量测，及时利用监控量测结果指导设计和施工。

(4)新建隧道近距离上跨既有隧道的情况下,应根据工程实际对既有隧道做出加固设计。设计内容可包括新建隧道开挖前对既有隧道的预加固；新建隧道开挖过程中对既有隧道产生影响后的加固补强；新建隧道开挖过程中出现严重危及既有隧道结构安全情况时的应急抢险加固预案。

本文所得到的相关结论是在工程设计的基础上利用工程类比和数值模拟的方法总结分析后得出的。隧道工程与详细现场施工工况和岩层实际工程性质息息相关,影响因素纷繁复杂,本文相关结论还有待进一步在工程实践中进行检验。

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