城市地鐵硬巖隧道下穿既有隧道施工控制技術(shù)

馬 駿
（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津300350）

摘 要：青島地鐵2號線要下穿正在施工的地鐵3號線隧道區(qū)間，兩條線二襯最近相距0．8m左右。在施工過程中，對地鐵3號線采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿加固、注漿堵水等措施，對地鐵2號線掘進采用超前管棚注漿支護、減震及微爆破的施工技術(shù)，成功的實現(xiàn)了下穿。工程監(jiān)測表明，隧道區(qū)間未見裂縫與漏水，沉降及振速均滿足要求，證明所采取的措施有效。

關(guān)鍵詞：城市地鐵；硬巖隧道；下穿既有隧道；加固處理；微爆破控制

徐干成［1］等針對北京地鐵14號線盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿京津城際高速鐵路的影響進行了三維仿真模擬分析，數(shù)值計算結(jié)果表明：通過對下穿段一定范圍內(nèi)的土體進行注漿加固可以有效控制盾構(gòu)隧道施工引起的既有鐵路縱向和橫向沉降及不均勻沉降，從而保證既有線路的安全運營不受影響。陳俊林［2］對盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道安全距離進行了分析研究，結(jié)果表明：在考慮采用注漿措施的前提下，推薦交疊隧道的最小安全距離為4m。

為緩解青島市的交通壓力、助推當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，青島市規(guī)劃了多條地鐵線路，目前已經(jīng)有兩條地鐵線路正在施工，即2010年6月正式開工的地鐵3號線和2012年11月開工的地鐵2號線，作為青島地鐵首先開工建設(shè)項目正在緊張的施工中。

1　工程概況

地鐵2號線棗山路站～李村站區(qū)間工程（以下稱棗李區(qū)間）起始里程為：YSK47＋251．209～YSK48＋074．229，全長823．020 m；ZSK47＋251．209～ZSK48＋074．229，全長846．377m，為單洞單線馬蹄形斷面隧道，礦山法施工。在左線ZSK47＋641～ZSK47＋681段（40m）、右線YSK47＋667～YSK47＋714（47m）段要下穿地鐵3號線萬年泉路站～李村站區(qū)間（以下稱泉李區(qū)間）。地鐵2號線右側(cè)線路開挖拱頂與地鐵3線右線仰拱底最小距離僅為200～280 mm，兩條線二襯最近處相距773～857mm。

地鐵2號線、3號線隧道區(qū)間圍巖以花崗巖為主，屬Ⅲ級圍巖，該處圍巖為中風化巖層為主，巖層存在塊狀碎裂巖構(gòu)造，巖體較破碎。地下水為局部滲水。隧道開挖寬度最大6．3m，開挖高度最大6．77 m。采取二臺階法進行施工，為了確保地鐵3號線的施工安全和臨邊建筑物的安全，要求地鐵2號線與地鐵3號線相交前后一倍洞徑距離處爆破振速不大于4．0cm／s，垂直地表質(zhì)點爆破振速不大于1．0 cm／s。因此，必須對地鐵3號線進行加固處理，并運用好控制爆破技術(shù)，精心設(shè)計爆破方案、確定好爆破參數(shù)、控制單段最大爆破藥量，確保地鐵3號線和臨邊建筑物的施工安全［3－5］。

2　地鐵3號線采取的加固處理及排水措施

在地鐵2號線下穿地鐵3號線區(qū)域的時間段，正是地鐵3號線泉李區(qū)間施工的高峰期，因此必須保證地鐵3號線的施工人員、材料進場和隧道出渣的正常通行。同時又要保證地鐵3號線的隧道區(qū)間滲水和施工用水不能流入地鐵2號線區(qū)間內(nèi)部。

2．1　加固處理措施

對地鐵3號線與地鐵2號線相交的3號線隧道區(qū)間拱部采用垂直拱部加設(shè)漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿，并沿隧道方向加設(shè)槽鋼搭接縱梁裝置。?32 mm／6－6型漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿采用矩陣式布置，每環(huán)間距1．2m，布置長度為地鐵2號線正上方12m范圍內(nèi)，每下穿區(qū)設(shè)置10環(huán)。錨桿注漿端采用［22a作為夾肋，錨固端鎖定后進行注漿錨固處理。預(yù)應(yīng)力注漿錨桿主要技術(shù)參數(shù)抗拉強度480MPa、抗拉力240kN、延伸率21%。加固形式如圖1所示。

圖1 加固隧道拱部形式

2．2　洞內(nèi)及周邊裂隙水的處理

在地鐵2號線下穿地鐵3號線時正值施工高峰期，洞內(nèi)有施工用水、隧道周邊裂隙水較多，必須采取有效措施，防止地鐵3號線泉李區(qū)間的水流入地鐵2號線棗李區(qū)間內(nèi)。在施工過程中采取了“以堵為主，以引為輔”的施工方法。根據(jù)地質(zhì)資料，經(jīng)分析采取了圍截注漿的措施，主要是在地鐵3號線泉李區(qū)間有出現(xiàn)漏水處及周圍一定范圍內(nèi)布孔注漿，由交匯處向兩端進行。漿體采用雙液漿為主、單液注漿為輔的注漿方式。在注漿開始階段和滲漏水部位采用雙液注漿，對滲漏水裂隙和漏漿縫隙進行封堵，形成一個“止?jié){層”。在雙液漿注漿達到堵水和堵縫效果后，再進行單液漿補注漿，進一步加大漿液擴散范圍，改善巖體性能。

水泥—水玻璃雙漿液的主要參數(shù)：采用525號普通硅酸鹽水泥，水泥漿的水灰比為0．8∶1～1∶1；水泥漿與水玻璃的體積比1∶0．6～1∶0．9；水玻璃模數(shù)2．5～3．5。利用水泥—水玻璃漿液的性能，使注漿后的周邊圍巖形成“結(jié)石體”，水泥漿越濃“結(jié)石體”抗壓強度越高，注漿終壓通?？刂圃?～8 MPa。經(jīng)過反復(fù)試驗水泥漿與水玻璃體積比1∶0．5 ～1∶0．7時，現(xiàn)場抗壓強度最高7．5MPa。

在雙液注漿完成后對局部進行了單液注漿補強，單液注漿進行一段時間后，注漿壓力沒能提升，可再次進行雙液注漿處理，使壓力達到設(shè)計要求，必須使漏水現(xiàn)象得到有效的控制。

針對地鐵3號線泉李區(qū)間的施工用水和局部滲水，在兩條線路的兩倍洞徑處設(shè)置了積水池，將收集起來的水用水泵配套消防軟管抽至施工豎井的集水井內(nèi)，統(tǒng)一排出洞外。

3　地鐵2號線掘進采取的施工措施

3．1　管棚施工方法

在地鐵2號線棗李區(qū)間，采用超前管棚注漿支護。鋼管采用?76mm熱軋無縫鋼管，壁厚6mm，管棚長12m，用每節(jié)長3～4m的熱軋無縫鋼管以絲扣連接而成，鉆頭大小?100mm，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不得超過總鋼管數(shù)的50%。施工時鋼管沿隧道外輪廓以1°外插角打入圍巖。預(yù)注漿采用水泥漿液，水泥漿液的參數(shù)為：壓力為0．5～2．0MPa，水灰比為0．8∶1～1∶1。

3．2　困難部位的管棚施工

根據(jù)地鐵3號線泉李區(qū)間記錄的開挖數(shù)據(jù)，3號線開挖較原設(shè)計擴大約10cm，格柵拱架擴大5 cm?？紤]到棗李區(qū)間開挖拱部需擴大8cm，則地鐵2號線拱頂開挖輪廓線到3號線仰拱底最小處僅剩余7cm左右，不足以保證管棚鉆孔及鋼管的安裝。如圖2中所標示的編號10～16的拱部鋼管剩余的施工空間均不足20cm，存在管棚無法鉆孔及鋼管無法安裝的可能性。為不破壞3號線泉李區(qū)間初支結(jié)構(gòu)，采取的工程措施為：

圖2 困難部位管棚布置施工

（1）鉆孔前測量好鉆孔的起始位置，計算到達泉李區(qū)間下部時的鉆孔長度，并在鉆管上做好標記。

（2）鉆至該處附近時，降低鉆孔速度。同時在地鐵3號線泉李區(qū)間安排專人值班，并做好相互間的聯(lián)系工作，如發(fā)現(xiàn)異常及時停止。

（3）考慮到下穿3號線位置拱部距離較小，拱部位置7根管棚角度調(diào)整為0，管棚場地調(diào)整為12m，即一次性穿過3號線區(qū)間，中間設(shè)置4m擴大段，施工完成后，繼續(xù)施工下一環(huán)12m管棚。

由于對管棚的施工進行了精確的定位和有效的處理，施工過程中及結(jié)束后對管棚的施工效果采用ZXL－5A鋼筋檢測儀進行了探測，誤差控制在了±3 cm范圍內(nèi)，有效的保護了已經(jīng)施工的地鐵3號線泉李區(qū)間仰拱結(jié)構(gòu)。

4　地鐵2號線下穿部分爆破施工

4．1　爆破開挖方案

根據(jù)設(shè)計要求，嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支護，快封閉”的方針作業(yè)，減少對3號線區(qū)間結(jié)構(gòu)和圍巖的擾動。開挖采用微臺階法，分上、下臺階循環(huán)進尺，上臺階循環(huán)進尺0．5m，下臺階為1．0m；為減少對地鐵3號線仰拱和結(jié)構(gòu)的影響，在2號線上臺階拱頂采用HD351全氣動潛孔鉆機，在2號線區(qū)間拱頂環(huán)形設(shè)置9個?120mm的隔震孔（如圖3所示），隔震孔每一次鉆入深度6m。上臺階高度控制在3．0m。上臺階開挖面積為16m2，一次爆破方量約8m3，并分成五部分開挖。下臺階采用水平孔爆破開挖，開挖面積18m2，分兩部分開挖。下臺階掘進長度控制在上臺階掘進3個循環(huán)后開挖一次，上下臺階錯開1．5～1．8m。

4．2　爆破設(shè)計

4．2．1　上臺階爆破參數(shù)的確定

（1）掏槽眼：為控制爆破振速，掏槽眼起爆采用中孔菱形掏槽。在距上斷面開挖底線85cm處采用DFYZ180潛孔鉆機打設(shè)1個?160mm超前鉆孔，一次鉆孔長度約10m。掏槽眼布置如圖4所示，炮孔采用礦用YT－28鑿巖機成孔，成孔直徑為42 mm，孔深700mm，炮眼為直眼，單孔藥量為0．15 kg，單段最大起爆藥量為0．15kg。

（2）周邊眼：為控制超欠挖，周邊眼按照爆破設(shè)計放線點位鉆孔，外插斜率控制在0．03～0．04之間；為了減少對3號線底部及仰拱結(jié)構(gòu)的影響，取炮孔的間距E＝300mm、最小抵抗線W＝350mm，周邊眼的密集系數(shù)為K（K＝E／W）。地鐵2號線棗李區(qū)間圍巖屬Ⅲ級，采用光爆層單獨爆破，單孔裝藥量為0．15～0．2kg／m，周邊眼孔深為700mm，每循環(huán)單孔裝藥為0．15kg，單段最大裝藥量為0．3kg。

（3）輔助眼：輔助眼按照隧道掌子面拱頂弧線形式布孔，按照爆破設(shè)計孔間距a、排距b應(yīng)大于周邊眼的最小抵抗線，取a＝400mm，b＝400mm。

輔助孔的單位藥量由式（1）計算：

式中：q為輔助孔的單位藥量（kg）；n為裝藥系數(shù)；L為炮眼長度（m）；γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量（kg／m）。

根據(jù)對該區(qū)段的巖性特點和已確定的爆破參數(shù)，經(jīng)計算得q＝0．2×1m×0．7kg／m＝0．14kg，取q＝0．15kg。爆破參數(shù)如表1所示。

表1　上臺階爆破參數(shù)統(tǒng)計表

部位炮孔名稱孔數(shù)炮孔深度／m單孔裝藥量／kg單段最大起爆藥量／kg雷管段別Ⅰ掏槽眼8 0．8 0．15 　0．15 　1Ⅱ輔助眼周邊眼底板眼36 0．6 0．15 　0．3 4～8 20 19Ⅲ輔助眼周邊眼底板眼30 0．6 0．15 　0．3 4～8 20 19Ⅳ輔助眼周邊眼25 0．6 0．15 　0．3　 4～8 20Ⅴ輔助眼周邊眼26 0．6 0．15 　0．3　 4～8 20

上臺階爆破炮眼布置如圖3所示。

圖3 上臺階爆破炮眼布置圖（單位：cm）

4．2．2　下臺階爆破參數(shù)的確定

圖4 菱形掏槽眼爆破圖（單位：cm）

圖5 下臺階爆破炮眼布置圖（單位：cm）

上臺階在循環(huán)3次爆破后，爆破一次下臺階，下臺階循環(huán)進尺為1m。下臺階爆破炮眼布置如圖5所示。

（1）按照爆破設(shè)計，炮孔深度取1．2m，掘進循環(huán)進尺為1．0m。

（2）炮孔間排距：最小抵抗線W＝（0．4～1．0）L（L為炮孔深度），為了降低對地鐵3號線的影響，W＝0．5m。炮孔密集系數(shù)取1，炮孔間距a＝0．5m，排距b＝0．5m。

（3）炸藥單耗取0．8kg／m3。爆破參數(shù)如表2所示。

表2　下臺階爆破參數(shù)統(tǒng)計表

部位炮孔名稱孔數(shù)炮孔深度／m單孔裝藥量／kg單段最大起爆藥量／kg雷管段別Ⅰ周邊眼34 1．2 　0．3 　0．6 4～15Ⅱ輔助眼周邊眼底板眼33 1．2 0．3 　0．6 4～15 18 20

4．3　振速驗算

根據(jù)薩道夫斯基公式驗算棗李區(qū)間采用的爆破參數(shù)是否滿足相鄰點最小爆破振速要求。

薩道夫斯基公式為：v＝·Qα／3。式中：v為爆破振動速度（cm／s）；R為爆破點至建筑物距離（m）；Q為單段起爆藥量（kg）；K、α分別為系數(shù)。棗李區(qū)間圍巖為中硬巖石，K取值為150～250；α 為1．5～1．8，地表該段埋深最小為26．77m。為保證安全盡量弱爆破，均取較小值K＝150，α＝1．5；上臺階單次爆破用藥量Q＝0．15kg。地鐵2號線與地鐵3號線相交前后一倍洞徑距驗證最小振速：v＝3．67＜4．0（cm／s）；垂直地表質(zhì)點最小爆破振速：v＝0．42＜1．0（cm／s）。本段爆破滿足相鄰點最小爆破振速要求。

4．4　爆破器材的選擇

為降低爆破震動強度，選用了低威力、低爆速的2號巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格為32mm×200mm，單根重量為200g／卷；雷管采用第一系列毫秒導(dǎo)爆管雷管。采用導(dǎo)爆索引爆，采用鋰電高能起爆器起爆。

設(shè)計爆破網(wǎng)絡(luò)為孔內(nèi)微差和孔外同段的非電微差起爆技術(shù)。起爆時采用分段延時爆破技術(shù)，該方法將起爆藥量由大化小。普通非電導(dǎo)爆管雷管一般跳段使用，間隔時間大于50ms，電子雷管則單孔單響，逐孔起爆，兩響延期控制在2～13ms。防止地震波疊加而產(chǎn)生較大的震動。很好的控制了單位段起爆最大藥量，較好地控制爆破震動效應(yīng)，有效的避免一定的爆破震動的疊加，很好的降低了爆破振速。減少了上臺階的爆破次數(shù)，提高了施工的效率。

5　結(jié)束語

采用的上述措施在施工中取得了很好的效果。在下穿過后對3號線初支結(jié)構(gòu)的檢測中未見應(yīng)力裂縫；3號線和2號線隧道區(qū)間也沒有較為明顯的漏水現(xiàn)象；2號線正上方及3號線仰拱頂部和地表的爆破振速滿足要求。在下穿施工完成后，對2號線棗李區(qū)間下穿段及時的進行了隧道襯砌的施工，更加有效的對3號線的隧道區(qū)間進行了支撐，也使2號線的隧道區(qū)間及早封閉成環(huán)。通過對3號線仰拱及地表的觀測，沉降控制在了15mm以內(nèi)，小于報警沉降值21mm。下穿施工取得了成功，為類似地鐵施工積累了施工經(jīng)驗。

參考文獻

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The Construction Control Techniques for a Hard－Rock Tunnel of the Urban Metro Under－Crossing an Existing Tunnel

Ma Jun
（4th Engineering Co．Ltd．of the 18th Bureau Group of China Railway，Tianjin 300350，China）

Abstract：Line Two of the Qingdao Metro has to under－cross the tunnel section of Line Three of the Metro under construction，with the closest distance between the secondary linings of them only about 0．8m．In the construction process，technical measures，such as the shell－expanding reinforcing anchoring bolts and slip－casting to stop water，are adopted for Line Three of the Metro，and construction techniques like the advanced tube－shed slip－casting，shock－reducing and the micro－blasting are adopted for the tunneling of Line Two of the metro．The under－crossing construction is successfully performed．Monitoring work shows that no crack and no water leakage are observed in the tunnel，and both the settlement and the vibration speed are also found up to the requirement，which proves that the measures adopted are effective．

Key words：urban subway；hard rock tunnel；under－crossing an existing tunnel；reinforcing treatment；control of the micro－explosion

作者簡介：馬 駿（1981—），男，工程師，主要從事土木工程施工項目管理工作 jiangzhou11191119＠163．com

收稿日期：2015－11－02

中圖分類號：U455．4

文獻標識碼：B

文章編號：1672－3953（2016）01－0049－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．013