引水洞爆破施工对既有隧道衬砌的影响分析

孔景华

(中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300)

0 引言

近年来，我们通过对渝怀、宜万2条铁路在岩溶发育地质隧道的施工实践，发现因前期考虑不周，后期水压增大，使得正常运营的铁路隧道出现变形开裂，部分岩溶核心地段出现衬砌渗水，从而影响到运营安全。因此，很有必要针对运营铁路隧道岩溶病害进行强化治理，以确保隧道运营安全，强化治理的措施通常为施作引水洞。引水洞施工期间对正洞衬砌结构的影响不能忽视，引水洞施工控制不好会导致正洞结构损坏，进一步加剧问题的严重性。文献［1］论述了新建隧道近距离上穿既有隧道的力学分析及工程处理措施，提出尽量避免爆破施工或者严格控制既有隧道处的震动速度，最大限度地降低爆破震动对既有隧道的影响。文献［2－6］针对小净距隧道的工程特点，提出爆破安全控制技术措施及处治建议，并介绍了爆破震动监测。文献［7］根据经验及数值模拟结果，提出既有隧道比较合理的变形预警值和容许值，以及加固处理措施和意见。文献［8］阐述了某铁路运营隧道溶洞强化治理设计及施工，通过修建具有较大坡度的高位引(泄)水支洞，以排泄正洞二次衬砌外周边的高压岩溶水及充填物，恢复溶洞段运营正洞衬砌结构体系工作环境，确保运营隧道衬砌结构安全。

结合某铁路隧道引水洞爆破施工，区别于以往更多的关注爆破震动减震措施和施工技术来进行保护结构安全，本文以监控施工过程中的信息为重点，从爆破震动、结构变形等动态监控和土压力、型钢应力、混凝土应变等静态测量2方面综合分析引水洞施工期间正洞衬砌结构受力和变形情况，判断正洞结构在引水洞施工期间和施工完成后的状态，为后续运营安全提供基础数据，并为后续类似工程积累经验。

1 工程概况

某铁路隧道位于我国西部岩溶山区，2000年12月16日动工，2005年隧洞贯通，2007年4月18日客运全线通车。由于在施工过程中遭遇了数个高压富水充填型溶洞，尽管采取了相应的排堵结合的防水措施，但隧道建成后原有溶洞在雨季中涌水量增大、水压升高，使岩溶段正洞衬砌局部渗漏、平导衬砌局部施工缝严重涌水。2005年雨季在现场测到的最大水压为1.998 MPa。

为了保证隧道二次衬砌混凝土表面不再出现渗漏水情况，保证隧道结构安全和正常运营，在正洞上方施作引水洞截取岩溶水，将其引入平导，再由平导、横洞排出洞外，从而达到泄载减压保护的目的。

2 引水洞布置及爆破设计

2.1 引水洞布置

引水洞由1#和2#引水洞构成，组成2#溶洞排水系统。其中，1#引水洞里程为 Y1K0+333～+475(DK354+333～+475)，全长 142 m，其中有 30 m(Y1K0+333～+363)的坡度为3%，87 m(Y1K0+363～+450)的坡度为 20.94%，25 m(Y1K0+450～+475)的坡度为3%，斜插于正洞拱顶开挖标高上10 m的位置，并在引水洞末端设置3 m厚的止浆墙;2#引水洞利用原已施作的2#溶洞地质探洞扩挖而成，起止里程 Y2K0+000～+108.74(PDK354+608.0～+487.0)，全长121.0 m，其中31.13 m的坡度为3.5%，50 m的坡度为22.5%，25.61 m的坡度为3.9%，并在引水洞末端设置3 m厚的止浆墙。引水洞布置如图1所示。

图1 引水洞平面布置图Fig.1 Layout of water-releasing tunnels

2.2 引水洞爆破参数设计

爆破开挖时应坚持先进行地质判断后开挖，短进尺，弱爆破，及时支护，勤量测的原则，每炮开挖进尺不大于1.5 m［5］。引水洞开挖统一采用台阶法施工，采用人工手持风钻钻孔，减震动爆破设计及施工，避免过大爆破震动，确保相邻正洞衬砌结构安全。引水洞上台阶减震动爆破设计如图2所示。

3 引水洞爆破震动速度测试分析

3.1 爆破震动测试布置

为了确保1#，2#引水洞爆破震动监测更加准确，反映出实际震动情况，在正洞靠近1#，2#引水洞侧引水洞爆破中心的相对位置处布置测点，详见图3。

爆破震动监测采用USB3850爆破震动记录仪。仪器由传感器、数据采集系统和数据分析软件3部分组成。

图2 引水洞上台阶减震动爆破设计(单位:cm)Fig.2 Design of vibration-minimizing blasting of top heading of water-releasing tunnel(cm)

3.2 爆破震动测试结果分析

在测试过程中，对垂直和水平2个方向的震动速度同时监测，但表1只列出了各里程处的最大震动速度。按照GB 6722—2003规定，水工隧道爆破震动安全允许标准为7～15 cm/s，从爆破震动速度记录(见表1)可知，在整个监测过程中，震动速度基本都控制在国家标准震速15 cm/s以内。典型爆破震动速度分布如图4和图5所示。

图3 引水洞爆破中心与测试位置图Fig.3 Positions of blasting point and blasting vibration monitoring point

表1 爆破震动速度统计表Table 1 Statistics of blasting vibration velocities cm /s

图4 隧道轨面垂直方向质点震动波形图Fig.4 Waveform of vibration of particle in direction perpendicular to the rail surface in the main railway tunnel

图5 隧道近引水洞二次衬砌边墙水平方向质点震动波形图Fig.5 Waveform of vibration of particle in horizontal direction on side wall of secondary lining of main railway tunnel close to water-releasing tunnel

4 正洞衬砌受力监测分析

4.1 正洞衬砌受力监测布置

对前期埋设的元器件进行衬砌结构内力监测，主要包括钢筋应力、混凝土应变和围岩压力，测点布置如图6所示。

4.2 正洞衬砌结构受力分析

1)型钢应力监测分析。正洞溶洞型钢应力最大值位于仰拱底部外侧型钢，为350.66 MPa，达到允许应力500 MPa的70.13%，但大部分数值仍分布在50～200 MPa，说明爆破开挖对正洞衬砌结构影响不大。其型钢应力与时间关系曲线如图7所示。

2)混凝土应变监测分析。溶洞段二次衬砌混凝土应变最大值为1 508.22 με(测点在拱顶)，为允许应变2 000 με的75.41%，在开挖一段时间后，混凝土应变开始变大，然而在全部开挖结束后，混凝土应变又逐渐减小，基本处于相对稳定状态。根据监测结果，正洞二次衬砌混凝土应变总体值较小，说明爆破开挖所产生的震动对衬砌结构的影响较小。其混凝土应变与时间关系曲线如图8所示。

3)围岩压力监测分析。正洞溶洞区围岩压力最大值0.36 MPa(测点位于仰拱右侧)，不到设计二次衬砌承载4 MPa水压的9%，处于较低的压力范围之内，且围岩压力变化相对比较稳定，说明爆破开挖所产生的震动对围岩的扰动较小，其围岩压力与时间关系曲线如图9所示。

图6 正洞溶洞区监测断面仪器布设图Fig.6 Layout of monitoring instruments

图7 正洞溶洞核心段型钢应力曲线图(2006年)Fig.7 Curves of stress on shaped-steel arch of main railway tunnel(in 2006)

通过对正洞溶洞区衬砌结构的内力监测，证明衬砌结构处于稳定状态，由此表明，引水洞爆破开挖对正洞衬砌结构的影响很小。

图8 正洞溶洞核心段二次衬砌混凝土应变曲线图(2006年)Fig.8 Curves of strain of secondary lining of main railway tunnel(in 2006)

图9 正洞溶洞核心段围岩压力曲线图(2006年)Fig.9 Curves of surrounding rock pressure of main railway tunnel(in 2006)

5 正洞衬砌结构变形监测分析

5.1 正洞衬砌收敛监测布置

正洞衬砌结构上布置了收敛监测断面，在每个监测断面上布置3个测点，如图10所示。

图10 正洞监测断面测点布置图(单位:cm)Fig.10 Layout of monitoring points of main railway tunnel(cm)

5.2 正洞衬砌收敛监测结果分析

在溶洞区范围内所布置的几个监测断面衬砌收敛值都比较小，拱顶下沉也不大，说明爆破开挖对正洞衬砌影响很小，典型断面变形曲线如图11所示。

图11 正洞典型断面变形曲线Fig.11 Curves of deformation of main railway tunnel

6 结论与体会

1)引水洞施工期间正洞二次衬砌结构爆破震动速度为2.39～10.85 cm/s，按照GB 6722—2003规定，都在15 cm/s的允许范围以内，说明根据全程爆破震动监测结果调整爆破参数是近接爆破施工中实现减震爆破的基本要求。

2)某铁路隧道引水洞施工期间，正洞衬砌结构变形监测显示在3 mm左右，由于数值比较小，并且数据变化基本平稳，考虑到测试误差的影响，正洞衬砌结构基本没有变形，说明爆破震动对正洞砌结构基本没有影响。

3)正洞采用的型钢混凝土衬砌结构已形成统一的受力体系，这对结构的稳定性和安全性是有利的。正洞溶洞区的土压力、钢筋应力及混凝土应变都处于允许范围内，数据相对稳定，说明爆破震动对正洞衬砌结构基本没有影响。

4)通过爆破震动、隧道结构变形动态监测和土压力、钢筋应力及混凝土应变静态监测，全方位地监控了引水洞施工期间对正洞衬砌结构的影响，为后续正洞运营状态评估奠定了基础。

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