复杂地质环境下隧道下穿既有线施工方案优化论文_陈恺

摘要：隧道下穿既有铁路线一直是隧道施工的难点，针对折返线隧道下穿厦门火车站的实际情况，提出了“CD法与三台阶法相结合、整体控制爆破与静态爆破相结合”总体施工方案，优化设计了CD法和三台阶法爆破施工方案，并引入静态爆破技术施工隧道距离桩基小于5米的区段，最大程度地减少了隧道开挖对既有火车站的影响，确保了折返线隧道安全高效的穿越火车站，可为相关工程提供借鉴。

关键词：城市隧道；下穿铁路；CD工法；静态爆破

1 工程简介

1.1 工程概况

厦门火车站轨道交通土建预留工程折返线隧道起终点里程：DK0+193.273～DK0+549.001，全长355.73 m，采用单洞双线断面（A型断面：12m*9.06m；B型断面：14.1m*9.66m），矿山法施工。区间隧道DK0+340～DK0+515段（175m），正穿厦门火车站南站房、站台出站地道及轨道、北站房，从厦门火车站旅客地道正下方通过，轨道交通轴线与旅客地道轴线投影重合，区间隧道拱顶距火车站旅客地道底板距离约9.0～10.0m。区间隧道总平面布置和隧道与车站位置关系如图1、2所示。

图1 区间隧道总平面布置图

图2 隧道与车站位置关系示意图

1.2 设计概况

区间隧道由初期支护、防水层、二次衬砌构成复合式衬砌。一般断面（A型）用于双线直线段，B型断面用于渡线加宽段及线距加宽段，两种衬砌类型断面如图3所示，主要设计参数见表1。

图3 隧道内两种衬砌类型断面图

表1 隧道支护、衬砌设计参数表

1.3 地质概况

隧址区内自上而下分布第四系全新统人工填土（Qml）、冲击积层粉质粘土（Q4al+pl）、残积砂质粘性土（Q4dl）、下伏基岩地层为燕山中期侵入岩（r52（3）c）花岗岩及辉绿岩岩脉。地下水不发育，主要为黏性土中的孔隙水和基岩裂隙水；在A类条件下对混凝土结构有微腐蚀（微PH值腐蚀，微HCO3-腐蚀，微CL-腐蚀），对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀。测区抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值0.15g，地震动反应普特征周期为0.40s。

2 总体施工方案设计

隧道根据新奥法原理组织施工，结合工程地质情况，可采用的开挖方法有控制爆破法、静态破损法、液压冲击锤法。隧道下穿厦门火车站影响段共计170m，分为三个区段，区间隧道施工至厦门火车站站线范围时，铁路线路为运营状态。为减小隧道施工对厦门火车站运营的影响，结合地质情况，采用CD法和三台阶法相结合的施工工法，其中南站房和1～9股道（DK0+340～480）开挖工法为同一工法即CD法，北站房（DK0+480～515）段开挖工法为三台阶加临时仰拱法开挖。施工区段划分统计表如表2 所示，示意图如图4所示。

图4 区段划分示意图

表2 施工区段划分统计表

3 爆破施工方案

根据工程的实际情况，考虑到爆破作业区域的实际条件、岩石的构造等方面因素，隧道设计采用CD法[1-4]、三台阶加临时仰拱法[5-7]，其中这两个方法均需要采用控制爆破法进行隧道掘进开挖，CD法地段根据设计地质图显示，上台阶局部为全风化花岗岩，易形成第二临空面，应做好局部爆破，控制爆破相对较易。施工时需采取降低振动速度的措施，来确保既有建（构）筑物和火车站运营的安全。

针对隧道周边保护结构的实际情况及围岩状况，结合已实施爆破测振规律，采取控制爆破与非爆破相结合的施工方法，桩基与隧道间距小于5m地段采用非爆破法为主，其余地段采取控制爆破法为主，实际施工时根据爆破测振情况予以调节，满足爆破振速要求；在CD法施工④⑤⑥部采用减弱松动爆破与非爆破法相结合，并采取有效的覆盖、减震措施，以保证临时中隔壁的稳定。

3.1 控制爆破设计原则

为确保工程工期、保证质量，结合工程现场的实际情况，隧道爆破设计原则为：

①所有爆破均采用毫秒延期控制爆破，以达到降振的作用，确保围岩初期支护和周围建（构）筑物不受损坏。

②贯彻密布孔、少装药、多分段的指导思想，提高爆破效果和安全效益；

③起爆顺序的原则为先起爆的炮孔应为后爆炮孔创造自由面。

④严格控制爆破振动，一段起爆药量根据萨道夫斯基爆破振动速度公式确定。由于爆破震速控制难度，为减少对既有建筑物的防护，唯有减小爆破单段起爆药量，但毫秒雷管的段数有限，必要时经业主允许后可使用高精度数码雷管。

⑤隧道掘进中，炮孔分掏槽孔、辅助孔、周边孔和底孔。在爆破设计时，辅助孔、周边孔炮孔深度应达到掘进进尺的1.5倍。采用大直径中空直眼掏槽，掏槽孔位置位于开挖断面的偏中下部位。掏槽孔的深度，根据炮孔深度的不同，应比辅助孔、周边孔深10～30cm。

⑥周边孔采用预裂爆破或，必要时经业主同意使用高精度数码雷管单孔单爆，以减小爆破对围岩的扰动，且使爆后周边围岩圆顺。

⑦采取不耦合装药、空气间隔装药等装药结构或孔内水压爆破等特殊爆破方法，对保护对象处的最大爆破振动安全速度要求为不大于5cm/s。

⑧对于CD法④⑤⑥部采取合理有效的爆破覆盖、减震措施，确保中隔壁的稳定。

3.2 CD法控制爆破设计

隧道循环进尺0.5m，炮眼超深0.25m，周边孔根据隧道与桩基的距离及爆破震动监测效果，采用预裂爆破，预裂孔间距35cm，中间设一个导向空孔；掏槽采用楔形+贯通的混合掏槽两级楔形掏槽，孔深比辅助眼大10cm；辅助孔孔距、排距均为0.4～0.5m，梅花形布孔，可根据现场地质情况灵活调整。

控制爆破施工时，为有效控制爆破振速，需严格控制装药量，且因单循环进尺较小，致使爆破抛掷效果难以达到理想效果，因此爆破后断面未抛掷出部分采用人工风镐配合液压冲击锤辅助清理断面开挖；在CD工法④⑤⑥部控制爆破施工时，为减小爆破冲击波对临时中隔壁钢架的影响，预留厚50cm光爆层待控制爆破施工完毕后采用人工风镐、液压劈裂机辅助施工开挖。

桩基附近的CD工法爆破，炮孔与桩基之间的距离非常近，振动控制严格。先对周边孔采用两次预裂爆破，产生裂缝以降低振动，预裂孔间距35cm，中间间隔一个空孔导向炮孔，孔深0.75m，最外层预裂孔的孔底外插10cm，为满足设计爆破震速要求，预留孔采取逐孔单孔接力爆破；楔形掏槽相对于空孔直线掏槽爆破振动要小，因此隧道掘进均采用楔形掏槽，掏槽孔两侧各打两排空孔，空孔孔距30cm，排距20cm，梅花形布孔，孔深0.9m，以进一步减振。（）

图5 CD工法炮眼布置示意图

3.3三台阶临时仰拱法爆破设计

三台阶临时仰拱法施工段，炮孔与桩基之间的距离较近，振动控制严格。先对周边孔采用两次预裂爆破，产生裂缝以降低振动，预裂孔间距35cm，中间间隔一个空孔导向炮孔，孔深0.75m，最外层预裂孔的孔底外插10cm，为满足设计爆破震速要求，预裂孔采取逐孔单孔接力爆破；楔形掏槽相对于空孔直线掏槽爆破振动要小，因此隧道掘进均采用楔形掏槽，掏槽孔两侧各打两排空孔，空孔孔距30cm，排距20cm，梅花形布孔，孔深0.9m，以进一步减振。

3.4 静态爆破施工

（1）静态破碎剂法钻孔与堵塞

本隧道大多为中风化花岗岩，采用人工配合YT28凿岩钻机打设φ42mm钻孔，周边眼间距20cm，辅助眼间距30cm，排距间距30cm；钻孔深度取钢拱架间距的整倍数，上台阶每循环1榀钢架，下台阶每循环2榀钢架，炮眼超深0.25m；上台阶施工时采用水平钻孔，下台阶、仰拱施工时采用垂直钻孔，钻孔方向应尽可能做到与自由面平行。

静态破碎剂装填需基本填满炮孔，装好后使用木棍捣实；为增加炮孔的约束，提高胀裂效果，静态破碎剂装填好后，用塑料塞或炮泥对炮眼进行堵塞，长度约为10cm。

图6 三台阶工法炮眼布置示意图

（2）静态破碎剂炮眼胀裂顺序

为使炮眼在胀裂时能有更多更大的临空面，以提高胀裂效果，炮眼在胀裂顺序上应存在一个时间差，为此，炮眼破碎顺序应从既有临空面开始依次向隧道开挖轮廓线靠近，最后胀裂周边眼。在前排一定范围内可以同时装药，后面每排依次推迟20～30min后装药破碎，可以减少前排挟制，而取得较好的破碎效果。

4 施工监控量测

隧道下穿既有铁路线施工风险大，安全隐患多，为保证隧道施工安全和火车站运营安全，施工监控量测是必不可少的。监测的项目主要有洞内外观察、隧道净空变形、拱顶下沉、建筑物监测、既有铁路路基竖向位移及轨道变形监测、站台结构沉降监测、隧道上部接触网杆倾斜监测、隧道上部旅客地道结构沉降监测、隧道上部旅客地道结构沉降监测、隧道上部高架候车室沉降监测、隧道上部楼梯沉降监测、站内结构物裂缝监测、爆破振动测试。

截止2018年1月底，隧道已施工到DK0+501.0，已基本穿越火车站，从各项监测数据分析可得，南竖井地表沉降、土体深层水平位移、支撑轴力及折返线隧道洞内拱顶沉降、净空收敛、火车站旅客通道建筑物竖向位移累计变化值及变化速率均在控制值内。整个施工过程中并未出现各监测值超出控制标准值，火车站运行良好，说明采用“CD法与三台阶法相结合、整体控制爆破与静态爆破相结合”的总体施工方案是可行的。该方案确保了折返线隧道安全高效的穿越运行中的厦门火车站。

（a）地表累计沉降量随时间变化曲线

（b）拱顶累计沉降量随时间变化曲线

（c）拱顶累计收敛量随时间变化曲线

（d）旅客通道累计沉降量随时间变化曲线

图 7 监控量测累计变化曲线

5 结论

（1）提出了“CD法与三台阶法相结合、整体控制爆破与静态爆破相结合”总体施工方案，确保了折返线隧道安全高效的穿越火车站。

（2）优化设计了CD法和三台阶法爆破施工方案，并引入静态爆破技术施工隧道距离桩基小于5米的区段，最大程度地减少了隧道开挖对既有火车站的影响。

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论文作者:陈恺

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/5/7