新建隧道上跨既有隧道安全施工控制技术

金 平

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)



新建隧道上跨既有隧道安全施工控制技术

金 平

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

摘要：新建隧道上跨既有隧道施工时，会对既有隧道结构和铁路正常运营产生安全威胁。对既有隧道安装钢架进行加固；将控制爆破设计、降震措施应用等方面综合考虑，并通过多次试爆数据的分析，总结得出合理的控制爆破参数；新建隧道仰拱开挖前施作“超前管桥”。一系列措施的采用使新建隧道安全、顺利、快速施工，同时也保证了既有隧道的安全。

关键词：上跨；既有隧道；控制爆破；加固钢架；超前管桥

1 工程概况

西安至安康铁路纵穿陕西省南部，地处我国中西部地区的结合部，跨越我国地理上南北方的分水岭——秦岭山脉。西安至安康增建二线铁路新两河关隧道全长3 039 m，洞身最大埋深约410 m。进出口均采用横洞进洞，新两河关隧道上跨既有隧道由出口横洞完成，出口横洞全长325 m，上跨部位相交里程DK192+505,既有线里程K192+265，新建隧道需控制爆破的影响范围80 m，对既有隧道的影响区段为K192+230～K192+325，长95 m。上跨交点距既有隧道进口约960 m，距出口约1 250 m，距新建隧道横洞交叉口95 m。两线轨顶高差15.66 m，交点处岩层最薄为6.5 m，交角29°。

地层岩性为泥盆系中统灰岩夹千枚岩、千枚岩夹灰岩和软弱千枚岩带，地貌属于大的缓向斜构造。灰岩夹千枚岩，为晶质结构，中～薄层状，成分为方解石、石英等，岩石结晶颗粒细密，岩体较致密坚硬，节理、裂隙较发育，岩体多被切割成大块状。该段地下水较少。风化层厚3～5 m，Ⅳ级围岩，按Ⅴ级加强复合式衬砌施工，设计要求控制爆速小于10 cm/s。

2 新建隧道对既有隧道的不利影响及技术难点分析

新建隧道的施工对既有隧道产生以下两方面的不利影响：一方面，既有隧道上方岩体的开挖卸载，导致已经平衡的围岩应力场重新调整，从而会使既有隧道结构内力发生变化；另一方面，隧道开挖爆破产生的地震波对既有隧道结构作用，使既有隧道结构产生动应力，对既有隧道结构产生安全威胁。

本工程两隧道交点处在新建隧道开挖后岩层最薄为6.5 m，对既有隧道结构安全影响非常直接；新建隧道与既有隧道上跨交点距既有隧道进、出口较远，均达到1 000 m左右，在既有隧道内进行安全防护和监测困难大；爆破时间的掌握和信息及时传递的要求极高。因此存在以下技术难点：

(1)对既有隧道结构安全性的分析评价和采取的加固措施，尤其是在既有隧道深处进行，局限性较大，技术上难度大。

(2)爆破点和监控点均在隧道深处，爆破时采取合适的爆破联络方式非常关键。

(3)如何避免上跨既有隧道施工对运营的安全风险，爆破点到既有隧道的距离不断变化，如何通过试爆选取合适的开挖方法和进尺、爆破参数，解决爆破震速对既有隧道结构的震动破坏。

(4)采取的加强支护及仰拱加固措施的有效性，通过提高支护等级，即降低一个围岩级别进行支护，仰拱加固采用“超前管桥”、注浆等关键技术措施，控制或减弱围岩变形对既有隧道的危害。

3 既有隧道加固及钢架拆除施工

西康二线新两河关隧道上跨既有两河关隧道，轨面高差15.66 m，开挖仰拱底距既有隧道拱顶约6.5 m。为防止隧道开挖爆破影响营业线结构安全，确保营业线运营安全，既有两河关隧道K192+230～K192+325段采取了加固措施。

3.1 加固钢架的安装

现场根据衬砌内轮廓制作I16型钢钢架，按1榀/1 m架设，工字钢架由场外加工，在天窗点内轨道车运至现场安装；采用钢钎加固钢架；当与接触网安全距离小于35 cm时钢架设绝缘垫片，同时接触网也设绝缘；钢架安装稳固，不得侵入行车限界；安装过程中不得碰撞接触网等设备。由于既有隧道衬砌采用的小模板，内轮廓与钢架并不匹配，一般在钢架和衬砌间隙填塞木板等，使钢架受力，在使用期间经常检查木楔松动防止掉落。

3.2 钢架拆除施工

新建隧道影响段施工完成，隧道结构稳定后，钢架在“天窗”时间内拆除。拆除作业必须在断电情况下进行，其施工防护要求与加固施工一致。拆除作业，严禁碰撞接触网等设备，拆除物品及时清理出现场。

4 新建隧道控制爆破技术

为减少对既有线影响，新建隧道洞身采取台阶法开挖爆破方案[1-3]，每部分进行先掏槽(掏槽形式为斜眼掏槽)再扩挖方式。首先制定初步爆破方案，再进行试爆调整。

4.1 爆破方案的确定

经分析和试验，最大震速在上导开挖，中导和下导开挖因有足够的临空面及采取多分部的方式，震速易于控制，因此主要控制上导开挖爆破。

(1)由经验公式Qmax=R3×(Vkp/K)3/a计算。式中：Qmax为最大一段爆破药量(kg)；R为爆破安全距离(m)，上台阶开挖取值12 m，下台阶取值9 m，仰拱取值6.5 m；Vkp为安全速度(cm/s)，按设计要求取Vkp=10 cm/s； K为地质影响系数；a为衰减系数。

(2)为确保安全，按设计架设钢架间距为0.8 m要求，取最大进尺为0.9 m。

(3)起爆方式及爆破参数选择：毫秒雷管采用合理的分段方式和起爆顺序，掏槽孔与辅助孔雷管延时时间110 ms，内层辅助孔与外层辅助孔延时为90 ms，外层辅助孔与周边眼延时110 ms，这样可降低爆破振动叠加对临近隧道的影响。

(4)爆破器材选择：炸药采用乳化炸药，药卷规格200 g，∅32 mm，长200 mm，使用毫秒延时非电导爆雷管，雷管段别为1、3、5、7、9、11、13、15，起爆雷管采用电雷管；钻孔直径40 mm。

(5)爆破参数确定原则：各部开挖按浅密原则，即1次爆破深度不宜过大，采用0.9 m；炸药均匀布置在较密的炮眼中，避免集中装药。周边眼按光爆设计，采用小直径药卷不耦合装药方式。

(6)上台阶爆破参数选择：光面爆破参数如表1所示。

表1 光面爆破参数表

根据最大一段爆破药量及最大进尺长度及光爆参数表，计算开挖爆破参数如下：周边眼间距E=45 cm，周边眼抵抗线W=55 cm，相对距0.82。周边眼装药结构采用低密度、低爆速炸药，木棍间隔、毫秒雷管起爆、炮口填塞30 cm炮泥，装药集中度0.2 kg/m，光面爆破与主体爆破分段延时不小于110 ms。

4.2 试爆效果分析

取得有效试爆记录3次，顺序记录主要数据如表2所示。

表2 有效试爆记录表

第1、2次试爆，开挖台阶高度3 m，实测爆速较大，同时与预报震速偏差过大，主要原因：

(1)地质影响系数K,衰减系数a取值不准。试爆设计时按Ⅳ级围岩(中硬岩)取值，2次试爆后现场取石块进行试验，强度达到80.5 MPa，大于硬岩最低标准值60 MPa，因此K,a取值应按坚硬岩标准取值，造成偏差较大。

(2)最大单段装药量过大，主要是掏槽孔，起爆雷管段数单一。

(3)开挖断面小，掏槽炮孔较深且1段掏槽体积大，造成围岩夹制力大，不利于掏槽开挖，增大了爆破震动影响修正系数。

(4)根据有关研究表明，按Vkp=K1K(Q1/3/R)a进行修正，其中K1为在爆破施工实践中的爆破震动衰减修正系数(1.2～1.8)。

按以上原因重新计算第1、2次试爆参数，计算爆速达到9.06 cm/s、7.32 cm/s，根据第1、2次爆破效果分析及经验，第3次试爆相应采取了降震措施，实现了试爆目标。

4.3 采取的降震措施

(1)改进掏槽方式，调整掏槽开挖起爆分段，减小掏槽开挖最大一段装药量，由原来1个段位起爆分为3个段位起爆。

(2)增大开挖高度至5.5 m，即增大临空面，降低爆破震动衰减修正系数影响。

(3)同时布置减震干扰孔辅助措施，在掏槽孔下部设3排炮孔，一方面作为开挖炮孔，另方面作为减震干扰孔，起到减震作用。可以使应力波得到转换及降低能量，改变其传播频率，降低地震效应，有效降低震速10%～30%。

通过采取以上降震措施，第3次试爆，按Ⅲ级围岩进行K,a取值计算，并按Ⅲ级围岩标准进行试爆设计，预报爆速4.2 cm/s，实测爆速为4.4 cm/s，达到预期目标。

4.4 爆破参数确定

最终采取的爆破参数见表3。上导开挖炮孔布置见图1。对于中导、下导和仰拱采取分层、分部开挖方式，控制装药量和起爆方式，震速一般小于3 cm/s。

表3 爆破参数表

在施工期间，震源距既有隧道距离从大到小再由小到大，通过采取控制爆破及降震措施，实测震速均小于10 cm/s。

5 新建隧道加强支护及仰拱“超前管桥”技术

5.1 “超前管桥”技术

DK192+475～DK192+555段为新建隧道上跨既有线隧道影响段，隧底采用“超前管桥”，所谓“超前管桥”在施工工艺上类似超前大管棚，只是在隧底进行施工，钢管和岩体结合起来在开挖仰拱前在底部相对于既有隧道形成一个“梁”的作用。采用“超前管桥”技术，可有效降低仰拱开挖对既有隧道的不利影响，改善仰拱底部岩层的整体受力状态，降低风险。主要钻孔设备：潜孔钻、空压机等；仰拱一次开挖长度：1.5 m。

施工顺序：仰拱开挖，隧底初期支护封闭成环，超前管桥施作，施工6 m长进行一次仰拱浇筑。

图1　炮孔布置图(单位：cm)

5.2 主要技术要求

(1)采用∅108 mm×6 mm钢管，孔长至既有隧道顶约1 m处，间距1.5 m×1.5 m。

(2)钻孔∅130 mm，采用潜孔钻进行钻孔，外插角30°，钻孔后及时清孔、下管。钻孔过程中严密控制钻孔深度，专人现场量测钻孔角度、标高，确保钻孔孔底距既有隧道顶约1 m。

(3)钢花管采用∅108 mm钢管制作，管壁打孔,采用梅花型布孔，孔径为10～16 mm，孔间距为15 cm，钢管尾留110 cm不钻孔的止浆段，钢管加工成4 m和6 m长的两种规格。下管采用套筒连接直至孔底。

(4)注浆采用水泥单液浆，压力0.3 MPa。达到强度后进行下一段隧底开挖作业。

(5)隧底开挖每段1.5 m及时进行支护，超前管桥在隧底支护上进行，当长度6 m的仰拱支护及超前施工完成，进行仰拱浇筑。

(6)隧底开挖后，随时进行抽水，设集水坑进行排水，同时及时封闭隧底，防止积水下渗影响既有隧道。

(7)仰拱采取I16钢架喷射25 cm厚C25砼进行早期支护，再采取钢筋混凝土，确保结构牢固，避免影响既有隧道安全。仰拱填充顶部每隔5 m设2个沉降观测点进行观测。

5.3 施工主要注意事项

钻孔时严格控制钻孔深度和角度，防止钻孔超深侵入既有隧道范围内。

注浆时控制注浆压力，并在既有隧道内进行观测，发现漏浆、衬砌结构有变化立即停止注浆，上报各单位并分析原因，制定措施解决后再继续施工。

5.4 总体性能指标

(1)“超前管桥”确保钻孔孔底距既有隧道顶约1 m，注浆采用水泥单液浆，考虑到既有隧道结构状态，压力要小于0.3 MPa，若浆液有在既有隧道内渗出现象，及时停止，调整压力。达到强度后进行隧底开挖作业。隧底开挖每段1.5 m及时进行支护和施作超前管桥，达到6 m进行仰拱浇筑。

(2)仰拱填充顶部每隔5 m设2个沉降观测点进行观测，加大观测频率和时间。

6 结束语

通过深入研究上跨隧道施工安全风险及制订应对措施，对既有隧道进行必要的检测和加固并在实施过程中加强监控；通过试验爆破数据采集、分析爆破效果，制定了合理的爆破参数；在仰拱开挖前施作“超前管桥”等一系列措施，在施工中取得了进度、质量、安全等多方面的效益，为成功解决上跨既有隧道条件下隧道安全施工提供了宝贵的技术、管理经验，具有良好的经济、安全和社会推广价值，达到了预期目的。

参考文献

[1]顾毅成，史雅语，金骥良.工程爆破安全[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009

[2]傅洪贤.长距离小间距隧道爆破开挖设计与施工[J].工程爆破，2006，12(3):30-32,39

[3]雷升祥，杨春明，邱玉良.城市浅埋隧道控制爆破技术一例[C]//第六届铁道工程爆破文集.北京:中国铁道出版社,2000:249-253

On the Control Techniques for the Safe Construction of a Newly-Built Tunnel Spanning an Existing Tunnel

Jin Ping

( The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of the Railway Building Corporation of China,Liaoyang 101300,China )

Abstract:When the construction for a newly-built tunnel spanning an existing tunnel is carried out, the safety of the structure of the existing tunnel and the safety of the normal operation of the existing railway might be somehow endangered.To get rid of the threats to safety,the steel fixing racks for the existing tunnel are intensified; the rational controlled blasting parameters are worked out by comprehensively taking into account the design of the controlled blasting and the application ofshock-reducingmeasures,andanalyzingthedataobtainedfrommanyblastingtests;theapplicationofaseriesoftechnicalmeasuressuchaslayingtheadvancedrackbridgesbeforestartingtheexcavationoftheinvertedarchofthetunnelhelpsensurethesafe,smoothandquickimplementationoftheconstructionofthenewly-builttunnel,withthesafetyoftheexistingtunnelensuredinthemeantime.

Key words:span;existing tunnels;controlled blasting;reinforcing steel frames;advanced rack bridges

收稿日期：2016-02-23

作者简介：金平(1970—)，女，工程师，主要从事桥梁、隧道、路基工程技术及现场建设管理工作jinping1970@foxmail.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.020

中图分类号：U455.6

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0073-05