新建隧道上跨既有输水洞的施工控制技术

王秀利

（中铁十九局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳 110136）

新建隧道上跨既有输水洞的施工控制技术

王秀利

（中铁十九局集团第三工程有限公司 辽宁沈阳 110136）

介绍新建衢州至宁德铁路（福建段）站前工程QNFJZQ-4标段九都隧道需要上跨一条既有输水洞，施工过程中采取了多项施工控制措施，尤其是使用多段毫秒雷管分段起爆，控制每一响爆炸的用药量，大大减小爆破对既有输水洞围岩的震动，确保了既有输水洞的安全，成功地完成这段隧道的施工任务。

隧道施工 施工控制爆破 毫秒雷管 分段起爆

新建隧道常常会遇到上跨、下穿既有隧道、既有输水洞或邻近既有地下建筑物的情况，隧道施工中必须采取有效的施工控制措施，确保既有地下建筑物的安全。新建衢州至宁德铁路（福建段）站前工程QNFJZQ-4标段九都隧道需要上跨一条既有输水洞。施工中我们采取了多项控制措施，成功地通过了上跨输水洞段，确保了既有输水洞的安全，取得了良好的社会效益。

1 工程概况

九都隧道位于福建省宁德市境内，全长953.5m，进口里程DK368+988.000，出口里程

DK369+941.500，全隧道处于R=1600m的左转曲线上，隧道纵坡为+3‰单面上坡，隧道最大埋深166m。九都隧道按时速160km、单线、有砟轨道隧道设计。

九都隧道地处亚热带海洋性季风气候区，气候温暖湿润，四季分明，季风明显，台风频繁，雨量集中，夏旱突出，年降水量2013.8毫米。

九都隧道处在构造剥蚀中低山区，沟谷深切，剥蚀地貌，地势起伏较大，山体比较陡峭，多呈“V”字形深切沟谷，自然坡度一般在15°～26°。九都隧道所处地域地表层为第四系坡残积（Qel+dl）粉质粘土，黄褐色，硬塑，厚度约为0.5～2.5m；进口段为δO52(3)b石英闪长岩，其中全风化带厚1～3m，强风化带厚2～8m，弱风化带厚17.8～31.8m，下伏J3n侏罗系上统南园组凝灰熔岩，灰黄色～灰色，强～弱风化，其中强风化带厚6.9～38.4m，弱风化带厚19.8～21m。

九都隧道中Ⅱ级围岩段长570m，Ⅲ级围岩段长105m，Ⅵ级围岩段长130m，Ⅴ级围岩段长148.5m。Ⅱ、Ⅲ级围岩段采用全断面法施工，Ⅵ级围岩段采用三台阶法施工，Ⅴ级围岩段采用三台阶预留核心土法施工。

九都隧道在进口 DK369+067.980处上跨一条既有的输水洞，隧道中线与输水洞中线的交角为39.0°，上跨处隧道底部开挖线距输水洞顶部开挖线12.32m。交叉处隧道处在弱～中等风化的石英闪长岩段内，为Ⅵ级围岩段。九都隧道与既有输水洞的平面关系如图1所示。

图1 九都隧道与既有输水洞平面关系示意图

既有输水洞在宁德市农业灌溉系统中的一条支渠上，建成时间12年多，全长165m，与新建隧道的交点距输水洞进口约 77m。交叉点处在弱～中等风化的石英闪长岩段内。输水洞的过水断面下部为2.00m（宽）×1.50m（高）的矩形、上部为R=1.00m的半圆拱形。拱圈、边墙、铺底的厚度均为0.25m，均用C25混凝土浇筑。既有输水洞断面如图2所示。

图2 既有输水洞断面图

2 确保输水洞安全的综合施工措施

为了确保输水洞的安全，我们在九都隧道施工中采取了以下综合施工措施：

（1）调查输水洞现状，提出输水洞的加固方案并对既有输水洞进行加固；

（2）复核九都隧道跨越既有输水洞段的工程地质，切实掌握其实际地质状况；

（3）修改九都隧道跨越既有输水洞段的施工方法，将原来的三台阶法施工改变为三台阶预留核心土法；

（4）进行跨越既有输水洞段的专门爆破设计，使用毫秒雷管进行分段爆破，控制每一响的炸药用量；

（5）隧道跨越段施工过程中对既有输水洞进行监控量测，掌握输水洞衬砌的变化情况。

3 九都隧道上跨既有输水洞段施工控制技术

3.1 对输水洞的现状进行调查和处理

3.1.1 对输水洞现状进行调查

（1）九都隧道开工之前我们就与输水洞的产权单位取得联系，进行协商，签署协议。使输水洞的现状调查和加固工作做到有章可循，有据可查。

与输水洞的产权单位共同组成调查组，对隧道施工可能产生影响的隧道下方40m长的输水洞现状进行调查、记录，提出加固方案，在报请监理和业主批准后组织实施。

（2）现状调查的项目及结果

调查项目包括：①输水洞断面的现状，包括拱顶和底板标高、拱脚和墙底宽度；

②输水洞衬砌的现状，包括衬砌有无开裂、脱落、掉块的情况；

③拱圈背后有无空洞。

在对输水洞现状进行调查时发现，输水洞的施工质量比较好，虽经十多年的运营，输水洞的衬砌仍然完好，在隧道施工可能产生影响的40m长度内，仅发现宽度为2～3mm、长度8.9m和7.6m的横向裂缝两条，没有发现衬砌混凝土有脱落、掉块现象。使用地质雷达进行探测，发现拱圈背后普遍存在有脱空空洞，脱空值约为12～28mm。

3.1.2 对存在问题的处理

根据现状调查情况经研究决定，不需要对输水洞衬砌进行支撑加固，只需要对拱圈背后的脱空空洞进行压浆处理。

压浆按常规方法进行。在隧道下方40m长的范围内，每2m设置一棑注浆孔，孔深250mm，每棑钻注浆孔3个，左右拱脚处各1个，用来进行注浆，拱顶1个作为溢浆孔。注浆用PC32.5R复合硅酸盐水泥配制的、1.0（水泥）∶1.1（水）的水泥浆，注浆压力 0.2～0.8MPa。注浆时由左右拱脚处的 2个注浆孔同时注浆，待拱顶的溢浆孔冒浆后封堵溢浆孔，再继续注浆5min。

注浆后再进行检查，原来拱圈背后存在脱空空洞全部被水泥浆填充。

3.2 上跨既有输水洞段隧道的施工方法

（1）复核九都隧道跨越输水洞段的地质状况

为了隧道跨越输水洞段的施工能够顺利进行，在距九都隧道和输水洞交叉点30m以外，开始按常规方法进行超长水平地质钻探工作。钻5个长60m的地质钻孔，探明隧道跨越输水洞段的实际地质状况，避免发生不良地质引起的施工事故。

探测结果是该段地质状况与设计提供的情况相符，无不良地质地段。

（2）九都隧道跨越既有输水洞段的施工方法

将原来Ⅵ级围岩段的三台阶法施工改变为三台阶预留核心土法施工。将开挖步骤分得更多，缩小每一步开挖的宽度和面积，减小塌方风险，降低隧道开挖时的炸药用量，以降低隧道施工对既有输水洞的种种不利影响。

三台阶预留核心土法的施工方法和施工工序流程见参考文献[1][1]47-48，在此不再赘述。其衬砌类型按照Ⅵb类设置，各项施工参数为：

超前支护：锚杆用L＝3.5m、Φ42×3.5mm热轧无缝钢管按常规方法加工制做，在拱部144°范围内敷设，环向间距330mm，外插角10°～15°，每2.0m打设一排，搭接长度大于1.0m，注浆用PC 32.5R复合硅酸盐水泥配制的、水灰比为1∶1的水泥浆，注浆压力0.5～2.0MPa。

初期支护：系统锚杆用L＝3.0m、环×纵＝1.2×1.0m的Φ25中空锚杆，压注水灰比为1∶1的水泥浆，注浆压力0.5～2.0MPa；用Φ6、＠200×200mm单层钢筋网；拱、墙部位设置四肢Φ22的格栅钢架（h＝150mm)，＠1.0m，纵向连接钢筋用L＝1.5m、Φ25、＠1.0m；拱、墙部位喷厚230mm、仰拱部位喷厚100mm的C25混凝土。在每层格栅钢架拱脚处，两侧各打设2根L＝5.0m、Φ50×4mm的锁脚锚管（共3×2×2根），锁脚锚管下插15°～20°，打设后立即注浆，并与格栅钢架拱脚焊接牢固，压注1∶1的水泥浆，注浆压力0.5～2.0MPa。

为减少隧道开挖时对四周围岩的震动，开挖进尺控制为1.0m。开挖时尽量使用土方机械，必要时进行控制爆破。

中层、下层台阶开挖时分左、右交替进行，台阶宽度约2.0m，左、右台阶滞后6.0～8.0m。分部开挖以后，立即对掌子面和开挖面喷射50mm厚的C25混凝土进行封闭，随后立即施做初期支护。在合理安排的情况下，尽量缩短仰拱、二衬的施做距离，使隧道尽早封闭成环。

3.3 上跨既有输水洞段隧道的控制爆破

上跨既有输水洞段隧道开挖时采用常规的方法进行爆破设计。采用楔形掏槽眼掏槽，周边眼按光面爆破设计，按掏槽眼→辅助眼→掘进眼→周边眼→托底眼的顺序起爆，使用毫秒雷管将每一响起爆的药量严格控制在满足“爆破震动安全允许距离”要求的范围以内。

用隧道底部至输水洞顶部的12.32m作为爆破震动安全允许距离，用参考文献[2]p58的（13-1）公式反算出安全的起爆药量。

经反算：Qmax=R3×（Vkp/K）3/a..

式中： Qmax：最大一响爆破炸药用量（kg）；

R：爆破震动安全距离（m），本工程取12.32m；

Vkp：安全速度（cm/s），输水洞为混凝土结构，取V=10cm/s；

K：地质影响系数。硬岩50~150，中等岩150~250，软岩250~350。本工程取150；

a：衰减系数。硬岩1.3~1.5，中等岩1.5~1.8，软岩1.8~2.0。本工程取1.5。

Qmax=（12.32）3×（10/150）3/1.5= 1870×（0.07）2=9.20kg。

爆破使用即发电雷管以及2段、4段、6段、8段、10段、12段 、14段等毫秒雷管进行分段起爆，爆破设计时每段的起爆药量必须控制在9.20kg以内。

3.4 对输水洞的监控量测

3.4.1 监控量测内容

（1）对输水洞的拱顶位移和拱脚收敛进行观测。在输水洞与新建隧道交叉点向两侧各 20m的范围内，每5m布置一个观测断面，每个观测断面上在拱顶（中线处）和拱脚处共布置3个观测点，隧道在 DK369+047.980～DK369+087.980范围内施工时，每天进行一次观测，记录拱顶下沉和拱脚收敛数据。

（2）对既有衬砌裂缝的宽度、长度进行观测，记录其变化情况。

（3）观察衬砌混凝土表面有无新的开裂、掉块现象。

3.4.2 监控量测的实施

监控量测工作由三方人员组成：

输水洞产权单位一人，除了参与和对监控量测工作进行全过程监督以外，负责每天观测时的断水等联系工作。

从宁德市交通局聘请一位工程技术人员作为第三方，负责数据的采集、参与成果分析。

我方派出工程技术人员参与监控量测工作，参与成果分析，提供测量人员、监测仪器（一台全站仪、一台隧道净空收敛仪及其它配套设施）、照明设备等。

现场的监测情况和监测数据由三方共同分析和处理，每天向各方报告，最后提出监测成果，上报有关各方。

3.4.3 监测结果

监控量测工作的最后结果是输水洞在隧道施工过程中没有受到实质性的损害，隧道施工对输水洞的现状影响不大，隧道施工以后输水洞的使用功能没有发生变化。

（1）输水洞的拱顶位移和拱脚收敛不大，平时在0～1mm之间反弹，最终结果是：累积拱顶最大下沉为+3.2mm（第5棑断面），累积拱脚最大收敛值为－2.1mm（第4、5、6棑断面）。（2）衬砌混凝土表面没有出现新的开裂，也没有发现混凝土脱落、掉块等现象。（3）原有的两条裂缝宽度没有变化，长度分别增长了16mm和21mm。

4 结语

九都隧道上跨既有输水洞段施工过程中，由于采取了一系列综合施工措施，尤其是使用多段毫秒雷管起爆，控制每一响爆炸的用药量，大大减小了爆破对既有输水洞围岩的震动，成功地完成了这段隧道的施工任务，对既有输水洞没有产生任何破坏，拱顶位移和拱脚收敛数值不大，均在允许的范围之内。这次施工消除了输水洞产权单位的担心，取得了良好的社会效益，并为新建隧道上跨既有建筑物施工积累了经验。

[1]TZ204-2008.铁路隧道工程施工技术指南[s].北京:中国铁道出版社,2008

[2]GB6722-2011.爆破安全规程[s].北京:中国冶金工业出版社,2011

Controlling Technology of Construction of New Tunnels Crossing an Existed Water-Transporting Culvert

WANG Xiu-li
(No.3 Engineering Corporation Limited of China Railway 19th Bureau Group Co. Ltd Liaoyang Liaoning 110136 China)

This paper introduced the project of bid section QNFJZQ-4 in the newly-built Quzhou-Ningde Railway (Fujian Section) where Jiudu Tunnel needs to cross over an existed water-transporting culvert. Many construction methods were adopted. Particularly, segmented blasting of millisecond detonators with a controlled dosage of explosives greatly reduced shock of explosion to surrounding rock of culvert, so as to guarantee the safety of water-transporting culvert, and then successfully finished construction of such a part of tunnel.

tunneling; controlled explosion in construction millisecond detonator segmented blasting

A

1673-1816(2017)01-0016-05

2016-03-19

王秀利（1980-），女，工程师，研究方向土木工程。