重庆轨道交通6号线大龙山站—花卉园站区间中厚水平层状岩小净距重叠隧道爆破开挖时序探讨

蔡振宇，黄 旭

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

重庆轨道交通6号线大龙山站—花卉园站区间中厚水平层状岩小净距重叠隧道爆破开挖时序探讨

蔡振宇，黄 旭

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为减少小净距重叠隧道爆破开挖对结构及中夹岩的不利影响，以重庆轨道交通6号线大龙山站—花卉园站区间重叠隧道(长约500 m)爆破开挖为依托，首先结合工程实际情况及相关施工经验，说明重叠段总体施工方案优选为“先上洞后下洞”的开挖方法，但需根据净距大小采用不同的施工措施；然后通过理论计算论证了上下间距较小时爆破开挖不能保证结构安全，需要采用减震爆破及非爆破的开挖技术，才能保证中厚层状岩最小净距重叠隧道“先上洞后下洞”开挖方法的实现。实施效果证明：对于中夹岩厚度小于3.5 m的最小净距地段(长约25 m)，可先行开挖上洞上台阶，预留下台阶，并待后行下洞减震爆破通过后，再采用非爆破开挖预留的上洞下台阶，以完全消除爆破开挖对最小净距中夹岩的影响，确保了最小净距段结构及施工安全。

重叠隧道；层状岩；小净距；减震爆破；非爆破开挖；中夹岩

0 引言

既有的工程实践及研究成果证明，隧道层状岩的破坏机理、模式及其稳定性均与其他结构类型围岩有着显著区别，主要体现在层状岩在地震动的作用下易沿层理面掉块、扩展性松动及坍塌，从而在拱部形成平层[1]。而对于小净距隧道而言，中夹岩柱厚度较薄，因爆破开挖的多次扰动而成为受力薄弱环节，围岩的稳定性差，因此，施工中对中夹岩柱体的保护将非常重要[2]。小净距隧道施工的重难点是如何合理选取开挖顺序、控制爆破震动，确保隧道开挖过程围岩的稳定[3]。目前，国内上下重叠小净距隧道愈来愈多，相对于水平小净距隧道，上下重叠小净距隧道更需要确定合理的开挖顺序及减震爆破，因为后行隧道处于先行隧道的扰动区内，对先行隧道有卸载作用，保留围岩会产生更大变形[4]。故重叠隧道施工过程中，采用何种开挖时序，即先开挖上行洞后开挖下行洞，或先开挖下行洞后开挖上行洞的施工时序至关重要。通过对地表沉降、结构及围岩变形等进行综合分析得出：先下行洞后上行洞的施工时序更可控、可靠[5]。

前人对水平层状岩隧道、小净距隧道及上下重叠隧道施工技术等方面进行了大量研究，均认为必须选择合适的开挖时序，以减轻后行隧道对先行隧道的影响。付仁鹏[6]介绍了北京地区盾构长距离连续下穿古旧平瓦房施工时，采取“先下后上、前后错开、支撑加固”的施工原则，通过盾构掘进参数控制、夹层土注浆加固和下线洞内临时支撑台车进行下线隧道加固等关键措施，成功地完成了盾构长距离下穿大面积古旧平瓦房的施工。广州地铁某区间重叠隧道暗挖施工亦是采用“先下洞后上洞”的施工时序，超前加固、下洞支撑加固、回填注浆加固等方法保证了施工及隧道结构的安全[7]。同样，深圳地铁罗湖—国贸区间重叠隧道施工亦采用的是“先下洞后上洞”的施工工序[8]。而上述工程或国内绝大多数重叠隧道施工均采用“先下洞后上洞”的施工方案，采用的施工措施与本文也不尽相同。只有李少利等[9]在重庆轨道交通6号线近光电园站大跨区间重叠隧道施工中，通过研究提出了先上洞上台阶开挖后下洞开挖初期支护及二次衬砌后，再开挖上洞预留下台阶，然后上洞二次衬砌的方法进行重叠小净距段施工，保证了隧道结构及施工安全。其时序开挖方法与本文相同，并在同一地区。实际上，该工程施工后，由于预留上洞下台阶爆破开挖，其震动可能会对相距较近(1.3 m)的下洞二次衬砌结构产生不利影响，故应采取相关技术措施，确保已建结构的安全。

在文献[9]工程成功进行“先上洞后下洞”施工经验的基础上(与本工程同属一家施工单位)，本文重点介绍了重叠段后行下洞爆破对中夹岩的震动影响及最小净距段上洞预留下台阶非爆破开挖技术，以期为类似工程施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

重庆轨道交通6号线大龙山车站—花卉园车站区间重叠隧道位于龙山大道下方，其中，右线在上，长509.961 m；左线在下，长513.93 m。均采用钻爆法先期施工，为后期TBM步进至大龙山车站提供了通道。重叠隧道上洞最小埋深16 m，下洞最大埋深42.5 m，开挖断面尺寸为(6.975～9.567)m×(7.08～9.5)m(高×宽)，上、下洞之间中夹岩厚度0～9.80 m，大多数里程中夹岩厚度都在1 m以上，而且重叠隧道中夹岩厚度在1 m以下的里程较短。采用复合式衬砌，初期支护为喷、锚、网支护，二次衬砌为C40钢筋混凝土。重叠断面型式如图1所示。

图1 大龙山车站—花卉园车站区间重叠隧道断面型式图

重叠段隧道地质岩性以砂岩、砂质泥岩为主。其中，砂岩呈中-厚层状构造，岩性较硬，岩体较完整，属Ⅲ级围岩；砂质泥岩呈中-厚层状构造，岩性较软，岩体较完整，属IV级围岩。地下水不发育，无其他不良地质条件。

重庆轨道交通6号线大龙山车站小里程端区间重叠隧道设计开挖时序为“先下洞后上洞”，即要在大龙车站基坑到底才能开始掘进相邻的重叠段区间下方隧道，下方隧道二次衬砌完成后再掘进上方隧道，然后二次衬砌，待其结构强度满足要求后TBM再通过。若如此，则整个重叠段钻爆开挖施工工期较长，严重影响TBM步进通过及后期正常掘进，使总体工期压力增大。另外，对工程本身而言，由于位于重庆主城区内，22：00后及节假日不允许爆破作业，对隧道开挖影响较大，需尽可能提前进行钻爆施工才能保证施工工期。故本工程重叠隧道需要采取“先上洞后下洞”的开挖时序，以确保施工工期。

2 重叠段开挖总体施工方案

国内外对重叠隧道开挖时序研究很多，但大多数学者均主张先开挖下方隧道，后开挖上方隧道，即“先下洞后上洞”的方案。吕奇峰等[10]对重叠隧道进行理论分析和数值模拟后，提出将施工顺序分为“先上后下”和“先下后上”，并将二者进行对比分析，通过研究2种施工顺序的塑性区分布以及衬砌内力的影响率，最终得出先下后上的施工顺序较为合理。

重叠隧道“先上洞后下洞”开挖的施工风险主要有2点。首先，在上洞已开挖的情况下，下洞拱部爆破时中夹岩会失稳甚至破坏；其次，下洞开挖时上洞会产生不均匀沉降，结构有可能开裂。尽管可采用减震爆破技术进行施工，降低施工风险，但在2个隧洞相距较近的情况下，仍需要采用非爆破法进行开挖，以确保下洞开挖时上洞结构及中夹岩的安全与稳定，即重叠隧道最小间距的确定是决定后行洞采用何种开挖方法的关键。

JTGD 70—2004《公路隧道设计规范》对小净距隧道中夹岩厚度进行了相关规定，但随着减震爆破技术的进步，许多技术人员及学者认为规范中规定的最小净距仍有压缩空间，并通过研究得到了一些结论：V级围岩的最小合理净距为0.75B，Ⅳ级围岩的最小合理净距为0.5B，Ⅲ级围岩的最小合理净距为0.25B。规范最小限制与最小合理净距如表1所示。

表1 规范最小限制与最小合理净距的对照表[2]Table 1 Minimum clearance between stacked tunnels

注：B为隧道开挖断面宽度。

本工程主要为中厚层状的砂岩及砂质泥岩，属Ⅲ级和Ⅳ级围岩，对照表1，取Ⅳ级围岩的最小合理间距0.5B为重叠段最小中夹岩厚度，即当中夹岩厚度大于3.5 m时，后行开挖的下洞可采用减震爆破进行施工；当厚度小于或等于3.5 m时，则采用非爆破技术开挖后行下洞，至少下洞的上半断面应采用非爆破开挖。或者认为重叠隧道中夹岩厚度在3.5 m以上时，采用减震爆破技术可降低“先上洞后下洞”开挖所带来的施工风险。

根据统计，重叠段中夹岩厚度在3.5 m以下的里程约占本段总长的46%，即长约25 m，位于重叠段小里程端，与大龙站相接。此里程段上洞最早开挖，为了保证后行开挖下洞爆破时中夹岩厚度在3.5 m以上，先行上洞开挖时只开挖上半断面，预留下半断面。后行下洞减震爆破开挖通过此里程段后，再采用非爆破法开挖预留的上洞下半断面。对于其他中夹岩厚度大于3.5 m的里程段，则上洞先行采用全断面法掘进，后行下洞采用减震爆破台阶法施工。重叠段隧道施工时序如图2所示。

3 爆破对中夹岩震动影响分析

为了研究重叠隧道爆破对中厚水平层状中夹岩的稳定性影响，本工程委托西南交通大学对“先上洞后下洞”及“先下洞后上洞”2种开挖时序中夹岩的稳定性进行了数值模拟计算[11]。模拟计算时选取的中夹岩厚度假定为1.5 m，其中先行洞采用全断面法开挖，后行洞采用台阶法开挖。

施工步序如下：①—②—③—④。对于重叠段首先开挖及初期支护上洞上半断面①，预留上洞下台阶④，至一定距离后放坡开挖下台阶至全断面，形成全断面开挖上洞。待相邻基坑到底后台阶法减震动爆破开挖下洞②，下洞洞通或开挖至一定距离后二次衬砌下洞重叠段③，重叠段二次衬砌完成后即可非爆破开挖上洞预留的上台阶④。最后在对下洞二次衬砌临时加固支护的情况下进行上洞二次衬砌，二次衬砌至设计强度后完成TBM步进过站。

图2重叠段隧道施工时序示意图

Fig.2 Construction procedure of stacked tunnels

通过研究得出：

1)中夹岩块脱落。“先上洞后下洞”时序开挖时，上洞拱肩附近岩块易脱落成平拱，平拱跨度0.85D～0.88D，厚度2d；中夹岩(下洞拱顶)在下洞爆破荷载作用下向上扬起，产生折断塌落破坏。“先下洞后上洞”时序开挖时，上洞亦是拱肩附近岩块脱落成平拱，平拱跨度及厚度同“先上洞后下洞”；中夹岩(下洞拱顶)脱落跨度及深度基本与上洞相同，但中夹岩有所保留，同时拱腰也出现了少量岩块脱落。2种开挖工序下的中夹岩块脱落情况如图3和图4所示(图中D为隧道开挖宽度；d为岩层层厚)。

2)岩层面开裂。“先上洞后下洞”时序开挖时，爆破荷载作用下中夹岩已基本被破坏；而“先下洞后上洞”时序开挖时，中夹岩有所保留。2种开挖时序岩层面开裂情况如图5和图6所示。

总之，本工程通过委托西南交通大学进行数值模拟得出结论：中厚水平层状岩重叠隧道施工的关键部位为中夹岩。当中隔岩墙厚度在1.5 m左右时，无论是“先上洞后下洞”还是“先下洞后上洞”时序开挖，都不能保证中隔岩墙的稳定。故“先上洞后下洞”开挖时，后行隧道应实施严格的减震爆破技术并结合非爆破开挖技术，将开挖爆破对中夹岩的破坏减小到最低程度。

图3 先上后下双洞岩块脱落情况Fig.3 Rock falling when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

图4 先下后上双洞岩块脱落情况Fig.4 Rock falling when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel

图5 先上后下岩层面开裂情况Fig.5 Cracking of stratification interface of ground when the upper tunnel is excavated before the lower tunnel

图6 先下后上岩层面开裂情况Fig.6 Cracking of stratification interface of ground when the lower tunnel is excavated before the upper tunnel

4 减震爆破设计及施工

4.1 钻爆设计

通过模拟计算并结合工程实际，确定重叠段隧道总体施工方案是“先上洞后下洞”时序开挖。但在中夹岩厚度小于3.5 m地段，采用先开挖上洞上台阶，预留上洞下台阶，然后开挖下洞后再开挖上洞下台阶，即“先上洞上台阶、后下洞、再上洞下台阶”时序开挖。

由于先行上洞爆破开挖时下洞并未施工，其周围亦无重要的建(构)筑物，为了提高工作效率及施工进度，采用常规的台阶法(中夹岩厚度小于3.5 m地段)或全断面法爆破开挖；后行下洞施工则全部采用台阶法施工，进行严格的减震爆破开挖。下洞台阶法减震爆破炮孔布置如图7所示，减震爆破参数如表2所示。

图7 重叠隧道下洞台阶法减震爆破炮孔布置图(单位：mm)Fig.7 Layout of blast holes of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method (mm)

表2 下洞台阶法减震爆破参数表Table 2 Parameters of vibration-reducing blasting of lower tunnel constructed by top heading and bench method

4.2 减震爆破施工技术措施

下洞全里程均采用减震爆破开挖，其减震措施如下：

1)拱部周边孔。在爆破区域拱顶周边开挖轮廓线上，间隔布置装药孔及减震孔，装药孔的间距为50 cm，装药孔与减震孔的间距为25 cm。

2)减震孔。在掏槽区设φ108 mm减震孔，拱顶周边减震孔采用φ42 mm中空减震孔，间距55 cm，与装药孔间隔布置。隧道仰拱开挖轮廓上布置φ108 mm中空减震孔，间距40 cm。

3)循环进尺及炮眼深度。隧道掘进每循环进尺1.0 m。因此，掏槽眼深1.2 m，辅助眼、扩槽眼、周边眼及底板眼孔深均为1.0 m，减震孔比装药孔深20～30 cm，为节约施工循环时间，φ108 mm中空孔集中施作，一次钻孔深度为30 m左右；φ42 mm周边减震孔每循环施作。

4)装药量。装药量根据经验进行取值，然后根据萨氏公式进行验算。爆破震动最大时刻均出现在掏槽区爆破，故首先应控制掏槽眼、辅助眼、扩槽眼最大单段药量，最大单段药量按萨氏公式Qmax=R3(V/K)3/α进行计算。周边眼及底板眼由于布置了减震孔，装药量按公式计算后再按70%～80%折减。

5)爆破震动监测。每炮应进行爆破震动监测。爆破震动速度以GB 6722—2003《爆破安全规程》的要求进行控制。爆破后，应根据实测震速调整爆破参数。

5 预留下台阶非爆破施工

前25 m先行上洞上台阶采用常规爆破施工，预留的下台阶待后行下洞(减震爆破施工)通过后采用机械切割进行开挖。切割机选用22 kW以上的大功率岩石切割机，在隧道宽度范围内，按50～80 cm的间距切割，切割厚度30～50 cm，人工撬出后，用小型农用车运出。下台阶机械切割施工如图8所示，切割后的下台阶如图9所示。

图8 下台阶机械切割图

图9 下台阶机械切割成型图

6 施工效果

采取减震措施后，后行下洞减震爆破施工时，在先行开挖出的上洞进行了爆破震动监测，得知爆破在正上方的先行上洞中夹岩(厚度大于3.5 m)处产生的最大爆破震速在9.63～12.85 cm/s，与测得的先行上洞边墙及拱顶处的最大爆破震速(分别为10.66 cm/s及8.37 cm/s)相差不大，上洞初期支护或围岩无明显的新裂纹产生或剥落，中夹岩基本完好。现本工程早已完工，不仅成功地完成了大龙山站小里程端上下重叠隧道的施工，保证了其结构安全及中夹岩的稳定，而且确保了TBM按期顺利地通过并步进过站，节省了大量的费用和工期，降低了施工风险，施工过程中没有发生一起工程事故，得到了专家和业主的高度评价，创造了良好的社会效益。

7 结论与建议

1)尽管国内许多学者认为小净距重叠隧道施工时序一般应为“先下洞后上洞”，但本工程实践证明：只要采取适当的工程措施，重叠隧道“先上洞后下洞”的施工时序是可以消除不利影响，能够保证重叠隧道结构及施工安全的。

2)分析计算结果表明：当中夹岩厚度较小时，无论是“先上洞后下洞”，还是“先下洞后上洞”的时序开挖，都不能保证中夹岩的安全与稳定。后行隧道应严格实施减震爆破技术或非爆破开挖技术，将开挖爆破对中夹岩的破坏减小到最低程度。

3)将上下重叠隧道中夹岩厚度控制在3.5 m以上，然后采用减震爆破控制后行下洞爆破震动，将其对上洞已支护结构及中夹岩的影响控制在最低程度是本工程成功的关键所在。

4)采用切割机械切割围岩进行后行洞预留下台阶非爆破开挖是本工程成功的有力保障。

通过在中厚水平层状岩中进行小净距重叠隧道减震爆破施工，确定合理且安全的上下重叠隧道的施工方案，加快了总体施工进度，满足了相应节点工期要求，获得了良好的经济效益。但限于类似本工程实例的数量限制，针对不同地区不同地质情况下进行同类试验的效果对比需进一步深化。

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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，湖北阳新人，1990年毕业于西南交通大学，桥梁工程专业，本科，高级工程师，现从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