摘要：本文依托青岛既有人防洞扩挖改造为地铁4号线人民会堂站施工斜井的工程案例，结合有限元分析和监控量测技术，分析既有人防洞采用扩挖改造时结构的受力与变形规律。研究表明：（1）基于跳槽法的单侧扩挖措施，保证了人防隧道及地面近邻建筑物的变形控制要求；（2）合理利用人防隧道临空面的光面爆破减振技术，爆破振速均在0.5cm/s要求以下；（3）通过计算和现场实测，最大主应力集中出现在边墙及底板靠墙角处的薄弱部位，支护2-开挖3侧墙及底板应力变化及地表沉降速率最大；（4）利用人防洞作为施工斜井解决了城市繁华地区施工占地困难的问题，降低造价，缩短建设周期，为类似工程施工提供较高的参考价值。
关键词：人防隧道；跳槽法；扩挖改造；爆破减振；斜井
Study on the reconstruction techniques of a civil air defense tunnel in urban area
Peng yue-song
（China Railway Tunnel Group，Zhengzhou 450000）
Abstract：Based on the practical project of transforming the existing civil air defense tunnel into inclined shaft in Qingdao metro line 4，combining the finite element analysis and auto-monitoring，we carried out a study about the internal force and deformation during the air defense tunnel reconstruction.The results indicated that：（1）the unilateral expanding excavation basing on the hopping method is reliable，it could satisfy the deformation requirement of tunnel and surficial building；（2）making the best use of smooth blasting technique and keep the blasting velocity under 0.5cm/s；（3）the maximum principal stress appears on the side wall and wall corner，the maximum principal stress changes most during suppoet-2 and excavation-3，so do the surficial settlement；（4）Modifing air defense tunnel into inclined shaft could mitigate the problem of land shortage，decrease cost of construction，shorten construction cycle，provide a reference to those similar project
Keywords：Civil air defense tunnel；hopping method；expanding excavation；blasting vibration reduction；inclined shaft
0 引言
随着经济水平发展和人口数量增长，城市土地资源短缺、交通拥堵现象等问题日趋严峻，而各地复杂的地质和施工环境无疑是地铁施工的严峻挑战[1]。随着城市地下空间的大力开发和利用，许多城市在进行城市轨道交通网络的建设时，发现若充分利用既有人防工程，不仅可以盘活国有资产，提高地下空间的利用率，而且降低工程投资，以实现人防工程平战结合[2]，越来越多的城市将如何改造利用既有人防工程作为城市轨道交通建设方案的重要课题研究。
国内外相关学者对此进行大量研究：陈志龙等人探讨了地铁与人防工程相结合的原则[3]；魏俊荣等人研究了人防已建工程平战转换改造技术[4]；杨挣依托哈尔滨1号线改造利用既有人防工程作为地铁区间工程，研究单侧扩挖力学行为[5]；范宏柱基于浅埋既有人防扩挖成重庆1号线小什字车站工程，研究洞室围岩稳定性[6]；李科等人针对逆作法改造人防隧道作为解放碑地下停车场工程分析人防结构内力及围岩变形情况[7]。然而如何在城市繁华地区进行人防工程改造，怎么利用既有人防工程临空面，减少对近接工程的震动及变形影响，是城市即有人防工程改造的重点和难点。
本文依托青岛地铁4号线人防隧道改造成斜井通道工程，利用数值模拟、现场实验结合现场监测等相结合的方法，探索近接工程人防隧道扩挖减振爆破技术，为城市复杂浅埋环境下开挖及寻找施工通道提供思路，为今后人防工程改造提供借鉴经验。
1 工程概况
人民会堂站为青岛3、4号线换乘站，车站为地下两层11m岛式站台暗挖车站，全长256.7m，折返线区间为单洞四线矿山法区间，区间长度为302.55m。由于站址范围环境复杂，临时施工场地受限，为满足施工要求，提高出渣效率，区间及人民会堂站采用人防斜井施工，其中斜井采用人防共建，斜井总长400.8m（其中人防段长178m），斜井最大坡度为12%，人防共建斜井总平面图见图1。
图1 人防共建斜井总平面图
人防隧道建于1960年，人防隧道拱部为模筑混凝土，侧墙为浆砌片石。人防隧道净高为3.5m×3.5m，根据运输设备尺寸，人防洞挑顶扩挖改造加固后可作为出渣土运输通道，人防隧道埋深3-12m，共穿越房屋6处，房屋基础形式以毛石基础为主，人防隧道现状及尺寸断面图详见图2。
隧道围岩主要为III级花岗岩。根据相关规范及人防评估鉴定报告[8-10]：1）人防隧道顶板潮湿，拱部存在裂缝；2）4处房屋为A级，2处为C级；3）爆破振速≤5mm/s，整体倾斜率≤4‰，局部倾斜率≤2‰，基础连续两个月地基沉降≤2mm/月。
图2 人防隧道现状及尺寸断面图
2施工方案
本工程扩挖改造施工关键需要解决两个问题：1）采用合理的爆破减振技术爆破既有人防结构和岩体，以达到安全振速要求；2）制定合理的扩挖改造施工方案，在保证洞室稳定前提下确保近接建构筑物安全。人防隧道扩挖施工严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、跳槽破除、单侧扩挖”，在合理利用人防隧道临空面的情况下，采用光面爆破控制技术进行。纵向人防改造采用跳槽法施工，施工槽段长为2.0m，施工分段间距15m，总计4施工槽段，具体施工步骤如图3。
（a）步骤 1跳槽破除底板， （b）步骤2 在槽段两侧架设临时
并扩挖至斜井底板处 型钢支撑，施作初支加固左侧
（c）步骤3 破除左侧人防洞结构 （d）步骤4 拆除临时支撑体系
并进行初支，封闭初支
图3人防隧道扩挖施工步骤
2.1人防扩挖改造段初期支护
人防扩挖改造段采用φ42小导管，相邻导管环向间距为0.4m，纵向间距为0.75m，格栅间距为0.75m，喷射200 mm厚C25早强混凝土。人防隧道与矿山法隧道接口部位架立两榀型钢钢架，新建斜井联立5榀格栅钢架，以抵抗接口部位应力集中，位置图详见图4。
图4 扩挖过渡段及接口部位型钢钢架布置平面
2.2 爆破减振设计
根据减震爆破理论[11]：当边界条件相同时，爆破最大振动速度值不取决于一次起爆的总药量，而决定于某单段的最大用药量。光面爆破参数详表1。
爆破器材：掏槽眼、掘进孔选用φ25 m 乳化炸药，起爆雷管选用15段非电毫秒雷管。
单段允许药量的限制：根据萨道夫斯基的经验公式[12]利用爆破安全振速反算单段最大炸药量不超过6kg。周边眼：0.5kg；辅助眼：0.4kg；掏槽眼：0.8kg；底板眼：0.4kg。采用不耦合间隔装药。
掏槽方式：槽眼采用多重楔形掏槽分层掏槽，掏槽区位于断面下部，掏槽区采用分层装药结构。
起爆方式：先起爆掏槽眼，再是扩槽眼，掘进眼，内圈眼，底板眼，周边眼的光面爆破。
III围岩光面爆破参数 表1
3 数值模拟与分析
采用MIDAS GTS，以地层结构法对人防隧道的改造扩挖进行分析，模型尺寸为100×80×50m，如图5。采用摩尔-库仑本构的实体单元模拟围岩弹塑性变形，各向同性的弹性板单元模拟喷混支护结构，植入式桁架单元模拟锚杆。结合地质勘探和工程类比，围岩及支护结构的物理力学参数如表2。
岩层和支护参数表 表2
图5有限元模型
按图3所示施工步进行模拟分析，首先凿除原衬砌及扩挖土体，钝化相应单元，下一步对扩挖后隧道进行支护，激活支护单元。图6为施工段全部完成后的施工段1衬砌主应力云图，图7为施工段1支护完成后各施工步下的最大主应力变化曲线。图8为不同施工段下的地表沉降槽，图9为改造完成后结构的最终变形量。
图6 薄弱处应力变化图
图7 接口处地表沉降槽mm
图8 结构最终变形图mm
从以上图可以分析如下：
1）从图6可以看出，初期支护完成后，由于衬砌受力较大而刚度较低，最大主应力集中出现在边墙及底板靠墙角处的薄弱部位。扩挖隧道采用跳槽法施工，不同槽段施工彼此间会产生影响。
2）从图7中可知：支护2-开挖3侧墙及底板应力变化速率最大，边墙处最大主应力大约增加0.35MPa，底板最大主应力大约增加0.7MPa，结构应力变化较大；施工段4支护后，衬砌薄弱处内力变化可忽略不计。因此相关施工段施工过程中，对已施工完初期支护的监测显得非常重要。
3）从图8及图9可知，随着各施工段的进行，地表不断向下沉降，在施工完成后，地表最大沉降值为6.63mm。改造完成并贯通斜井后，接口处拱顶沉降为4.11mm，接口处净空收敛为3.76mm。
4 监测
鉴于本工程近邻建筑物，危房变形控制等级高，为准确掌握扩挖过程中及初期支护后斜井净空变化、拱顶变化、地表及建筑物沉降、爆破振速等相关数据，具体监测点布置图详见图10。
图 10 人防隧道及地面建筑物监测点布置图
收敛及沉降监测结果 表3
注：
1）平均速率指标即是任意7d的位移平均变化量；最大速率指标即是任意1d或者1月的最大位移变化量；
2）括号外为整体倾斜率，括号内为局部倾斜率。
净空变化采用收敛计和全站仪进行水平收敛和三维多点监测，拱顶下沉采用水准测量仪进行监测，地表和建筑物基础沉降采用水准测量仪和钢尺进行监测，爆破振速采用爆破振动仪监测。将监测数据制成位移历程图11-图13，爆破振速曲线图14。
图11 建筑沉降监测点数据
图12 建筑物爆破监测点数据
图13 人防段结构变形监测
由图11-图13，结合上表3可知：
1）2017.9.21以后，结构变形和地表沉降趋于稳定，人防加固段洞内净空收敛为4.1mm＜20mm，拱顶沉降4.5mm＜30mm，采用单侧扩挖并采用光面爆破技术，既有人防隧道的扩挖改造过程是安全可靠的。
2）建筑物-鱼山路30号房屋整体倾斜率为（3.7-（-0.2））/10000=0.4‰＜4‰，局部倾斜率为（3.7-（-0.7））/25000=0.18‰＜2‰，从8月份-10月份连续两个月沉降，每个月沉降最大值为1.86mm＜2mm。房屋最大爆破振速为4.8mm/s＜5mm/s，房屋变形及爆破振动均在安全可控范围之内。
5 结论
本文通过数值模拟结合现场监测，不仅在人防扩挖施工过程中保证了隧道快速安全施工，同时也保证了地面建筑物安全，得到以下结论：
1）利用人防洞作为施工斜井解决了城市繁华地区施工占地困难的问题，降低造价，缩短建设周期，为类似工程施工提供较高的参考价值；
2）基于跳槽法的单侧扩挖措施，通过现场监测，房屋整体倾斜率为0.4‰＜4‰，局部倾斜率为0.18‰＜2‰，每个月沉降最大值为1.86mm，保证了地面近邻建筑物的变形及振速控制要求；
3）合理利用人防隧道临空面的光面爆破减振技术，爆破振速为4.8mm/s，满足地面建筑物爆破振速控制要求；
3）4）通过计算和现场实测：最大主应力集中出现在边墙及底板靠墙角处的薄弱部位，支护2-开挖3侧墙及底板应力变化及地表沉降速率最大。
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论文作者:彭跃松
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：人防论文; 隧道论文; 斜井论文; 工程论文; 应力论文; 底板论文; 地表论文; 《基层建设》2018年第4期论文;