铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技术研究
2006年11月
第8期(总98) 铁 道 工 程 学 报JOURNAL OF RA I L WAY E NGI N EER I N G S OC I ETY Nov 2006
NO.8(Ser .98)
3 收稿日期:2006-02-22
33作者简介:郑俊杰,1967年出生,男,教授。
文章编号:1006-2106(2006)08-0080-05
铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技术研究
3
郑俊杰
133
包德勇1 龚彦峰2 资 谊
2
(1
.华中科技大学, 湖北武汉430074; 2.铁道第四勘察设计院, 湖北武汉430063)
摘要:研究目的:解决新建隧道近距离穿越既有隧道时,既保证新建隧道施工安全,又能使既有线正常运营的问题。
研究方法:针对温福铁路
头岭隧道下穿既有高速公路隧道工程的实际情况,结合国内外研究成果和国
家现有规程,在分析既有隧道健全度及施工对策的基础上,对交叉点附近新建隧道的施工方案及既有高速公路隧道的监控量测措施进行了分析研究。
研究结果:得出了几种施工技术和相应的参数、控制标准。
研究结论:(1)近距离爆破振动施工可能会产生严重危害,必须引起高度重视,因此,
头岭隧道穿越段
施工之前,应对既有隧道衬砌强度、衬砌背后空洞分布、衬砌抗震性等进行必要的评估,制定爆破振动控制基准,进行合理的爆破参数研究。(2)在新建隧道掌子面推进到离交叉点3～4倍洞径时,应开始做好既有隧道内的监控量测,通过监测分析结果,合理调整开挖方法、爆破参数及起爆方式,确保既有隧道安全。(3)交叉段施工完成之后,对既有隧道交叉点附近隧道衬砌结构应重新进行安全性评价,确保既有隧道不会因时间推移而产生破坏。
关键词:下穿;既有隧道;健全度;施工;爆破振动;监测中图分类号:U455 文献标识码:A
Research on Constructi on Control Technology for Ra ilway Tunnel
Underneath Passi n g Existi n g Expressway Tunnel
ZHENG Jun -ji e 1
,BAO D e -yong 1
,GO NG Yan -feng 2
,Z IY i 2
(1.Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan,Hubei 430074,China;2.The Fourth Survey and Design I nstitute of China Rail w ay,W uhan,Hubei 430063,China )
Abstract:Research purposes:The pur poses are t o ensure the constructi on safety of ne wly -built tunnel and make existing r oad open t o traffic usually while the ne wly -built tunnel underneath passes existing tunnel nearby .
Research m ethods:According t o the real constructi on situati on of Guant ouling Tunnel underneath passing existing exp ress way tunnel on W enzhou -Fuzhou Rail w ay L ine and in combinati on with the research achieve ments at home and abr oad,and current state codes,the analysis and research have be made on constructi on sche me f or ne wly building a tunnel ar ound cr oss point and on measures for monit oring and measuring the existing exp ress way tunnel based on the analysis of integrity level of existing tunnel and constructi on counter measures .
Research results:Several constructi on techniques and their relative para meters and contr ol standard are p resented .Research conclusi on s:(1)More attenti on should be paid t o the seri ous har m p r obably caused by blast vibrati on nearby .Theref ore,it is necessary t o evaluate the lining strength of existing tunnel,cavity distributi on behind lining and earthquake resistant behavi our of lining,t o work out the basic contr ol standard f or blast vibrati on and make research on
rati onal blast para meters bef ore constructi on of intersecti on of Guant ouling Tunnel.(2)W hen the working face of ne wly -built tunnel app r oaches t o hole dia meter of3-4ti m es fr om cr oss point,the monit oring and measure ment in the existing tunnel should be done well.W ith the analysis result of monit oring,the adjust m ents should be made rati onally of excavati on way,blast para meters and method of igniti on in order t o ensure the safety of the tunnel.(3)After finishing the constructi on of intersecti on,the safety should be re-evaluated t o tunnel lining structure near the cr oss point of existing tunnel in order that the tunnel will not be da maged with ti m e passing by.
Key words:underneath pass;existing tunnel;integrity level;constructi on;blast vibrati on;monit oring
近年来,随着人类对地下空间的不断利用,在某些
地区,由于受既有建(构)筑物、地质条件的限制及地
下空间综合开发利用的需要,使得新建隧道近距离穿
越既有隧道或其他建(构)筑物的现象越来越多,如漳
泉铁路瑞峰隧道下穿324国道公路隧道、泉(州)厦
(门)高速公路大坪山隧道下穿福(州)厦(门)高速公
路大坪山隧道、日本T ozai地铁线与Keishin既有线类
似于四孔麻花型的交叉连接等。这就产生了新建隧道
施工有可能引起既有隧道损伤破坏的危险,特别是对
于近接隧道施工时,如何保证新建隧道施工安全,又使
既有隧道稳定,确保既有线正常运营是施工中必须解
决的关键问题。
目前,国内外对这类隧道的研究较少,大多是针对
单孔隧道或水平平行隧道,并取得了很多成果[1-2],而
对于近距离交叠隧道,由于隧道间的相互影响及几何
形状上的特殊性,使之在理论上的研究存在较大难度,
因而其研究多局限于半经验半解析解,施工上较水平
平行隧道也更难于控制[3-4]。日本在这方面的研究走
在了前列,其于1987年出版的《近接隧道施工的设计
与指南》一书指出,新建隧道与既有隧道的相互影响
主要决定于:(1)隧道的净距;(2)隧道立面的相对位
置关系;(3)新建隧道的规模;(4)新建隧道的施工方
法;(5)地形和地质条件;(6)既有隧道衬砌结构的施
工质量。此外,按隧道间的相对位置关系,将相互影响
范围分为3个区域来考虑:(1)无影响范围;(2)要注
意的影响范围;(3)必须采取措施的范围。交叠隧道
相互影响范围划分见表1。
表1 交叠隧道相互影响范围划分
隧道位置的相互关系隧道间隔接近度的划分
新建隧道在既有隧道
的下方
<2.0D
2.0～
3.5D
>3.5D
必须采取措施的范围
要注意的范围
无影响的范围
新建隧道在既有隧道的上方
<1.5D
1.5～3.0D
>3.0D
必须采取措施的范围
要注意的范围
无影响的范围
注:表中D值为新建隧道衬砌外缘的垂直高度或水平宽度中的最大值。
本文结合头岭交叉重叠隧道的实际情况,在分析既有隧道健全度及施工对策的基础上,介绍了交叉点附近新建隧道的主要施工技术及既有隧道内的监控量测措施,颇值同类工程施工时借鉴。
1 工程概况
新建温州至福州铁路为国内第一条在建的设计速度200km/h、预留提速250k m/h且通过双层集装箱的铁路。该线头岭隧道位于福建省连江县境内,全长4103m。本隧道在DK280+950～DK281+100段下穿同(江)三(亚)高速公路既有头岭隧道左右线,新建隧道拱顶距既有高速公路隧道基础底面约3.24m,平面交角约54°。此段地质状况为:J b
3n
晶屑凝灰岩、凝灰熔岩,弱风化,岩体较完整,岩石质地较坚硬,基岩裂隙水不发育,按现行《铁路隧道设计规范》围岩划分标准,此段围岩级别属Ⅲ级[5]。
既有高速公路隧道为两车道上下行分离式隧道,隧道净高7m,净宽10.8m,交叉段洞身初期支护为喷锚支护(喷射混凝土强度等级为C20,厚12c m),<8@ 20c m×20c m钢筋网,拱部组合式注浆锚杆,边墙<22砂浆锚杆,L=2.5m,间距1.2m×1.2m(纵向×环向),梅花型布置;模筑衬砌混凝土强度等级为C25,厚35c m,该隧道于2001年建成通车。新旧隧道相互位置关系如图1所示。
2 既有隧道健全度评价及对策研究
2.1 评价标准
影响既有隧道健全度的因素一般包括外力变化、衬砌材料劣化及设计施工不良等几个方面,对既有隧道结构健全度可根据表2进行总体检查评价。
表2 既有隧道健全度总体检查的评价标准
评价标准健全度
因变形而侵限、可能崩塌以及因材料劣化对运营
有安全威胁者
A
衬砌产生裂纹、裂缝等病害,但无碍结构安全者B
有变形,但不发展,而且其变形对使用无影响C
除了对既有隧道整体结构进行评价外,还需对既有隧道交叉段结构外力变化、衬砌材料劣化等进行评
18
第8期郑俊杰 包德勇 龚彦峰等:铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技术研究
价。对外力引起的变异,可由衬砌的变形、移动、下沉、
侵限、压溃、开裂等现象进行评价,
寻找变异的原因,并综合考虑地质条件、变异程度、结构特性及构造缺陷等因素;衬砌的剥离、剥落将造成衬砌承载力的急剧降低,当衬砌有效厚度小于2/3设计厚度时,需重点考察既有隧道结构的健全度,并监视其发展趋势及时调整健全度等级。
2005年9月,在下穿段施工前,对既有隧道交叉
段结构进行了全面的检测评估
,检测内容包括:(1)隧道衬砌厚度;(2)隧道衬砌背后未回填的空区;(3)复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段;(4)衬砌混凝土外观及裂缝调查;(5)衬砌混凝土强度检测;(6)衬砌混凝土炭化深度检测;(7)衬砌混凝土氯离子及碱含量检测;(8)钢筋保护层厚度检测;(9)钢筋锈蚀程度检测。检测评估结果表明,既有隧道交叉段结构基本是完好的。
图1 新旧隧道相互位置关系示意图(单位:m )
2.2 对策研究根据新建隧道爆破开挖对既有隧道结构产生的影
响预测结果和既有隧道健全度评价标准的对比,认为必要时,在限制范围施工前,为确保既有隧道的安全,应采取施工对策。其主要方法是增加既有隧道衬砌的承载力,可通过以下措施:(1)对既有隧道进行衬砌背后回填压浆;(2)对两隧道之间岩层进行压浆改良;(3)设金属网、挡板等防止衬砌掉块。
3 主要施工技术
隧道施工应坚持“管超前、预注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。根据设计要求和实际情况,头岭铁路隧道穿越段施工时,必须保证其上侧的既有高速公路隧道稳定及运营安全,因此,为减小新建隧道开挖对既有隧道的影响,在对DK 280+950～DK 281+100交叉段隧道施工时,采用如下技术措施:3.1 超前长管棚注浆预支护3.1.1 长管棚规格为热轧无缝钢管及钢花管,外径89mm ,壁厚6mm ,每节钢管两端均预加工成外丝扣,交错连接;环向间距中至中40c m ,外插角为5°～10°;钢管施工误差径向不大于20c m ,相邻钢管之间环向不大于10c m 。
3.1.2 根据地层不同,采用不同的钻具组合进行钻
孔,钢管顶进前,应进行清孔,检查孔道内是否干净,清除孔道内岩渣、碎石等。3.1.3 钢花管上钻注浆孔,孔径10～16mm ,呈梅花型布置,尾部留不钻孔的止浆段150c m ,管棚前端应加工成锥形,以便于顶进。3.1.4 长管棚注浆采用水泥浆液,注浆参数为水泥浆液水灰比1∶1(重量比),注浆压力0.5～2.0MPa;注浆前应进行现场注浆试验,根据实际情况调整注浆参数;注浆浆液在灰浆搅拌桶内搅拌均匀,然后经滤网放入储浆桶,再由注浆泵经管路注入到钢管中,注浆结束后用M5水泥砂浆充填钢管,以增强管棚强度。3.2 优化支护参数
新建隧道交叉段属Ⅲ级围岩地段,考虑既有高速公路隧道对新建隧道的影响,对该段衬砌采用提高衬砌等级加强支护,以确保新建隧道结构的安全性及稳定性;初期支护采用C25网喷混凝土,厚25c m ,钢筋网为<8@20c m ×20c m ,系统锚杆拱部75°范围内采用W T D25中空注浆锚杆,L =2.5m ,边墙采用<32预应力锚杆,L =4.0m ,间距0.8m ×1.0m (纵向×环向),梅花型布置,工18钢架支撑,钢架纵向间距按每榀0.8m 布置;二次衬砌采用C30钢筋混凝土,厚50c m 。
28 铁 道 工 程 学 报2006年11月
3.3 施工方法及工序
施工方法的优劣对控制既有隧道结构的变形起着
主导作用。经分析研究及现场试验,决定采用3台阶临时仰拱法施工,上台阶分左右部开挖,中间设临时钢架支撑,各台阶纵向间距3～5m ,开挖每循环进尺控制在1m 以内,边开挖边进行初期支护,尽量减少对既有隧道的扰动。具体施工工序如图2所示
。
图2 新建隧道施工工序横断面图
注:施工工序:第一步,弱爆破开挖①部,施作周边的初期支护,
架立永久钢架及中隔壁临时钢架,设锁脚钢管,施作临时仰拱,安设横撑;第二步,弱爆破开挖②部步骤与工序同①部;第三步,在滞后②部一段距离后,弱爆破开挖③部,及时喷混凝土、架设永久钢架、施工临时仰拱;第四步,在滞后③部一段距离后,弱爆破开挖④部,及时喷
混凝土、架设钢架使钢架封闭成环;第五步,灌注○
Ⅴ部仰拱及隧底填充;第六步,一次性灌注○
Ⅵ部衬砌。3.4 弱振动爆破
爆破振动对建筑物的破坏程度以振动速度为衡量标准。按《爆破安全规程》[6]
规定,既有隧道允许的振动速度为小于10～12c m /s,由于本新建铁路隧道与既有高速公路隧道间岩层垂直厚度仅为3.24m ,施工过程中应控制新建铁路隧道开挖爆破的振动,宜将最大爆破振动速度控制在4c m /s 以下,以确保既有隧道的安全。
根据大量的分析研究及现场监测,认为近距离交叉重叠隧道穿越施工时,爆破振动对既有隧道的影响基本上受爆源的距离、装药状况、地层条件及既有隧道健全度的控制,此外,炸药的类型和爆破模式也有影响。因此,在交叉点前后各2～3倍洞径范围内施工时,为减小新建隧道的爆破振动速度,应严格控制以下爆破影响因素。3.4.1 掏槽形式
掏槽的成功与否直接影响爆破效果,掏槽的深度直接影响隧道的循环进尺。根据施工经验,隧道爆破的质点最大振动速度通常出现在掏槽部位并与掏槽形式有关,本次爆破上台阶采用6孔楔型掏槽,周边光面爆破,下台阶充分利用两个临空面,布置水平与竖直掘
进眼,尽量减小爆破对上部隧道的竖向反冲力。3.4.2 炸药种类
在交叉段掏槽眼和掘进眼采用低密度、低猛度的乳化炸药,周边眼则采用低爆速、小直径的光爆炸药。3.4.3 起爆顺序
采用非电毫秒雷管延期起爆网络(间隔时间为50m s ),多分段起爆,且低段位跳段使用,台阶爆破时,采用两套独立的起爆网络分别起爆,以增加段数,减少同段起爆炸药数量和相邻爆破振动的相互干扰叠加,达到减震的目的。3.4.4 钻爆参数
钻爆参数包括钻孔间距、钻孔深度、最小抵抗线、装药集中度、装药量等。采用合理的钻爆参数不仅可以有效的克服岩石的夹制力,而且可以控制爆破强度,减小爆破振动的影响。本次爆破采用的主要爆破参数如表3所示。
表3 周边眼设计参数表
周边眼间距E /c m 抵抗线
W /c m
E /W
装药集
中度q
/(g ?m -1
)
炮眼深
L /m 起爆方式30
40
0.75
100
1.10
非电毫秒雷管
延期起爆
根据萨道夫斯基公式,最大装药量为
[7]
:
Q =(V /K )
1/α.m
?R
1/m
(1)
式中 Q ———爆破允许的安全用药量(kg ); V ———允许的安全振动速度,取4c m /s;
K ———地质条件参数,取K =70;
α———衰减系数,取α=2.0; m ———装药量指数,取m =1/3;
R ———从测点到爆破中心的距离,取R =7.7m 。经计算,周边钻孔隔振达到良好效果时,单段最大(掏槽眼)用药量为6.24kg 。3.5 既有隧道监测
监控量测是监视围岩稳定及判断设计与施工方法是否正确的重要手段,亦是保证安全施工、提高经济效益的重要条件,它必须贯穿施工的全过程[8]
。
3.5.1 监测内容与目的
选择在既有高速公路隧道内进行结构变形、底板沉降、衬砌表面应变、振动速度四个量测项目。其目的是根据监测结果掌握地层稳定性规律,及时了解既有隧道衬砌力学行为的变化情况,预见事故和险情,为及时调整和修正支护参数及施工方法提供科学依据。3.5.2 监测断面布置
既有高速公路隧道内监测断面选择在其左右线隧道中线与新建铁路隧道中线交叉点及其两侧对称布
3
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置,由近至远单侧间距分别为:1m 、1m 、2m 、2m
、3m 、3m 、4m
、4m 、5m 、5m ,左右线共42个监测断面,布置范围为既有高速公路隧道与新建铁路隧道交叉点两侧各30m 。监测断面布置如图3所示。
图3 既有公路隧道监测断面布置图
3.5.3 测点布置
公路隧道进行各量测断面全断面扫描。
底板沉降监测在既有公路隧道的路面中心、左右水沟盖板顶处墙脚共3点布设测点。
衬砌表面应变监测采用应变片测量,环向在既有高速公路隧道衬砌内壁的拱顶、拱腰及最大跨度处共5点布设环向应变片,纵向在各量测断面拱顶线、拱腰线及最大跨度线布设5条纵向应变片。
振动速度监测在既有公路隧道路面中心、左右水沟盖板顶处墙脚共3点布设测点,测试时,先将传感器粘固在既有公路隧道各量测断面的测点部位,爆破后产生的振动速度经传感器传递并记录在测试仪芯片上,然后经过电脑分析处理得到相关的数据和振动波形图,以指导施工。测点布置如图4所示。
图4 既有公路隧道监测测点布置
3.5.4 监测安全控制基准
新建隧道爆破施工时,必须保证既有高速公路隧
道稳定及运营安全,根据既有隧道结构检测评估结果和结构安全验算结果,给出了既有隧道各监测项目安全控制基准如表4所示。
表4 既有隧道结构安全控制基准
监测项目预警值
允许值
监测频率
底板沉降/mm
(每日/累积)0.15/20
0.2/30
1次/2h 衬砌表面应变拉:0.035‰压:0.2‰拉:0.05‰压:0.3‰
1次/2h
振动速度
/(c m ?s -1
)
3
4
实时监测
4 结束语
(1)近距离爆破振动施工可能会产生严重危害,
必须引起高度重视。因此,头岭隧道穿越段施工之
前,应对既有隧道衬砌强度、衬砌背后空洞分布、衬砌抗震性等进行必要的评估,制定爆破振动控制基准,进行合理的爆破参数研究。
(2)在新建隧道掌子面推进到离交叉点3～4倍洞径时,应开始做好既有隧道内的监控量测,通过监测分析结果,合理调整开挖方法、爆破参数及起爆方式,确保既有隧道安全。
(3)交叉段施工完成之后,对既有隧道交叉点附近隧道衬砌结构应重新进行安全性评价,确保既有隧道不会因时间推移而产生破坏。
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(编辑 马 丽)
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