交叉隧道施工安全监测及控制技术研究

宋青波 张 奇 单洪涛 王海龙 赵 岩

(1.中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北张家口 075000；3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

随着我国国民经济的发展，交通基础设施尤其是铁路干线的建设规模日趋扩大.受铁路选线限制，新建铁路工程不可避免地会穿越崇山峻岭，设计人员往往通过隧道工程解决这一工程难题.地下空间利用率日趋增大，新建隧道经常会与既有地下工程组成复杂的近接工程，例如，并行隧道、交叉隧道等.根据岩石力学知识，岩体在天然地应力的作用下处于应力平衡状态，而既有地下工程的开挖破坏了天然应力状态，使围岩发生弹塑性应力重分布.受应力环境的影响，隧道衬砌结构及围岩均会产生附加应力及变形，由此引起的围岩塑性区形状及大小也会随着开挖的进程发生变化.因此，近接工程施工过程中，监测、计算围岩及衬砌的变形和应力显得十分重要.

依托福建鹤上隧道工程，夏才初[1]进行了多项目监测工作，系统研究了大断面小净距隧道开挖过程中围岩稳定性的演化规律；贺美德[2]以北京地铁10号线下穿工程为背景，分析了大断面通道盾构上穿区间隧道引起的变形规律；王军[3]依据马宅顶不对称连拱隧道工程，运用现场实测手段分析了隧道支护结构的应力情况；包德勇[5]运用ANSYS软件对新建线路下穿既有高速公路进行了模拟，研究得到交叉隧道施工过程中的力学行为变化规律；黄海斌[6]利用数值模拟的方式研究了不同开挖方式下穿铁路隧道带来的影响；刘柱[7]系统地研究并提出了了水下交叉隧道的施工方案.WEN等[8]结合具体工程实例，系统研究了新建隧道开挖对既有并行隧道围岩稳定性的影响；Attewell[9]等通过理论推导的方式对隧道开挖对临近管道及土体的沉降变形进行了研究；王海龙[10]等对交叉隧道控制爆破施工技术进行了优化，现场监测数据显示优化后的分段爆破施工方案可以有效减小交叉隧道的爆破振动.

实际工程中，爆破施工仍是山岭隧道最主要的开挖方式，而由爆破引起的结构振动对围岩及周边岩土结构的影响都是不可忽略的.因此，隧道爆破振动监测，尤其是针对既有结构的爆破振动安全监测具有重要的工程意义.Zhao等[10]选取隧道非交叉段近似模拟，得到交叉隧道的允许装药量及影响区域半径；通过FLAC3D平台，朱正国[11]不同爆破方式对立体交叉隧道动力响应的影响，并划分得到不同影响程度的安全范围.Zhao等[12]依托隧洞洞口段爆破振动试验，通过信号分析的方法研究爆破振动能量随炸药量及爆心距的变化规律.Hosseini[13]等发现利用Multivariate Adaptive Regression Splines预测爆破引起的地面振动效果良好，与其他预测工具相比，展现出良好的优势.Hasanipanah[14]等利用粒子群算法优化爆破振动预测系统，结果显示粒子群的预测精度与选择的适应度函数有关，选取合适的适应度函数可以得到较高的预测精度.

上述研究都是围绕既有高速或普通铁路隧道展开的[15-16]，而在实际隧道施工过程中往往会遇到上跨既有重载铁路隧道，而重载列车荷载相比于其他类型列车对隧道交叉段的不利影响会被放大.基于此，本文以新建京张高铁某交叉隧道工程为背景，通过现场实测研究隧道下穿段围岩稳定性的变化，此外，依据现场反馈数据优化支护方案及爆破施工方案，以期为交叉隧道爆破施工及支护施工提供一定的数据借鉴.

1 工程概况

所依托隧道工程位于河北张家口市沙岭子镇陈家庄附近，山势陡峭，山体大部分可见基岩暴露，地面高程674.14～809.02m.新建隧道在DK173+954.4～DK174+970.9段下穿既有唐张铁路隧道，交接里程DK173+962.6，对应交叉点既有隧道的里程桩号为IDK65+620，两隧道最小垂直净距约16m.交叉段新建隧道围岩等级为V级，既有隧道设计为V级围岩.两隧道平面交叉位置如图1所示.

图1 交叉隧道平面示意图

2 交叉隧道施工安全监测方案

下穿隧道爆破施工会直接影响围岩及既有隧道衬砌结构的稳定性，加强交叉隧道现场监控量测有助于保证交叉隧道施工安全.

本文的主要监测内容包括新建隧道的拱顶沉降及周边收敛、既有隧道二次衬砌沉降及爆破施工引起结构振动速度.

表1为隧道监测标准，其中取监测标准的75%作为预警值，监测数值接近监控标准值时，应停止施工，采取相应措施.

图2 交叉隧道测点布置图

表1 交叉隧道监测控制标准

3 监测数据分析

3.1 新建隧道拱顶沉降及周边收敛

新建隧道拱顶沉降纵向分部曲线如图3所示，典型断面的拱顶沉降曲线如图4所示.表2不同围岩等级下新建隧道拱顶沉降.

由图3可知，施工引起隧道的拱顶沉降较大，最大值发生在距离交叉断面仅为2.6m的DK173+960.由表2可知，隧道围岩级别越高，隧道拱顶沉降越大，特别地，Ⅴ级围岩的平均累计沉降已达37.16mm.

由图4可知，不同的围岩级别及距交叉点不同的距离对隧道拱顶沉降值的稳定时间有较大影响.

图3 新建隧道拱顶沉降纵向分布曲线 图4 新建隧道典型断面拱顶沉降曲线

表2 不同等级围岩拱顶沉降

图5 隧道典型断面周边收敛(SL2-4)曲线

图6 隧道典型断面周边收敛(SL1-3)曲线

典型测点的隧道周边收敛测试结果见图5～6，周边收敛曲线(SL2-4、SL1-3)均经历了“急剧—缓和—趋于平稳”三个阶段.上台阶开挖对收敛位移的影响最大，在中台阶及下台阶开挖时有一定增长，值得注意的是，仰拱施工完成后，隧道周边收敛基本完成累计位移的95%，说明隧道施工及时进行仰拱支护，可以有效减小在建隧道的两帮变形，现实隧道施工过程中应及时完成仰拱施工，完成闭环.

图7 隧道下沉测点布置

3.2 既有隧道二次衬砌沉降

从图8可知，隧道开挖引起既有隧道二次衬砌沉降的范围为0.5mm～4.5mm；最大沉降量出现在测点IDK25+610处，在经历大约50天竖向沉降量达到4.5mm.超前大管棚及超前小导管对既有隧道二次衬砌沉降的发展有一定的抑制作用.特别地，临时仰拱对稳定上部隧道围岩具有积极作用，同时，仰拱施工完成后，既有隧道结构竖向沉降基本达到最终值的85%～90%.

图8 既有隧道二次衬砌沉降曲线

3.3 爆破振动监测

研究结果表明，隧道爆破施工对既有隧道衬砌迎爆侧边墙影响较大[17-19].在每个测点处布置一个可以同时测振仪均配置有相应的采集X、Y、Z三个方向爆破振速的振动速度传感器，速度传感器可以与相应的爆破测振仪TC-4850N联合使用.

图9 既有隧道爆破振动测点布置

通过对现场实测数据进行分析，合理调整爆破方案，确保既有铁路隧道正常运营.本次主要针对爆破振动三个方向的合成速度进行研究.

表3 交叉隧道爆破实测数据

从爆破施工位置来看，仅上台阶爆破开挖诱发的爆破振动较小，然而同时爆破开挖引起的爆破振动明显放大.基于此，建议下穿隧道开挖时严禁上台阶与其他部位同时爆破施工.

4 交叉隧道施工方案优化

4.1 支护方案优化

为了减小隧道施工对既有隧道的影响，采用三台阶临时仰拱开挖，配合Ⅴ级加强支护，如图10所示.采用超前大管棚配合超前小导管的超前支护形式组成隧道--围岩预支护联合体系.利用上述施工方案，隧道的拱顶沉降及周边收敛单日最大位移均不超过3.5mm，满足设计要求.

图10 隧道三台阶临时仰拱初期支护

4.2 控制爆破施工

通过萨达夫斯基爆破振速衰减模型计算，利用最小二乘法回归分析得到爆破振动相关待定系数为K=181.69、α=1.81.

通过萨道夫斯基公式反算可以得到，在达到交叉段DK173+954.4～DK174+970.9时最大振速为12.42cm/s，远超过铁路隧道设计控制标准.

注：图中数字单位均为厘米.图11 隧道上台阶炮孔布置图

优化后的上台阶爆破采用预留核心土的方式进行开挖，循环进尺不大于0.8m，爆破施工采用多段雷管起爆、减、雷管跳段使用，避免相邻雷管起爆引起共振.此外，掏槽眼采用多级楔形掏槽，周边眼采用空眼布置的原则，改善爆破效果.图11为台阶爆破炮眼布置图.

现场数据反馈，图12为爆破方案优化后的爆破振动时程曲线，如图所示，爆破振动速度得到了有效地控制.

图12 爆破振速时程曲线

5 结 论

依托京张高铁某交叉隧道，通过实时监测，得到如下结论：

1)周边收敛曲线(SL2-4、SL1-3)均经历了“急剧变化—缓和变化—趋于平稳”三个阶段；仰拱开挖后隧道位移基本趋于稳定.

2)超前大管棚及超前小导管支护对既有隧道沉降的发展具有一定的抑制作用.仰拱施工完毕后上部既有隧道沉降基本趋于稳定.

3)爆破施工方案优化后，既有隧道爆破振动速度得到了有效的控制，可以为类似隧道控制爆破施工提供一定的借鉴意义.