既有城市隧道扩建施工方案初步探讨

罗禄森

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

1 工程概况

成渝城际客运铁路专线为国家规划建设的“沪汉蓉”城际客运专线的重要组成部分，目前正在紧张施工中。线路全长约302 km。引入重庆枢纽的新红岩隧道全长6 699 m，位于重庆繁华的沙坪坝区，设计行车速度100 km/h。部分线位沿既有梨树湾～菜园坝线。既有线建于1971年～1975年间，隧道设计均为单线隧道，故沿既有线位的隧道进行单线扩建双线设计。隧道洞身上部多居民点分布，主要为多层砖房。为了尽量避免隧道施工对上部房屋建筑的影响，新红岩隧道线位在沿既有线位的基础上进行了局部绕行。

由于新红岩隧道穿越于繁华城区，且进出口浅埋段上部居民、商业房屋建筑较多，隧道拱顶地表房屋调查表按埋深统计总表见表1。新红岩隧道进口浅埋段现场情况如图1所示。因此，如何在减小隧道施工对地表房屋及居民的影响下确定隧道施工方案成为隧道设计的重点、难点。

表1 隧道拱顶地表房屋调查统计表

图1 新红岩隧道进口现场照片

根据新红岩隧道所处地质条件及周边环境综合分析，确定施工方案的影响因素主要有以下两个方面。

(1)隧道开挖引起浅埋段隧道地表沉降、造成地表房屋开裂；

(2)隧道爆破施工段落爆破振动影响地表建筑、爆破噪声影响居民生活问题。

本文主要针对隧道施工对环境的两方面影响，通过FLAC数值模拟，分析不同埋深隧道的施工沉降规律，结合地表建筑爆破振动安全允许值，确定新红岩隧道施工方案。

2 隧道施工引起的地表沉降规律

地表沉降主要发生在浅埋隧道段，主要原因是由于隧道上方覆土太浅无法形成承载拱，导致隧道上部土体随隧道洞身开挖下沉。

新红岩进出口浅埋段为既有单线隧道扩建双线隧道，除地表有1～2 m黏土层，隧道洞身均位于泥岩夹砂岩弱风化地层。地下水为第四系土层孔隙水及基岩裂隙水。

本次分析地表沉降主要是以隧道进口浅埋段扩挖施工段为研究对象，采用FLAC数值模拟实际施工步序，分析不同埋深条件下扩挖隧道对地表沉降的影响以及沉降槽的分布形式。

2.1 计算工况

由于地表房屋分布较多，且与隧道的相对位置关系复杂，本次分析主要选取各个埋深条件下房屋分布最不利工况进行分析，具体计算工况表详见表2所示。地表沉降分析典型断面见图2。

表2 计算工况

图2 地表沉降分析典型断面(10 m埋深)

2.2 计算参数

根据地勘报告及隧道设计参数，本次数值分析计算参数如表3所示。

表3 围岩及支护力学参数

2.3 计算模型

计算模型为平面模型，两侧距离隧道中心为65 m(约5倍洞径)，底部边界离隧道轨面约40 m，隧道顶面覆土按各工况实际埋深选取，上部边界自由。其中隧道初期支护、二次衬砌均采用实体单元进行模拟，地表房屋均按照均布荷载考虑。

图3 隧道部分网格细部

图4 整体计算模型(10 m埋深工况)

2.4 计算结果

2.4.1 隧道施工位移场

分析各种埋深条件下，隧道施工完成后隧道的位移场分布规律，10 m埋深工况隧道施工完成后位移场分布见图5所示。

图5 施工完成后位移场分布(10 m埋深)

小结：①从位移与埋深的关系来看，随着隧道埋深的增加，隧道开挖后初期支护竖向位移减小。②从施工步骤来看，扩挖既有隧道右上台阶的位移增长量约占总沉降量的80%左右，为施工控制关键工序。

2.4.2 地表沉降曲线

地表沉降曲线是反映隧道施工对地表建筑影响程度的直接体现。下面根据各种工况下隧道施工地表各监测点最终位移分布，绘出地表沉降槽，各种工况下地表沉降曲线见图6所示。

图6 各种埋深工况地表最终沉降曲线

小结：①从地表沉降值与隧道埋深关系来看，地表沉降值随隧道埋深增加而减小，隧道埋深从5 m增加到20 m，地表沉降值从65 mm减小到21 mm。②从地表沉降槽横向宽度来看，随着埋深的增加，横向影响宽度增加；另外，地表沉降槽横向宽度还与隧道顶地表房屋分布位置有关。总体而言，隧道地表沉降槽横向影响宽度在隧道中线左右侧15 m左右。③各工况地表沉降主要指标如表4所示。

表4 各工况地表沉降主要指标

3 地表沉降对建筑物及结构的影响控制指标

根据国内外相关规范及文献，确定地表沉降对建筑物及结构的影响控制指标，参见相关规范及文献如表5、表6所示。

表5 建筑物的地基变形允许值

表6 建筑物容许最大沉降量

注:括号内数值适用于刚性较大的基础。

综合以上分析，结合本线隧道顶建筑多为砖墙结构、房屋质量普遍不高的现状，本次确定地表最大沉降以35 mm控制，以两基础之间间距10 m考虑，横向10 m内沉降点差异沉降按25 mm控制。

4 爆破对地表建筑及居民的影响

4.1 爆破振动国家安全控制标准

我国爆破安全规程(GB 6722-2003)规定：地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率。安全允许标准如表7。

表7 爆破振动安全允许标准

结合我国爆破安全规程，确定土窑洞、土坯房和毛石房屋爆破振动控制标准为：0.5 cm/s；一般砖房及框架房屋，爆破振动速度控制标准为2.0 cm/s，极限振动速度控制标准为5 cm/s。

4.2 爆破对居民的影响

爆破对居民的影响主要是爆破噪声以及爆破冲击波超压。结合我国爆破安全规程，爆破冲击波超压小于0.02×105Pa，爆破噪声控制在55 dB以下。

5 隧道施工方案及房屋临时安置原则分析

5.1 隧道施工方案探讨

根据地表房屋爆破振动控制标准，按地表建筑物最大振动速度小于2 cm/s控制，埋深15 m以下控制爆破方案需采用逆台阶法，炮孔布置多，且要求单孔起爆，施工进度慢；爆破对地表建筑及居民仍存在影响，施工风险高。而埋深15 m以上段落采用控制爆破施工，施工工期能够保证，对环境的影响可以控制。

由此，建议埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

5.2 地表房屋临时安置原则分析

根据施工引起的地表沉降规律，结合地表沉降对建筑物及结构的影响控制指标，可以初步认为：埋深在15 m时，地表沉降最值约31 mm，10 m横向沉降点沉降差值约为20.46 mm，均在控制值边界，故可以认为15 m埋深以上隧道地表沉降对地表房屋基本无安全性及使用功能影响。

由此，建议隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用临时安置。

6 初步结论

(1)由于城市隧道位于房屋密集区，施工方案的选择需根据不同埋深以及地表建构物情况来确定，综合考虑施工地表沉降及爆破振动的影响。

(2)根据施工对地表房屋的影响、施工进度、施工风险等综合考虑，建议埋深小于15 m隧道采用非爆破法施工，埋深大于15 m隧道采用爆破法施工。

(3)根据隧道施工引起的地表沉降对地表房屋的影响，建议隧道埋深小于15 m地段地表房屋采用临时安置。

(4)国内不同城市的地质情况及施工环境各异，本文旨在提出城市隧道施工方案设计的要点，对城市隧道工点设计提供参考。

[1] TB 10003-2005铁路隧道设计规范[S]

[2] GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S]

[3] GB 6722-2003爆破安全规程[S]

[4] 铁道部第二勘查设计院.铁路工程设计技术手册-隧道[M].北京:中国铁道出版社,1999