隧道原位扩建对邻近建筑物影响评估的研究

朱根桥，林 志，朱育才，杨 成

（1. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400030；2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道工程所，重庆 400067；3. 重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

1 前 言

随着我国经济建设的迅速发展，公路交通量的增长远超预期，一些4车道乃至6车道高速公路已经不能满足交通量增长，而公路隧道一般作为控制性工程，其改扩建的难度更大。目前双洞双向4车道改扩建为双向8车道隧道主要有两种方式及其交叉方式，即在既有隧道旁新建隧道形成双向8车道隧道和将既有2车道隧道原位扩建成4车道隧道，形成双洞双向8车道大断面隧道[1－4]。

既有隧道旁新增的隧道与小净距隧道类似，施工工艺相对简单，施工经验也相对成熟，但将既有隧道原位扩建成大断面隧道在国内外还非常少见，可参考的资料很少。从概念上分析，一般认为原位扩建大断面隧道其工程难度较大，特别是对围岩稳定性和周边建构筑物安全的影响较大。因此，本文结合重庆市机场路渝州隧道的原位扩建工程，采用数值计算和现场监控量测分析，对隧道原位扩建对周边建构筑物的影响进行分析评估。

2 隧道原位扩建形式

根据扩建隧道与原隧道的位置关系，单洞原位扩建可以归纳为3种形式：单侧扩建，即原隧道的一侧边与扩建隧道重合；两侧扩建，即原隧道在扩建隧道的中间，但底边与原隧道重合；周围扩建，即原隧道在扩建隧道的内部，边缘与扩建隧道均不重合。根据胡居义、唐颖对福厦漳高速公路大帽山隧道扩建工程的研究，隧道原位的形式如图 1所示。

3 工程概况

渝州隧道是重庆市机场路拓宽改造的控制性工程。隧道现状为双洞4车道，平面成喇叭型布置，进口段两隧道结构间岩石净距约 7.8 m，出口段为15 m。隧道单洞净宽10 m，净高6.7 m，圆拱直墙式素混凝土衬砌。隧道左洞全长 350.5 m，隧道右洞全长271.5 m。隧道进口方向左侧约38 m有8层砖混居民楼2栋。

本次机场路改造拟建设城市快速路，双向8车道，设计车速 80 km/h。现利用现状隧道进行改扩建，保持现状隧道平面走向及隧道间中央岩柱厚度不变分别向两侧扩挖，形成双洞8车道隧道。改造后，隧道净跨17.081 m，净高8.482 m，如图2所示（Sm代表泥岩；Ss代表砂岩；J2S为地层层位，侏岁系中统沙溪组）。

通过对场地的地面地质调绘和综合分析已有区域地质成果，沿线出露的地层主要有第四系人工素填土、残坡积层粉质黏土，下伏基岩岩性以砂质泥岩与砂岩为主。扩建隧道采用复合式衬砌结构，二衬采用钢筋混土，支护衬砌参数见表1。

表1 材料物理力学参数Table1 Material physico-mechanical parameters

为严格控制地表沉降，采取短进尺、强支护、弱爆破、勤观测的原则施工。拆去既有隧道结构时，采用预裂爆破，钻爆作业多循环、弱爆破、密布眼、少药量。其次，因隧道中间岩柱厚度小，对其保护、加固极为重要，在施工中采用“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”原则，施工方案如图 3所示。

图3 渝州隧道施工步序图Fig.3 The construction steps map of Yuzhou tunnel

4 模型建立

采用有限元 Midas-GTS软件。根据原隧道实际情况，特建立模型取边界条件为129 m×42.5 m×60 m（横向×纵向×竖向）。考虑到隧道扩挖对房屋建筑的影响，将房屋简化为8 m×9 m×18 m的弹性梁[6]，隧道围岩材料特性按均匀弹塑性考虑，采用Drucker-Prager准则[6－7]。根据地勘资料和设计资料，确定本次计算所采用的 IV级围岩和支护结构的物理力学参数，见表2。

根据建筑物位置，为反映建筑物距离两隧道中心线不同距离情况下隧道扩挖影响，每次水平平移10 m建立1个模型，共6个模型，如图4所示。

表2 材料物理力学参数Table2 Material physico-mechanical parameters

图4 建筑物距离两隧道中线不同位置的模型网格图Fig.4 Model grid-map of different distance from centerline of tunnels

5 开挖影响分析

5.1 计算结果分析

为分析地表房屋沉降，选定建筑物的4个角为分析点，标定为左一、左二、右一、右二（进口往出口），并采用这4点的沉降数据作为建筑物沉降分析，如表3和图5所示。分析可知，（1）地表最大沉降曲线与小净距隧道类似，即建筑物的存在对地表沉降曲线影响不大，简单分析时可以不考虑建筑物的存在即假定为Greenfield的情况。由于这种方法只考虑了原场的地面沉降，未考虑房屋结构建筑的变形，因而比较保守，但它可减少不必要的房屋计算[6]。（2）地表沉降槽曲线的影响半径为40 m左右，即距离扩挖后隧道轴线40 m以外，隧道扩建对地表影响已经很小，可以将其划为安全区。（3）建筑物为砌体结构，当建筑物离中线10 m和30 m时，建筑物的沉降差（倾斜）最大，沉降差分别达到8.0 mm和10.2 mm。根据《建筑地基基础设计规范》[8]，作为砌体结构的允许局部倾斜值为 0.002×18 m =36 mm，满足规范需求，建筑物安全。

表3 建筑物标记各点的沉降最大值Table3 The maximum settlement of gauge points in the building

图5 建筑物标记各点最大沉降图Fig.5 The maximum settlement map of gauge points in the building

5.2 监控量测数据分析

渝州隧道地表监测的重点左洞进口左侧砖混结构住宅楼，出口机场雷达站4个铁塔。本次只取天工邻儒1栋作为主要监测对象，布置监测点如图6所示，其监测数据如图7、8所示，反映了隧道扩挖作业对房屋影响的全过程。

图6 房屋沉降监测点平面布置图Fig.6 The settlement monitoring point layout of building

图7 天工邻儒1栋监测点沉降位移图Fig.7 The settlement displacement map of the monitoring points

图8 物管处监测点沉降位移图Fig.8 The settlement displacement map of the monitoring points

根据以上的工程实测数据可知，随着日期增加，建筑物沉降都在增大，并最终趋于稳定，沉降最大值达到4.7 mm，沉降差达到3.7 mm，建筑物安全。与数值分析对比分析，建筑物离中线 40 m左右（见图4），监测数据比较符合实际情况，没有太大的偏差。

6 爆破影响分析

隧道原位改扩建均会出现小净距的情况，后开挖隧道的爆破振动对先开挖隧道产生较大影响：近区岩体损伤、中远区岩体振动等危害，从而对岩体及临近既有隧道的安全稳定造成威胁。在隧道临近存在建筑物的情况下，爆破振动还必须考虑对建筑物及居民安全的影响。因此，如何控制扩建隧道的爆破开挖对相邻隧道的影响，保证既有隧道运营安全是施工的难点，也是国内外爆破与岩石力学界关心的核心问题之一。

6.1 爆破方案

隧道掘进Ⅳ级围岩较完整，按每循环2.0 m考虑，经计算，辅助眼单孔装药量控制在0.78 kg以内。光爆眼的装药量取0.12 kg/m，采用2#硝胺乳化炸药，非电雷管导爆管起爆，围岩爆破装药参数见表 4。实际药量通过爆破试验确定，现场根据实际爆破效果及岩层情况可适当调整。

隧道炮孔布置见图9。上部炮眼数为51个，加上周边光爆眼35个，共计86个；下部炮眼数为63个，加上周边光爆眼25个，底板眼10个，共计98个。由于隧道开挖有两个临空面，因此上、下部开挖作业均不设掏槽眼，直接采用排炮形式，类似于露天台阶爆破，确定掘进眼间距取0.8～1.2 m，二周眼间距为0.6～0.7 m，眼孔孔深2.0 m，除周边眼外均采用垂直眼，周边眼外斜5°。

表4 围岩爆破装药参数表Table4 The rock blasting charge parameter table

图9 隧道爆破开挖顺序及周边炮眼示意图Fig.9 The tunnel blasting excavation sequence and the surrounding borehole schematic

根据本工程的特点，爆破网络设计洞外采用电爆破网络联接，孔内采用毫秒微差电雷管，串并联网络联接；洞内采用非电导爆管网络连接，孔内采用非电毫秒微差雷管。

6.2 爆破地震破坏的主要判断依据

关于爆破震动安全判据，目前仍然多采用质点振动速度作为衡量爆破震动强度的惟一指标。大量工程实践和试验研究表明，选用单一的振动参数来描述爆破震动的特征是很不全面的，因此，在评价爆破震动对建（构）筑物的危害时，除用振动速度作为破坏判据外，还应考虑爆破震动持续时间的累积破坏作用、振动频率与建（构）筑物固有频率关系[9－10]。一般建构筑物应满足以下安全要求。

表5 爆破震动安全判据[11]Table5 Blasting vibration safety criterion

6.3 临近隧道现场爆破监测分析

爆破震动作用对邻近隧道的影响主要是爆破震动导致相邻岩石力学性质的劣化，尤其对有构造带通过或节理裂隙较发育的岩石影响更大。爆破震动作用会使围岩原有裂隙张开与扩展，新裂隙的产生，岩体声波速度的降低，渗透系数的增大，进而可能引起地表建筑物或地下构筑物的破裂、倒塌隧洞冒顶、片帮等灾害，危害很大。

隧道开挖是单边开挖，先对隧道左洞进行交通封闭，开放右洞，为分析隧道左洞的爆破开挖是否对隧道右洞的影响，在隧道左洞开挖爆破时对隧道的右洞进行监测，如图10所示。同时，对附近的房屋进行监测，通过隧道爆破振动监测，得到爆破的最大振速数据如图11所示。

图10 隧道震动监测点布置平面图Fig.10 Tunnel vibration monitoring point layout of floor plan

图11 临近隧道监测的最大振速图Fig.11 The maximum vibration velocity map of the neighborhood tunnel

由图11可见，根据监测数据，邻近隧道最大振速为4.756 cm/s，其振速波形见图12。根据我国新实行的爆破振动安全允许标准[1]可知，监测到的最大振速为4.756 cm/s，频率为92.773 Hz，在允许振速范围之内，临近隧道在爆破震动下是安全的。

图12 邻近隧道最大振速波形图Fig.12 The maximum vibration voscillogram of the neighborhood tunnel

6.4 临近房屋现场爆破监测分析

隧道左洞爆破扩挖时，对房屋进行爆破振动监测，对数据整理分析结果如图13所示。房屋监测到的最大振速为1.66 cm/s，其监测的振速波形图如图14所示，根据我国新实行的爆破震动安全允许标准，显示出在允许振速范围之类，符合要求。

图13 房屋监测的最大振速图Fig.13 Maximum vibration velocity map of the neighborhood building

图14 邻近建筑物最大振速波形图Fig.14 Maximum vibration velocity waveform of the neighborhood building

7 结 论

（1）隧道原位扩建有单侧扩建、两侧扩建和周围扩建3 种形式，从施工力学的角度考虑，单侧扩建的形式最优。

（2）渝州隧道地表最大沉降曲线与小净距隧道类似，地表沉降槽曲线的影响半径在40 m左右，即扩挖后隧道轴线40 m以外是安全区。

（3）渝州隧道最大地表沉降差距离中线 10 m和30 m，实测临近建筑物沉降最大值达到4.7 mm，沉降差达到3.7 mm，满足规范要求，建筑物安全。

（4）临近隧道和建筑物的振动特征均远低于规范限制值，说明既有隧道形成的临空面对于吸收和释放爆破振动能量的作用很大，消能作用很好，在这一点上与传统的小净距隧道有很大差别。

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