CN112377198B - 一种上下交叉隧道的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的上下交叉隧道的施工方法包括基于萨道夫斯基公式根据获取的围岩参数数据、预设的爆破参数数据和预设的爆破振速控制数据计算爆破距离数据组和爆破用药量数据组；根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段划分为强扰动区域和弱扰动区域；开挖强扰动区域，并在强扰动区域内建立初期支护结构；根据获取的振动监测数据、爆破距离数据组和爆破用药量数据组对强扰动区域和弱扰动区域依次进行分部爆破，振动监测数据通过设置于既有隧道内的振动监测仪获得。本发明提供的施工方法解决了近接隧道相互干扰的安全问题及技术问题。

Description

一种上下交叉隧道的施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工方法，具体涉及一种上下交叉隧道的施工方法。

背景技术

随着我国隧道建设进入了新的发展高峰期，近距离交叉隧道建设项目越来越多。交叉隧道中的开挖再一次引起已有隧道围岩和支护结构的应力重分布，由于邻近结构及围岩的影响，施工过程中需要关注既有隧道的状态，保证既有隧道的结构稳定和运营安全。

除了地质因素的影响，交叉隧道本身存在复杂性，尤其在近接高速铁路既有隧道情况下，对既有隧道的稳定性具有更高要求，同时需要保证新建隧道的工期。

因此，现需要一种能解决交叉隧道相互干扰的技术问题的施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决交叉隧道相互干扰的上下交叉隧道的施工方法。

本发明提供的上下交叉隧道的施工方法包括基于萨道夫斯基公式，根据获取的围岩参数数据、预设的爆破参数数据和预设的爆破振速控制数据计算爆破距离数据组和爆破用药量数据组；根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段划分为强扰动区域和弱扰动区域；开挖强扰动区域，并在强扰动区域内建立初期支护结构；根据获取的振动监测数据、爆破距离数据组和爆破用药量数据组对强扰动区域和弱扰动区域依次进行分部爆破，振动监测数据通过设置于既有隧道内的振动监测仪获得。

由上述方案可见，本发明提供的施工方法通过对交叉隧道进行区域划分，进行不同初期衬砌支护的施工方案设计，同时在既有隧道进行动态监测，新建隧道分部控制爆破，形成交叉隧道施工控制方法，通过动态控制调整，保证既有隧道正常地、安全地运营，又保证交叉隧道影响区域中围岩的荷载稳定，从而解决了近接隧道相互干扰的安全问题及技术问题。

进一步的方案是，在根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段划分为强扰动区域和弱扰动区域的步骤后，还包括在既有隧道内设置多个振动监测仪。

更进一步的方案是，在既有隧道内设置多个振动监测仪的步骤中，还包括既有隧道内与强扰动区域对应处的振动监测仪的设置密度大于既有隧道内与弱扰动区域对应处的振动监测仪的设置密度。

由上可见，由于强扰动区域受影响较大，故在强扰动区域内设置更多的振动监测仪去检测既有隧道的振速情况和沉降情况，从而更严密、更准确地对既有隧道的动态进行监控，以便于对爆破计划进行及时修正。

进一步的方案是，在既有隧道内设置多个振动监测仪的步骤中，还包括既有隧道的拱脚和拱腰处均设置振动监测仪。

由上可见，由于拱脚和拱腰为既有隧道的关键处，对拱脚和拱腰处的振动情况进行监测能保证监测数据的有效性。

进一步的方案是，基于萨道夫斯基公式，根据获取的围岩参数数据、预设的爆破参数数据和预设的爆破振速控制数据计算爆破距离数据组和爆破用药量数据组的步骤前，包括根据待建隧道与既有隧道的垂向距离和既有隧道的沉降量控制数据设定爆破振速控制数据。

由上可见，爆破振速控制数据需要根据待建隧道与既有隧道的垂向距离、既有隧道的使用情况如既有隧道内铁路的列车行驶速度等去综合确认，从而确保既有公路隧道运营的安全。

进一步的方案是，根据获取的振动监测数据、爆破距离数据组和爆破用药量数据组对强扰动区域和弱扰动区域依次进行分部爆破的步骤中，包括对强扰动区域进行分部爆破时，判断当前振动监测数据是否大于预设的爆破振速控制数据，若是，修改爆破用药量数据组。

由上可见，根据实际、实时的监测数据修正爆破用药量以提高施工安全性。

进一步的方案是，修改爆破用药量数据组的步骤中，包括强扰动区域在垂向上靠近既有隧道的部分减少爆破用药量，强扰动区域在垂向上远离既有隧道的部分增大爆破区域且增加爆破用药量。

由上可见，此设置能在减少对既有隧道的影响的前提下保证爆破效果。

进一步的方案是，在强扰动区域内建立初期支护结构的步骤中，包括喷射混凝土以封闭围岩；设置首层钢拱架结构，喷射混凝土以覆盖首层钢拱架结构；在首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构，喷射混凝土以覆盖二层钢拱架结构。

更进一步的方案是，设置首层钢拱架结构的步骤中，包括多个首层钢拱架结构沿待建隧道的延伸方向有间隔地设置；在首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构的步骤中，包括：多个二层钢拱架结构沿待建隧道的延伸方向有间隔地设置。

更进一步的方案是，在首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构的步骤中，包括：多个首层钢拱架结构与多个二层钢拱架结构沿待建隧道的延伸方向交错布置。

由上可见，为防止钢拱架结构下沉，应及时封闭成环，有效控制拱顶下沉，防止出现塌方，因此在立架前，先喷射1～3cm厚度的喷射混凝土封闭围岩，首层钢拱架结构施工完毕后再复喷至24cm以覆盖首层钢拱架结构；随后二层钢拱架结构作为二层支护混凝土中的加劲措施，两层二层钢拱架结构构成的钢拱架紧贴密实并焊接并喷射混凝土，双层支护施工连续，工序紧密，保证洞身开挖后及时起到共同支护作用。

附图说明

图1为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中的上下交叉隧道的示意图。

图2为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中既有隧道的示意图。

图3为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中待建隧道的初期支护结构的示意图。

图4为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中待建隧道的爆破示意图。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中的上下交叉隧道的示意图。本实施例为待建隧道2下穿既有隧道1的施工方法实施例，待建隧道2为公路隧道，既有隧道1为高速铁路隧道。在垂向投影下，既有隧道1与待建隧道2具有交叉点120，既有隧道1的延伸方向与待建隧道2的延伸方向之间的夹角为60度。

首先，计划以钻爆法对待建隧道2进行施工。考虑到既有隧道1已运营多年，衬砌强度有所下降，同时，既有隧道1与待建隧道2的垂向距离为30m，且既有隧道1为时速350km的高速铁路隧道，沉降控制较为严格，因此，基于上述考虑，根据上述的垂向距离和合适的沉降量控制数据，本实施例中预设的爆破振速控制数据取2cm/s。

为了确保既有隧道1的运营安全，接下来需要确定待建隧道2的控制爆破开挖的安全施工距离。首先，以萨道夫斯基公式为基础的爆破振动速度衰减理论模型，结合上述预设的爆破振速控制数据，再结合与现场相关围岩相关的围岩参数数据和预设的爆破参数数据计算出爆破距离数据组和爆破用药量数据组。其中，围岩参数数据包括与开挖方式、围岩级别、岩石弹性模量、粘聚力、内摩擦角以及泊松比等相关的数据，预设的爆破参数数据为针对围岩参数数据初定的爆破方式、一次起爆量、装药量和爆破监测速度等相关的数据。

采用萨道夫斯基经验公式与有限元模拟结合确定安全施工距离，进而确定现场安全距离和确定爆破用药量，结合爆破振动监测检验用药量合理性，通过数值模拟划分交叉段施工区域。

萨道夫斯基公式为_V＝K(Q ^1/3 _/R) ^α _，式中V为安全允许的质点振动速度，K为与介质和爆破条件因素有关的系数，如岩石性质、爆破参数和方法有关的系数，由室内试验得出为中硬岩石，K取值150～250。另外，Q为一次齐爆药量，R为爆源至监测点的爆破距离，α为振动衰减系数，α取值1.5～1.8。

通过计算得出爆破距离数据组和分段爆破用药量数据组如下表所示：

表1爆破距离数据和分段爆破用药量数据表

随后则需要根据上述计算得出的爆破距离数据和分段爆破用药量数据对将待建隧道的交叉影响段21划分为强扰动区域211和弱扰动区域212。划分原则以数值模拟和现场振动监测为准，交叉影响段21设置在交叉点120前后各50m范围之内，强扰动区域211和弱扰动区域212的界限以待建隧道2的变形速率和有限元数值模拟既有隧道1变形速率的最大值为主要参考，变形速率与沉降量以及质点振动速度V有关，因此，以预设的爆破振速控制数据2cm/s作为参考值，当在交叉影响段21存在监测点的质点振动速度V超过控爆破振速控制数据，同时既有隧道1沉降速率出现明显变化，综合考虑模拟沉降量变化速率加大的断面，以此确定强扰动区域211和弱扰动区域212的界限，从上表1可见，距离交叉点120爆破距离22.5m以上的为弱扰动区域212，爆破距离22.5m以内的区域为强扰动区域211。

参见图1至图3，图2为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中既有隧道的示意图，图3为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中待建隧道的初期支护结构的示意图。随后需要开挖进入强扰动区域211，并在待建隧道2的强扰动区域211内建立初期支护结构28。在根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段21划分为强扰动区域211和弱扰动区域212的步骤后，在开挖进入强扰动区域211前，还需要在既有隧道1内设置多个振动监测仪，多个振动监测仪包括设置在既有隧道1的拱脚处的第一振动监测仪141、设置在既有隧道1的拱腰处的第二振动监测仪142和设置在既有隧道1的拱顶处的第三振动检测仪143。

另外，由于强扰动区域211受影响较大，故应当在既有隧道1与强扰动区域211对应处设置更多的振动监测仪去检测既有隧道1的振速情况和沉降情况，从而更严密、更准确地对既有隧道1的动态进行监控。因此，本实施例中，既有隧道1内与强扰动区域211的对应处，即图1所示的第一对应区域111内的振动监测仪的设置密度为既有隧道1内与弱扰动区域212对应处，即图1所示的第二对应区域112内的振动监测仪的设置密度的两倍。其中，第一对应区域111为强扰动区域211在垂直于既有隧道1的延伸方向的方向上的投影区域，第二对应区域112为弱扰动区域212在垂直于既有隧道1的延伸方向的方向上的投影区域。

如图3所示，初期支护结构28为二层支护结构，其包括首层钢拱架结构281、二层钢拱架结构282以及覆盖在首层钢拱架结构281和二层钢拱架结构282上的混凝土层，双层支护根据首层钢拱架结构281和二层钢拱架结构282的厚度、预留变形量提前进行断面尺寸外扩，避免侵限。另外，首层钢拱架结构281的组装和二层钢拱架结构282的组装应分隔开来进行，多个首层钢拱架结构281与多个二层钢拱架结构282沿待建隧道2的延伸方向上交错布置。

首层钢拱架结构281采用22α号工字钢作为首层支护混凝土中的加劲措施，待建隧道2的延伸方向上，相邻的两个首层钢拱架结构281的布置间距为0.6m，工字钢纵向以Φ22钢筋焊接连接以构成首层钢拱架结构281，钢筋环向间距为1m。22α号工字钢分七段在洞外加工，洞内组装，工字钢分块与开挖分块相适应，工字钢应尽量密贴围岩，当存在超挖时，应在首层钢拱架结构281与围岩采用混凝土塞紧。

为防止工字钢下沉，应及时封闭成环，有效控制拱顶下沉，防止出现塌方，在支立首层钢拱架结构281前，先喷射1～3cm厚度的喷射混凝土封闭围岩，锚杆、首层钢拱架结构281施工完毕后再复喷混凝土厚度至24cm以覆盖首层钢拱架结构281。

第二层初期支护的二层钢拱架结构282中采用16号工字钢作为二层支护混凝土中的加劲措施，相邻的两个二层钢拱架结构282在待建隧道2的延伸方向的间距为0.6m，二层钢拱架结构282与首层钢拱架结构281在待建隧道2的延伸方向上纵向错开布置，待建隧道2的延伸方向上，多个16号工字钢以钢筋焊接连接，钢筋环向间距为1m。

其中，二层钢拱架结构282设置在首层钢拱架结构281的内周，二层支护紧贴外层支护以提高支护刚度，施工准备时分别制作首层钢拱架结构281与二层钢拱架结构282，两层钢拱架结构(包括上述首层钢拱架结构281与二层钢拱架结构282)紧贴密实并焊接并喷射混凝土，双层支护施工连续，工序紧密，保证洞身开挖后及时起到共同支护作用。

另外，钢拱架结构的制作安装在掌子面开挖初喷完成后即可进行，钢拱架结构所在的平面应当垂直于待建隧道2的中线，钢拱架结构所在的平面的允许倾斜角度在2度以内。钢拱架结构在上、下、左和右四个方向上的位置偏差不应大于5cm。另外，根据测设的位置，各节钢拱架结构以螺栓和连接板固定并紧贴在掌子面上。

另外，为保证多节钢拱架结构在全环封闭之前能稳固地置于地基上，安装钢拱架结构前应清除各节钢拱架底底部的虚碴及杂物。同时，钢拱架结构的两侧均安设至少两根锁脚锚杆以锁定位置；底部开挖完成后，底部初期支护及时跟进，将钢拱架结构全环封闭。

为保证钢拱架结构位置安设准确，隧道开挖时在钢架的各连接处预留连接板凹槽。初喷硅时，在连接板凹槽处打入木楔，为架设钢拱架结构留出连接板位置和槽钢位置。钢拱架结构按设计位置安设，在安设过程中，当钢拱架结构和初喷混凝土层之间有较大间隙时，应在环向上每隔2m用硷预制块楔紧，钢拱架结构背后用喷硷填充密实。为使钢拱架结构准确定位，钢拱架结构架设前需预先设置定位系筋，定位系筋的一端与钢拱架结构焊接在一起，定位系筋的另一端锚入围岩中深度0.5m～1m并用砂浆锚固，当钢拱架结构de架设处有锚杆时，应利用锚杆定位。

再结合图4，图4为本发明上下交叉隧道的施工方法实施例中待建隧道的爆破示意图。在强扰动区域211内建立初期支护结构28后，则需要根据既有隧道1内设置的多个振动监测仪获得的振动监测数据、计算获得的爆破距离数据组和爆破用药量数据组对强扰动区域211和弱扰动区域212依次进行分部爆破。

根据工程爆破的特点，先采用浅孔毫秒微差爆破电雷管引爆，周边采用导爆索预裂爆破，钻孔采用台车配合气腿式凿岩机钻孔，钻孔的孔径φ40mm，循环进尺不能过大以控制炸药量。在根据基于萨道夫斯基公式计算得出爆破用药量数据组后，还需要根据既有隧道1内设置的多个振动监测仪获得的振动监测数据来再次确认爆破用药量数据组，判断当前振动监测数据是否大于预设的爆破振速控制数据，即本次振动速度是否大于2cm/s，若是，修改爆破用药量数据组，修改爆破用药量数据组包括强扰动区域211在垂向上靠近既有隧道1的部分减少爆破用药量，强扰动区域211在垂向上远离既有隧道1的部分增大爆破区域且增加爆破用药量。本实施例中，由于待建隧道2为下穿隧道，因此下台阶爆破区域201在垂向上远离既有隧道1，因此，增大下台阶爆破区域201和增大台阶爆破区域201的爆破用药量。

其中，爆破器材选用φ32乳化炸药、塑料导爆管毫秒电雷管、顺发电雷管和导爆索，在有瓦斯情况下以上爆破器材选用煤矿许用型。根据岩石赋存变化情况，采用不同的开挖爆破方案，本实施例中，该段围岩级别为Ⅳ级，爆破器材用量按Ⅳ级围岩爆破方案计算的得出爆破用药量：乳化炸药22T，预裂爆破炸药1.6T，塑料导爆管毫秒电雷管1.4万发，顺发电雷管100发以及导爆索3.4万米。

本发明提供的施工方法通过对交叉隧道进行区域划分，进行不同初期衬砌支护的施工方案设计，同时在既有隧道进行动态监测，新建隧道分部控制爆破，形成交叉隧道施工控制方法，通过动态控制调整，保证既有隧道正常地、安全地运营，又保证交叉隧道影响区域中围岩的荷载稳定，从而解决了近接隧道相互干扰的安全问题及技术问题。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种上下交叉隧道的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括：

根据既有隧道与待建隧道之间的垂向距离和合适所述既有隧道的沉降量控制数据获取预设的爆破振速控制数据；

以萨道夫斯基公式为基础的爆破振动速度衰减理论模型，结合所述预设的爆破振速控制数据、与现场相关围岩相关的围岩参数数据和预设的爆破参数数据计算出爆破距离数据组和爆破用药量数据组；

根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段划分为强扰动区域和弱扰动区域，其中，所述强扰动区域和所述弱扰动区域的界限以所述待建隧道的变形速率和有限元数值模拟所述既有隧道变形速率的最大值为主要参考，所述变形速率与所述既有隧道的沉降量以及所述萨道夫斯基公式中的质点振动速度有关，以所述预设的爆破振速控制数据作为参考值，当在所述交叉影响段存在监测点的所述质点振动速度超过所述爆破振速控制数据且所述既有隧道的沉降速率出现明显变化，模拟沉降量变化速率加大的断面，以所述断面确定所述强扰动区域和所述弱扰动区域的界限；

开挖所述强扰动区域，并在强扰动区域内建立初期支护结构；

根据获取的振动监测数据、爆破距离数据组和所述爆破用药量数据组对所述强扰动区域和所述弱扰动区域依次进行分部爆破，所述振动监测数据通过设置于既有隧道内的振动监测仪获得。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：

在所述根据爆破距离数据组将待建隧道的交叉影响段划分为强扰动区域和弱扰动区域的步骤后，还包括：

在所述既有隧道内设置多个所述振动监测仪。

3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：

在所述既有隧道内设置多个所述振动监测仪的步骤中，还包括：

所述既有隧道内与所述强扰动区域对应处的所述振动监测仪的设置密度大于所述既有隧道内与所述弱扰动区域对应处的所述振动监测仪的设置密度。

4.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：

在所述既有隧道内设置多个所述振动监测仪的步骤中，还包括：

所述既有隧道的拱脚和拱腰处均设置所述振动监测仪。

5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：

所述根据获取的振动监测数据、爆破距离数据组和所述爆破用药量数据组对所述强扰动区域和所述弱扰动区域依次进行分部爆破的步骤中，包括：

对所述强扰动区域进行分部爆破时，判断当前振动监测数据是否大于预设的爆破振速控制数据，若是，修改爆破用药量数据组。

6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于：

所述修改爆破用药量数据组的步骤中，包括：

所述强扰动区域在垂向上靠近所述既有隧道的部分减少爆破用药量，所述强扰动区域在垂向上远离所述既有隧道的部分增大爆破区域且增加爆破用药量。

7.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：

所述在强扰动区域内建立初期支护结构的步骤中，包括：

喷射混凝土以封闭围岩；

设置首层钢拱架结构，喷射混凝土以覆盖所述首层钢拱架结构；

在所述首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构，喷射混凝土以覆盖所述二层钢拱架结构。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：

所述设置首层钢拱架结构的步骤中，包括：

多个所述首层钢拱架结构沿所述待建隧道的延伸方向有间隔地设置；

所述在所述首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构的步骤中，包括：

多个所述二层钢拱架结构沿所述待建隧道的延伸方向有间隔地设置。

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：

所述在所述首层钢拱架结构的内周设置二层钢拱架结构的步骤中，包括：

多个所述首层钢拱架结构与多个所述二层钢拱架结构沿所述待建隧道的延伸方向交错布置。

Images