沈白高铁阿金隧道穿越大伙房水库输水二期工程输水隧洞安全评价研究

张荣坤

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

随着我国经济发展，公路、市政道路和铁路等路网密度不断提升，交通通道日益紧缺，不同方式间的交叉穿(跨)越逐渐增多[1]。大伙房水库输水二期工程是由大伙房水库向辽宁省抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等六城市输水的一项大型输水工程[2]，是辽宁中南部工农业供水重要水源工程。大伙房水库输水二期工程输水隧洞顶距高铁阿金隧道开挖底高程仅为28.96m，因此，有必要在隧道建设中开展专项安全技术影响评价，确保供水工程安全运行。

1 穿越段工程概况

1.1 大伙房水库输水二期工程

大伙房水库输水二期工程的工程等别为I等，主要建筑物级别为1级[3]。输水隧洞为有压洞，圆形断面，成洞洞径6m，全段总长30km[4]。输水隧洞围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主，只在桩号2+885处为Ⅴ类围岩，段长31m，该位置与交叉点水平距离49.4m；3+047处为Ⅳ类围岩，段长23m，该位置与交叉点水平距离212.4m。

1.2 沈白高铁阿金隧道

阿金隧道位于抚顺市东洲区，为单洞双线隧道，起讫里程为DK59+000～DK60+710，隧道最大埋深约56.5m。最高高程约188.5m，最低约120.0m，隧道进、出口均与路基工程相连[5]。隧道全段落位于R7000的右偏曲线上，进口至DK59+050范围纵坡为15.5‰的上坡，DK59+050至DK60+250范围纵坡为3‰的上坡，DK60+250至出口范围纵坡为18‰的上坡。

1.3 穿越段

阿金隧道于DK59+754.95上跨大伙房水库输水隧洞，围岩等级为Ⅴ级，由粉质黏土、混合岩(全风化—弱风化)组成，节理裂隙极发育，岩体极破碎软弱，呈块状散体结构。阿金隧道与大伙房水库输水二期工程平面交叉角约为87.15°，上跨位置处阿金隧道为3%的上坡段，阿金隧道轨面高程131.05m；该处大伙房水库二期输水工程隧洞洞底高程93.34m，洞径6.0m，洞顶高程99.34m，输水隧洞顶距阿金隧道轨面距离约为31.71m，距离隧道开挖底高程约为28.96m。

2 穿越段设计方案

2.1 总体方案

DK59+701.35～DK59+808.55段，采用单臂掘进机非爆破开挖，DK59+251.35～DK59+701.35段和DK59+808.55～DK60+258.55段，采取控制爆破，距离输水隧洞最近距离处爆破振速不大于2.5cm/s，严格控制一次装药量及开挖进尺，确保隧道施工不影响居民的正常生活及隧洞输水。阿金隧道为单洞双线隧道，隧道洞身采用毫秒延时微振控制爆破技术，严格控制最大单响药量。

2.2 爆破参数设计

2.2.1 Ⅲ级围岩爆破参数设计

阿金隧道Ⅲ级围岩段(DK59+260～DK59+540、DK60+040～DK60+150)爆破施工按照4m循环进尺进行，设计不同类别炮孔的炮孔数量、装药量、最大段药量、雷管段别及其数量等爆破参数(见表1)，单孔最大装药量65.6kg。

表1 Ⅲ级围岩台阶法爆破参数

2.2.2 Ⅳ级围岩三台阶法爆破参数设计

阿金隧道Ⅳ级围岩段(DK59+251.35～DK59+260、DK59+540～DK59+610、DK59+985～DK59+040、DK60+150～DK60+200)爆破施工按照3m循环进尺进行。

其中DK60+179.3～DK60+200Ⅳ级围岩段属于特殊控制段，循环进尺及相关参数参照Ⅴ级围岩，以现场试爆为准调整具体相关参数，如不能达到监控和要求标准，需按照施组要求按照电子雷管控制爆破重新设计不同类别炮孔的炮孔数量、装药量、最大段药量、雷管段别及其数量等爆破参数(见表2)，单孔最大装药量30.4kg。

表2 Ⅳ级围岩三台阶法爆破参数

2.2.3 Ⅴ级围岩三台阶法爆破参数设计

阿金隧道Ⅴ级围岩段(DK59+610～DK59+695、DK59+695～DK59+701.35、DK59+808.55～DK59+985)爆破施工按照1.2m循环进尺进行，设计不同类别炮孔的炮孔数量、装药量、最大段药量、雷管段别及其数量等爆破参数(见表3)，单孔最大装药量14.4kg。

表3 Ⅴ级围岩三台阶法爆破参数

3 安全评价

3.1 爆破影响

根据《水利水电工程施工通用安全技术规程》(SL 398—2007)[6]，爆破振动安全允许距离按下式计算：

式中R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破时Q为总药量，延时和毫秒爆破时为最大一段药量，kg；

V——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s，取2.5cm/s；

K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，此处为中硬岩，根据以往工程经验K值可以取200，α值取1.6。

各类围岩距离输水隧洞最近距离爆破振速验算成果见表4。

表4 爆破振动速度计算值

从表4可以看出不同断面对输水隧洞最大爆破振动速度均小于2.5cm/s，爆破振动不会对既有输水隧道设施的安全产生影响。

3.2 隧道完建期对输水隧洞正常运行的影响

3.2.1 力学分析法

铁路隧道建成后，隧道荷载主要为结构自重。阿金隧道交叉穿越位置为Ⅴ类围岩，新建沈阳至白河铁路工程隧道衬砌混凝土自重荷载为575kN/m，根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[7]，轨道结构自重荷载最大为14.3kN/m2，即使按照内轨顶面最大宽度9.4m满布计算，其荷载最大为134.42kN/m，其余细部结构荷载本次评价按衬砌混凝土自重荷载的0.5倍考虑，则沿隧道轴线方向荷载之和为575+575×0.5+134.42=996.9kN/m。而开挖出的岩石总重量约为141×27=3807kN/m。可见隧道完建期总荷载远小于隧道开挖出的石方重量，因此隧道完建后相对隧道开挖前，输水隧洞受到的铁路工程附加应力荷载为0。同时该段输水隧洞围岩分类为Ⅲ类及以上，岩石的成拱效应好，对输水隧洞衬砌结构不会产生影响，不影响输水隧洞的正常运行。

3.2.2 规范法

根据普氏理论，隧洞开挖后如不及时支护，洞顶岩体将不断塌落而形成一个拱形，称为塌落拱[8]。当隧洞埋深较大时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱，作用于支护衬砌结构上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。

a.根据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)[9]，浅埋和深埋隧道按照荷载等效高度值进行判别：

HP≥(2～2.5)hq

hq=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

在钻爆法施工条件下，Ⅰ～Ⅲ类围岩取：

HP=2hq

Ⅳ～Ⅴ类围岩取：

HP=2.5hq

式中HP——浅埋隧道分界深度，m；

hq——荷载等效高度，m；

S——围岩级别；

ω——跨度影响系数；

B——隧道宽度，m；

i——B每增加1m时的围岩压力增加率，以B=5m的围岩垂直均布压力为准，当B<5m时，取i=0.2；当5m

计算得

hq=0.45×23-1×[1+0.1×(7.2-5)]=2.196m

HP=28.96>2hq=2×2.196=4.392m

故铁路隧道开挖后，开挖底高程至输水隧洞顶高程的距离仍满足深埋隧洞条件。则有

q=γhq=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

计算表明，铁路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，输水隧洞属于深埋隧洞，隧洞衬砌结构的围岩压力只与荷载等效高度hq有关，而荷载等效高度hq未发生变化，不影响输水隧洞安全。

b.根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)[10]，浅埋和深埋隧道按照荷载等效高度值进行判别：

ha=0.45×2S-1ω

ω=1+i(B-5)

式中ha——荷载等效高度，m；

S——围岩级别；

ω——跨度影响系数；

B——隧道宽度，m；

i——B每增加1m时的围岩压力增加率，当B<5m时，取i=0.2；当B>5m时，取i=0.1。

计算得

ω=1+0.1×(7.2-5)=1.22m

ha=0.45×23-1×1.22=2.196m

h=28.96>2ha=2×2.196=4.392m

故铁路隧道开挖后，开挖底高程至输水隧洞顶高程的距离仍满足深埋隧洞条件。则有

q=γha=27×2.196=59.292kN/m2

e<0.15q=0.15×59.292=8.894kN/m2

计算表明，铁路工程隧道修建前后，交叉穿越位置，输水隧洞属于深埋隧洞，隧洞衬砌结构的围岩压力只与荷载等效高度hq有关，而荷载等效高度hq未发生变化，不影响输水隧洞安全。

c.根据《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)[11]，输水隧洞在交叉位置为钻爆法施工，围岩类别为Ⅲ类，输水隧洞围岩按照碎裂松散体考虑，作用在衬砌上的围岩压力按下式计算：

垂直方向

qv=(0.2～0.3)γRb

水平方向

qh=(0.05～0.1)γRh

式中qv——垂直均不围岩压力，kN/m2；

qh——水平均不围岩压力，kN/m2；

γR——岩体重度，kN/m3；

b——隧洞开挖宽度，m；

h——隧洞开挖高度，m。

由SL 279—2016可知，深埋隧洞垂直和水平向围岩压力，只与隧洞宽度和隧洞高度有关，而铁路工程隧道修建前后，输水隧洞属于深埋隧洞，因此不影响输水隧洞安全。

根据上述规范法计算结果，铁路工程穿越输水隧洞前后，水平和垂直围岩压力未发生变化。因此铁路工程隧道穿越大伙房水库输水二期工程输水隧洞，不会对输水隧洞结构造成影响。

4 结 语

阿金隧道在爆破过程中应严格按照爆破设计装药，控制单孔装药量，控制大伙房输水二期工程交叉处地质点振动速度小于2.5cm/s。采用力学分析法及规范法对阿金隧道完建期对大伙房输水二期工程输水隧洞正常运行分析，输水隧洞均属于深埋隧洞，不受施工影响。