淺埋大斷面隧道下穿建筑地表沉降控制與微爆研究

趙寶珠

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市間的快速交通和城市地鐵建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。我國屬多山、多丘陵的國家，隧道穿越或跨越已有構(gòu)筑物的立體交叉工程項目層出不窮。目前，在我國多山地區(qū)的淺埋隧道施工中，施工人員多使用鉆爆法，而爆破帶來的振動將會造成圍巖應(yīng)力的重分布，會使地表沉降量增大。因此淺埋隧道爆破施工時應(yīng)注意對地層的下沉量和已有構(gòu)筑物的影響。為降低爆破動工帶來的地層沉降和已有構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的擾動，牛澤林[1]針對爆破法在復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面淺埋隧道下穿已有構(gòu)筑物的應(yīng)用，研究提出了一種綜合爆破減振體系；李峰[2]針對朔州隧道圍巖上軟下硬的爆破環(huán)境，提出以弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土的方式施工上部軟弱圍巖、以水壓爆破法施工下部堅硬圍巖的工藝措施；朱澤兵[3]等人在重慶輕軌-大坪車站的爆破施工中，采用了分部開挖、淺眼多循環(huán)等措施來控制爆破振速，最終隧道順利施工完成；崔可佳[4]對隧道使用爆破法動工引起的已有構(gòu)筑物的沉降進(jìn)行了探討；阮清林[4]以長洪嶺隧道施工為依托，提出鉆爆法遠(yuǎn)距離穿越聚集住宅區(qū)隧道施工措施及注意事項；李新志[5]根據(jù)穆陵關(guān)隧道施工引起的地表沉降變形特征以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對性提出淺埋大跨隧道施工工藝；汪振偉[6]研究了降低都市隧道施工引起地層沉降的方法，并提出了地表沉降預(yù)測公式；陳虹[7]對城鎮(zhèn)淺埋隧道鉆爆施工中地表沉降變化規(guī)律進(jìn)行研究，指出了在不同埋深和不同圍巖條件下隧道施工對地層的影響范圍；蘇宇[8]以青島地鐵3號線在堅硬圍巖環(huán)境下鉆爆施工為依托，列出了構(gòu)筑物對鉆爆振動的響應(yīng)特點；羅正[9]介紹了淺埋隧道鉆爆振動對周邊既有構(gòu)筑物的擾動規(guī)律；黃名利[10]比較了不同爆破施工方案在長洪嶺隧道施工引起的振動響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合工程實際最終選擇非爆破開挖技術(shù)；董繼濤[11]等通過對軟弱圍巖隧道近距穿越住宅區(qū)施工技術(shù)的研究，為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。這些文獻(xiàn)僅探究了鉆爆動工對周邊既有構(gòu)筑物和地層沉降的擾動，并尋求方法改進(jìn)以降低這些不利影響，但對于上部軟弱圍巖、下部堅硬圍巖環(huán)境下的鉆爆施工與圍巖加固時機(jī)帶來的沖突影響沒有進(jìn)行過多的探討。如果首先加固處理圍巖，則鉆爆振動帶來的擾動就會加大；而若不對圍巖加固處理，鉆爆動工可能因為圍巖變形量過大發(fā)生坍塌事故。

本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，針對淺埋大斷面隧道上部軟弱圍巖、下部堅硬圍巖的施工環(huán)境提出了先局部圍巖超前加固，然后控爆施工，最后圍巖全部加固的一套完整的隧道三維減振與圍巖分步加固模型。該體系的應(yīng)用既保證了新建隧道和已有構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，又降低了淺埋隧道施工過程地層的沉降風(fēng)險，成功化解了爆破施工和圍巖加固時機(jī)的矛盾。

2 工程概況

獅子嶺雙線隧道位于溫州市甌海區(qū)澤雅鎮(zhèn)境內(nèi)，全長8 673.52 m。里程DK181＋160～DK181＋300為隧道施工淺埋段，開挖面積為164 m2，埋深10～30 m，且下穿龍峰山莊建筑密集區(qū)，其多為三至四層磚混結(jié)構(gòu)。隧道開挖穿越已有構(gòu)筑物25幢，平均埋深約14 m，其中里程DK181＋226.874處隧道拱頂距已有構(gòu)筑物最小垂向距離約為10 m。隧道圍巖在拱肩以上和拱腰局部部位為雜填土，下部為強(qiáng)、弱風(fēng)化霏細(xì)斑巖，施工難度大、安全風(fēng)險高。

3 模型構(gòu)建與數(shù)值模擬

3.1 隧道三維減振與圍巖分步加固模型的建立

由地質(zhì)勘查資料可知，本里程段內(nèi)隧道處于上軟下硬的強(qiáng)風(fēng)化地層中。隧道爆破施工過程中既要保證既有建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)和新建隧道的安全，又要控制地表沉降，這無疑給隧道設(shè)計和施工增添了難度和風(fēng)險。因此，本文在前期研究成果[12]的基礎(chǔ)上提出了先圍巖局部超前加固與隔振，然后控爆施工，最后其余圍巖全部加固的一套完整的隧道三維減振與圍巖分步加固模型，見圖1。

圖1 三維減振與圍巖分步加固模型(單位:cm)

該模型由三個模塊組成:第一模塊是圍巖局部超前加固(半加固)和隔振體系，即將以往的超前大管棚與超前小導(dǎo)管一次性注漿改為間隔注漿，既起到了圍巖的局部加固作用，又為隧道爆破施工提供了人造隔振槽，既降低了振速又發(fā)揮了超前注漿支護(hù)措施的梁效應(yīng)和加固作用，實現(xiàn)了爆破隔振條件下的圍巖加固和地表沉降控制，減少了圍巖收斂變形；第二模塊是控制爆破體系，即上臺階Ⅰ部分巖體的環(huán)形分層分段爆破開挖和上臺階Ⅱ部分巖體的環(huán)形分層分段爆破開挖；第三模塊是開挖體系，即中臺階Ⅲ和下臺階Ⅳ的順層分層分段爆破開挖。

3.2 數(shù)值模擬

本文以上述模型為基礎(chǔ)，利用Midas軟件分析模型的減振和沉降控制效果。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文完全按照實際地形、地貌情況進(jìn)行模型構(gòu)建，模型長×寬×高為100 m×120 m×100 m，共49 590個四面體單元，見圖2。

相關(guān)參數(shù)來源于地質(zhì)勘察報告以及現(xiàn)場爆破資料。材料參數(shù)見表1，爆破參數(shù)見表2。

圖2 三維數(shù)值模型

表1 材料參數(shù)

表2 爆破參數(shù)

本文以關(guān)鍵段落內(nèi)埋深最淺斷面DK181＋226.874(典型斷面)處拱頂所對應(yīng)的地表點(即圖2中的測點1)為對象，根據(jù)數(shù)值結(jié)果分別繪制該質(zhì)點的振動速度時程曲線和典型斷面上每個地表點下沉位移曲線，見圖3～圖4。

圖3 地表質(zhì)點振動速度曲線

圖4 地表各測點下沉位移曲線

4 現(xiàn)場試驗

以數(shù)值分析結(jié)果為依據(jù)，本文將上述模型應(yīng)用到獅子嶺隧道的爆破施工中，以此來驗證本模型的合理性和實操性。為此，本文仍以典型斷面(DK181＋226.874)及其相關(guān)測點為討論和分析對象，并繪制出該斷面各測點實際的下沉位移曲線，見圖5，測點1下沉位移時程曲線見圖6，振動速度實測值見表3。

圖5 實測地表各測點下沉位移曲線

圖6 實測地表測點1下沉位移時程曲線

表3 測點1爆破振動速度實測值匯總

5 結(jié)果分析

(1)振速數(shù)據(jù)分析

從圖3和表3可以看出，隧道爆破施工時振速最大值基本出現(xiàn)在爆破開挖第一步(掏槽孔爆破施工)，其數(shù)值模擬結(jié)果和實測值分別為1.59 cm/s和1.68 cm/s，相差不大且均未超過相關(guān)要求(V限＝2 cm/s)。同時還可以看出，后續(xù)爆破開挖施工，因綜合減振系統(tǒng)和較大臨空面的存在，其振速呈現(xiàn)出減小的趨勢，從而證明了大管棚間隔注漿能夠發(fā)揮較好的隔振作用。

(2)沉降數(shù)據(jù)分析

由圖4～圖5可知，地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本相同，隧道拱頂上方地表點(測點1)累計最大沉降量均在4.7 cm左右。根據(jù)本段落地質(zhì)分布情況和隧道開挖尺寸，地表其它測點下沉累計位移量的數(shù)值解和實測值也較合理且相近。

從圖6可知，在爆破施工完成后地表已發(fā)生了大部分的沉降，而后持續(xù)了一段時間才趨于穩(wěn)定。從沉降變化量來看，本文提出的超前大管棚和超前小導(dǎo)管間隔注漿的方式能較好地阻止地表沉降，后續(xù)沉降穩(wěn)定源于其它未注漿的大管棚和小導(dǎo)管進(jìn)行了補(bǔ)充注漿以及仰拱和二襯的跟進(jìn)。同時還可以看出，由于洞內(nèi)注漿工作的開展有效地控制了地表沉降，并對其有一定的抬升效果，使得地表下沉隨著注漿工作的持續(xù)進(jìn)行而有一定的恢復(fù)，但恢復(fù)值并不大。

6 結(jié)論

在地質(zhì)復(fù)雜的山區(qū)城鎮(zhèn)，大斷面淺埋隧道微爆施工技術(shù)對周邊已有構(gòu)筑物的安全有著非常重要的影響，因此，本文在總結(jié)前期研究成果的基礎(chǔ)上提出了先局部加固后減振再加固的隧道三維減振與圍巖分步加固模型，并通過理論分析和工程實際應(yīng)用得出以下結(jié)論:

(1)實踐證明，本文提出的隧道三維減振與圍巖分步加固模型，對于在上軟下硬復(fù)雜地層中，采用鉆爆法修建淺埋大斷面隧道時有較好的隔振、降振作用，為今后類似工程在爆破減振方面有重要的理論和實踐借鑒價值。

(2)從數(shù)據(jù)分析可知，超前大管棚和超前小導(dǎo)管間隔注漿的方式能較好地阻止地表沉降，可為今后超前大管棚的設(shè)計提供理論支持。

(3)從本文分析可以看出，先局部加固后減振再注漿加固的方法對于采用鉆爆法的淺埋大斷面隧道來說，在減振、隔振的同時可以有效阻止圍巖變形和控制地表沉降，并在有限范圍內(nèi)適當(dāng)恢復(fù)地表下沉。

(4)研究表明，淺埋隧道地表沉降主要發(fā)生在爆破開挖過程中，對圍巖必要的超前加固是保證已有構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全的重要措施之一。