大连—旅顺中部通道工程第五标段6号隧道为分离式双洞隧道,主体结构为单向两车道,南线隧道全长550m,纵坡为3%,最大埋深为53m;北线隧道全长546.3m,纵坡为2.95%,最大埋深为52m。该隧道存在以下特点和难点:隧道浅埋偏压段南线平均覆盖层厚度11.33m,北线平均覆盖层厚度9.51m,隧道覆盖层厚度小。隧道围岩为强、中风化石英岩夹板岩,含碎石粉质黏土,岩体节理裂隙发育,岩体破碎。主要结构面结合差,结构面的不利组合对围岩影响较大,在开挖过程中易发生冒顶,围岩稳定性差。该隧道浅埋偏压段开挖断面面积为98.37m²,按国际隧道协会(ITA)定义的隧道横断面积的大小划分标准,属于大断面隧道。在6号隧道的南线正上方有1座66kV高压电塔,位于该隧道浅埋偏压段。该高压电塔总高度16m,由钢结构组合而成,塔基底部距隧道顶部开挖线高差仅为7.85m,高压电塔与隧道开挖轮廓线的平面位置如图1所示。

　　 6号隧道总体开挖方法为上下台阶法,浅埋偏压隧道下穿高压电塔爆破振动控制施工工艺流程如图2所示。

　　 在高压电塔基础范围内采用地表注浆加固,能提高基础周围围岩的整体性,有效控制高压电塔因隧道钻爆施工出现的沉降和倾斜。同时,地表注浆加固措施还能防止隧道开挖变形和仰坡失稳,减轻隧道偏压,改善成洞条件,使隧道周围的岩层及开裂土层形成一个整体,提高岩土变形模量,改善不均匀性,从而降低地表下沉,进一步保证整个隧道施工过程中的安全稳定。

　　 1)爆破减振措施为降低爆破施工产生的振动,基于控制爆破进一步优化施工方法,主要是通过在隧道拱部周边布设减振孔形成减振隔离带,以及在掏槽区增设减振孔,来达到减振的目的。其原理就是利用爆破临空面和减振隔离带在爆破时对爆破振动能量的吸收及消耗,使隔离带后面的区域受到的振动大大减小。同时,减少了一次爆破的装药量,将爆破振速值控制在规范要求以内,在爆破时减少了对隧道上方高压电塔的扰动,从而确保了隧道钻爆施工的安全。

　　 2)微差爆破参数设计微差分段延时爆破可显著降低爆破振动效应,能有效防止对周围建筑结构物的破坏,其分段越多降振效果越明显。该方法与光面控制爆破技术一起使用,同时控制段最大药量能显著降低振动效应,是爆破振动控制方法中最主要的方法之一。

　　 注浆小导管采用外径42mm、壁厚4mm的无缝钢花管,注浆采用水泥浆液,水灰比0.75∶1,注浆压力1MPa。注浆范围:6号隧道南线里程桩号N1K12+665—N1K12+695段,宽度为以隧道轴线为中心,两侧各12m共24m,注浆面积720m³。从地表至隧道上方,注浆深度约10m,注浆小导管间距1.5m×1.5m。

　　 在设计注浆孔的排列时,一般原则是从外围进行围、堵、截,控制内圈施工时浆液不致扩散跑失,再施工内圈,以获得良好的注浆效果。本段注浆顺序为:整体注浆时先外围后内部,并采取隔孔注浆方式。

　　 一个注浆孔的完整注浆过程为:钻孔→洗孔→压水试验(选做)→注浆→封孔。小导管如需接长,采用管口卡连接,即钢管两头加工成外丝扣,管口卡加工成内丝扣。这种注浆方式有效控制了冒浆等问题,同时也解决了一次成孔长度过长下管难的问题。

　　 注浆结束标准以注浆终压和注浆量进行综合判定。

　　 根据设计要求,严格按照“短进尺、弱爆破、强支护,快封闭”的方针作业,减少对6号隧道浅埋偏压区间高压电塔和围岩的扰动,该区间为Ⅴ级围岩,采用上下台阶法掘进,开挖循环进尺2榀(1.2m),上台阶高度控制在4.0m,上台阶开挖面积为62m²,下台阶开挖面积为31m²,上台阶一次爆破方量约88m³。该段隧道预支护采用超前小导管,开挖采用光面爆破技术,爆破开挖后及时施作初期支护,确保安全。为降低爆破振动,减少同段孔数,采用毫秒延时非电导爆系统微差起爆方式,控制好最大单段起爆药量,确定好合理的爆破参数,炸药单耗控制在0.4～1.0kg/m³,爆破施工中根据实施爆破效果进行调整。

　　 为控制爆破振速,掏槽眼起爆采用中孔菱形掏槽,在距上断面开挖底线85cm处采用潜孔钻机打设1个160超前钻孔,一次钻孔长度约6m。布置超前钻孔的目的是增加临空面,减小爆破掏槽的振动速度。掏槽眼布置如图3所示,炮眼采用气腿式风钻成孔,成孔直径为42mm,孔距0.3m,孔深1.3m,掏槽眼采用平行直孔掏槽(装药)方式,单孔药量为0.6kg,填塞深度为0.5m。

　　 为减少爆破施工对周边岩层的扰动和高压电塔的影响,在该隧道上台阶掌子面拱顶布设2环减振孔,孔间距为350mm,第1环沿开挖轮廓线外侧350mm布设,第2环在开挖轮廓线内侧350mm布设,所有减振孔均不装药。共设置42个108减振孔,减振孔每次钻入深度6m。减振孔布置及施工情况如图4所示。

　　 为严格控制爆破振速,确保爆破过程中高压电塔安全,在隧道下穿高压电塔期间,每一循环钻爆掘进均需对电塔进行爆破振速测试。监测采用成都中科TC-4850测振仪及其配套的速度传感器、数据线,数据采集及处理采用计算机及配套软件,测点布设在高压电塔基础上。根据振速结果及时调整爆破参数,将振速值控制在5.0cm/s以内。TC-4850测振仪分3通道,x,y,z 3个方向。振速监测数据如图5所示。

　　 为了确保隧道施工过程中高压电塔安全,保证电力系统正常运营,项目部在施工过程中对其进行倾斜和沉降监测,在高压电塔基础4个角上布设沉降观测点。

　　 具体监控量测结果如图6,7所示。

　　 模拟开挖共30m、步距5m,根据实地情况设定相关参数,按照施工方案分6次掘进并支护,图8所示为模拟结束后左侧隧道中间剖面竖直方向位移云图,依据输出数据可知土体最大变形量为148.66mm。

　　 由图8可知,整体隧道开挖完成后,隧道下方土体,因两侧土体压力上涌,出现竖直方向正向位移,其最大位移量为24.689mm。其中,应力集中在各段支护中间处,所以土体位移支护中间段最大,各支护段连接处无明显位移,支护遏制了土体位移的继续发展。

　　 隧道上方整体出现竖直向下的位移,位移集中在隧道两端与基座正下方位置,最大位移量为148.66mm。因基座及上方铁塔压力影响,其正下方土体变形严重,应力集中在各段支护连接处。同时,因整体开挖与支护分段进行,在铁塔正下方区域对应两段开挖步骤,所以其中形变情况能看出显著的分区域情况,形变集中在每段开挖中间位置。同时因为土体自身重力作用,隧道两侧形变严重,但由于支护的存在,形变得到遏制,但在应力作用下隧道上方支护存在约10mm的竖直方向位移,且各段支护连接处变形较中间段大,与隧道下方变形相反。隧道上方土体呈现M形形变,但隧道支护图形变均匀,确保整体隧道的稳定性。

　　 铁塔底部基座在整体隧道开挖结束后,整体虽发生位移,整体下降40mm,但整个基座位移均匀,并根据开挖整个过程结果可发现基座各区域内位移偏差≤10mm,可推测铁塔在开挖过程中与开挖结束后不会发生倾覆,底座稳定。

　　 1)根据对施工期间的监测结果进行统计分析,爆破振速值均控制在要求的2.5cm/s以内的目标。其中,下穿高压电塔正下方时垂向振速最大,径向振速次之,切向振速最小;下穿电塔后振速有减小趋势,相对最大振速发生在掏槽眼起爆时。

　　 2)从以上监测数据可看出,下穿施工期间高压电塔塔基4个角点最终沉降位移、沉降速率基本一致,最大沉降位移在D3角点,为12.9mm,不超过规范要求的200mm;高压电塔最大倾斜0.060 1%,小于倾斜允许值1%,高压电塔不存在倾倒可能。