淺析鴨江隧道洞身開挖施工工藝和方法

張慶明，陳蔚林，孫少瑾

(1重慶建工集團股份有限公司重慶401122 2重慶渝蓉高速公路有限公司重慶400070 3遼寧省交通規(guī)劃設計院110166)

淺析鴨江隧道洞身開挖施工工藝和方法

張慶明1，陳蔚林2，孫少瑾3

(1重慶建工集團股份有限公司重慶401122 2重慶渝蓉高速公路有限公司重慶400070 3遼寧省交通規(guī)劃設計院110166)

1 工程概況

重慶南川至涪陵高速公路LJ5施工段鴨江隧道左線ZK13+868～ZK14+924.81、右線YK13+867.1～YK14+925.5，屬于長隧道，進出口均屬重慶市武隆縣鴨江鎮(zhèn)所轄。進洞口以南約200m斜坡坡腳為老國道319線，出洞口以南約60m為在建南涪鐵路鴨江隧道，正前方為鐵路施工棄渣場，渣場向東約140m為鴨江至武隆公路。鴨江隧道左洞長1056.81m，右洞長1058.4m，設計等級為雙向四車道高速公路，設計荷載為公路Ⅰ級，設計行車速度為80km/h，隧道建筑限界凈寬為10.25m，凈高為5.0m。

隧址區(qū)分布地層主要為第四系殘坡積層及侏羅系中統(tǒng)新田溝組，雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖及深灰、灰黃、灰綠色夾薄層-中厚層砂巖、粉砂巖及少量生物碎屑灰?guī)r透明體，含砂質(zhì)團塊、結(jié)核，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，薄-中厚層構(gòu)造，隧址區(qū)未見滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。隧道穿越地帶相對高差達320m，隧道最大埋深200m。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕侵蝕深切低山斜坡地貌，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖地段。

2 隧道開挖

鴨江隧道左右線采取從出口往進口方向單向掘進組織施工，根據(jù)鴨江隧道工程項目實際情況及工期要求，組織兩個隧道施工隊進場同時施工，施工高峰期達270人。掌子面施工間距控制在100m以上。隧道掘進采用光面爆破為主要方式，結(jié)合無軌運輸高效施工，鴨江隧道圍巖主要以Ⅳ級和Ⅴ級為主，為保證施工安全，全隧道主要以臺階法施工為主，洞口土質(zhì)或易坍塌軟弱Ⅴ級圍巖地段上臺階采用預留核心土法或單側(cè)壁導坑法進行施工，下臺階采用左右馬口側(cè)墻預留保護層不對稱開挖；Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖洞身深埋地段上臺階采用全斷面一次爆破，下臺階采用左右馬口不對稱開挖。下面具體介紹鴨江隧道所采用的三種開挖方法。

2.1 臺階法開挖

Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖洞身深埋地段均采用臺階法開挖方式。該地段在進行超前預支護后開挖上臺階土石方，上臺階開挖主要以光面爆破為主要掘進手段，最后進行上臺階初期支護；臺階長度定為50m～80m；下臺階采用左右馬口不對稱開挖，開挖后立即進行初期支護，使圍巖盡早封閉成環(huán)，見臺階法施工步序(圖1)。

圖1 臺階法施工步序圖

施工工序如下：

（1）上臺階全斷面開挖

（2）上導坑錨噴支護、鋼架支撐

（3）下導坑左側(cè)開挖

（4）下導坑左側(cè)錨噴支護、鋼架支撐

（5）灌注左側(cè)仰拱及回填混凝土

（6）下導坑右側(cè)開挖

（7）下導坑右側(cè)錨噴支護、鋼架支撐

（8）灌注右側(cè)仰拱及回填混凝土

（9）拱墻二次襯砌

2.2 環(huán)形導坑預留核心土法開挖

洞口土質(zhì)或易坍塌軟弱Ⅴ級圍巖地段采用環(huán)形導坑預留核心土法開挖。上半斷面采用光面減震爆破和機械開挖為主要手段（施工中能采用機械開挖的盡量采用機械開挖），待施工完拱部初期支護后，再開挖核心土，每次必須確保預留不下于5m的核心土巖柱；下臺階采用左右馬口側(cè)壁預留保護層不對稱開挖，側(cè)壁保護層厚度為70～100cm，采用人工開挖進行修整，開挖后立即進行初期支護，使圍巖盡早封閉成環(huán)，見環(huán)形導坑預留核心法施工步序（圖2）。

圖2 環(huán)形導坑預留核心土法施工步序圖

施工工序如下：

（1）上弧形導坑開挖。

（2）上弧形導坑拱部錨噴支護、鋼架支撐。

（3）核心土開挖。

（4）下導坑左側(cè)開挖。

（5）下導坑左側(cè)錨噴支護、鋼架支撐。

（6）灌注左側(cè)仰拱及回填混凝土。

（7）下導坑右側(cè)開挖。

（8）下導坑右側(cè)錨噴支護、鋼架支撐。

（9）灌注右側(cè)仰拱及回填混凝土。

（10）拱墻二次襯砌。

注意事項：開挖仰拱時，注意防止邊墻受擠壓而內(nèi)移；開挖過程中嚴格執(zhí)行“管超前、短掘短支、及時封閉”的措施，每次開挖進尺不超過1m，采用局部小爆破及人工配合挖掘進行開挖，減少對周邊圍巖的破壞和擾動。

2.3 單側(cè)壁導坑法

洞口土質(zhì)或易坍塌軟弱Ⅴ級圍巖地段采用單側(cè)壁導坑法開挖。施工中把掌子面劃分為四個區(qū)，四個區(qū)依次進行錯位流水作業(yè)，首先在小導管超前預支護的前提下進行左側(cè)壁上半斷面的開挖、支護；待左側(cè)上半斷面完成5～10m后再進行左側(cè)壁下半斷面開挖和支護；當左側(cè)壁下半斷面施工長度達到5m后，再進行右側(cè)壁上半斷面的開挖和支護；最后進行右側(cè)壁下半斷面開挖和支護，右側(cè)壁上半斷面同樣比下半斷面超前5～10m。施工中必須一掘一支護，嚴禁空頂作業(yè)，見單側(cè)壁導坑法施工步序（圖3）。

圖3 單側(cè)壁導坑法施工步序圖

洞口V級圍巖淺埋段按單側(cè)壁導坑法開挖，施工順序如下：

（1）左側(cè)上導坑開挖與初期支護

超前小導管預注漿完成后，開始導坑開挖。

導坑初支，隧道噴射混凝土分兩次完成，初噴1～3cm，鋼架支撐安設后復噴至25cm，中隔墻一次噴夠5cm。

安設隧道1段工字鋼及中隔墻1段工字鋼。

（2）左側(cè)下導坑開挖與初期支護

待上導坑施工長度完成5～10m后開始導坑開挖。

導坑初支，隧道噴射混凝土分兩次完成，初噴1～3cm，鋼架支撐安設后復噴至25cm，中隔墻一次噴夠5cm。

安設隧道2段工字鋼及中隔墻2段工字鋼。

（3）右側(cè)上導坑開挖與初期支護

待左側(cè)下導坑開挖長度到達5m后，開始右側(cè)上導坑開挖。

導坑初支，隧道噴射混凝土分兩次完成，初噴1～3cm，鋼架支撐安設后復噴至25cm。

安設隧道1段工字鋼。

（4）右側(cè)下導坑開挖與初期支護

待上導坑施工長度完成5～10m后，開始導坑開挖導坑初支，隧道噴射混凝土分兩次完成，初噴1～3cm，鋼架支撐安設后復噴至25cm。

安設隧道3段工字鋼。

澆筑仰拱混凝土。

澆筑拱墻混凝土。

施工中注意事項：

一是循環(huán)長度根據(jù)襯砌臺車長度確定，最好開挖超過二次襯砌長度不大于12m，一般要求二次襯砌緊跟開挖進行。

中隔墻設置18號工字鋼與隧道18工字鋼對應形成導坑初期支護的加勁措施，中隔墻工字鋼采用鋼板焊接連接。

中隔墻初期支護：Φ22砂漿錨桿，長0.8m，環(huán)向間距1.0m，縱向間距0.8，C20噴混凝土5 cm。

支撐拆除要按照“先頂后拆”的原則進行。

開挖仰拱時，應注意防止邊墻受擠壓而內(nèi)移。

18工字鋼縱向以Φ22鋼筋連接，該鋼筋環(huán)向間距為1.0m。

此方法工作面窄，工序多，支撐用料大，造價、測量困難，但其最大的優(yōu)點是劃整為零，減小開挖跨徑而達到防止塌方的目的。因此，本方法原則上僅用于地質(zhì)條件差的洞口V級圍巖淺埋段和局部破碎帶。

3 爆破設計

鉆爆采用自制多功能臺架配合風動鑿巖機進行鉆孔，以光面爆破為主要控制手段，裝載機配合自卸汽車出碴為主要運輸形式。錨桿使用風動鑿巖機鉆孔，人工安裝和注漿，噴射混凝土采用混凝土濕式噴射機噴射作業(yè)；襯砌采用全斷面鋼模組裝式襯砌液壓臺車，泵送混凝土灌筑進行施工。

3.1 爆破方式

隧道開挖主要采用光面爆破，以確保開挖輪廓平整圓順，Ⅳ級圍巖地段單循環(huán)進尺不大于3.0m；Ⅴ級圍巖洞身深埋地段單循環(huán)進尺不大于2.0m；洞口土質(zhì)或易坍塌軟弱Ⅴ級圍巖地段單循環(huán)進尺不大于1.0m。施工中周邊眼采用Φ25mm小藥卷進行間隔裝藥，掏槽眼、輔助眼、底板眼采用Φ32mm藥卷連續(xù)裝藥。

3.2 設計原則

爆破飛石距離控制：以爆破工作面為基準，爆破飛石距離控制在S≤50m，由于在隧道內(nèi)爆破，以不損壞成形隧道結(jié)構(gòu)及隧道內(nèi)施工設備為原則。

爆破地震波控制：根據(jù)周圍建筑物及設施結(jié)構(gòu)和特性，按照《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)定爆破振動安全允許標準，對居民一般磚房的爆破震動速度控制在V≤2.5cm/s，對相鄰鐵路隧道的爆破震動速度控制在V≤15cm/s。

爆破沖擊波控制：由于在隧道內(nèi)爆破，無受沖擊波影響的建筑物，一次齊發(fā)藥量較小，沖擊波的危害可忽略不計。

3.3 最大單響藥量計算

經(jīng)過現(xiàn)場考察和資料顯示，隧道口離最近民房有110m，隧道右線距鐵路隧道最近處約40m，隧道左右線最小間距約17.5m，為防止爆破施工對以上近距離構(gòu)筑物的影響，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定及世界著名爆破專家薩道夫斯基公式計算，并嚴格控制最大起爆單響裝藥量。

Q=R3(V/K)3/a

式中：

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總裝藥量，延時爆破為最大一段單響藥量，kg；

R——控制點與爆源中心的距離，m；

V——保護對象所在地質(zhì)點安全允許振動速度，cm/s；

K，a——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；

根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件，參照《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)定，取：

K=250，a=1.8

代入上式，計算出最大允許單響藥量（見表1）。

表1 最大允許單響藥量

3．4鉆爆參數(shù)選擇

爆破參數(shù)的確定采用理論計算方法、工程類比法與現(xiàn)場試爆相結(jié)合，在保證爆破振動速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開挖成型質(zhì)量和施工進度。

除周邊眼之外的炮眼裝藥量均可按以下公式計算（周邊眼按照光面爆破設計）：

q=k×a×w×L×ё（kg）

式中q——單眼裝藥量（kg）：

k——炸藥單耗（kg/m3）；

a——炮眼間距（m）；

w——炮眼爆破方向的抵抗線（m）；

L——炮眼深度（m）；

ё——炮眼部位系數(shù)（參照表2所示）。

表2 隧道炮眼部位系數(shù)

炮眼堵塞：堵塞作用使炸藥在受約束條件下作充分爆炸，進而提高能量利用率，因此堵塞長度不小于20cm，堵塞材料采用炮泥（組分砂∶粘土∶水=3∶1∶1）。堵塞質(zhì)量要求密實，不能有空隙和間斷，見Ⅳ、Ⅴ級圍巖炮孔布置（圖4）。

圖4 IV、V圍巖隧道開挖斷面圖

3．5裝藥結(jié)構(gòu)

周邊光爆孔采用間隔裝藥，并用導爆索、竹片把Φ25藥卷綁扎成炸藥串裝入孔中，孔口用炮泥堵塞。其裝藥結(jié)構(gòu)見光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意（圖5）。

圖5 光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3．6光面爆破質(zhì)量標準和技術(shù)要求

爆破后的圍巖面應圓順平整，無欠挖，超挖量控制在設計要求范圍內(nèi)。圍巖為整體性好的堅硬巖石時，炮眼痕跡率應大于85%，中硬巖石應大于80%，軟巖應大于60%。圍巖面上無粉碎巖石和明顯的裂縫，也不應有浮石（巖性不好時應無大浮石）。

測量現(xiàn)場畫出開挖斷面中線和輪廓線，根據(jù)鉆爆設計圖標出炮眼位置，開挖班組根據(jù)炮孔位置進行鉆孔，鉆孔完畢后再按炮眼布置圖進行檢查，合格后方可裝藥連線爆破。

爆破后進行敲邦找頂檢查，對存在的險情或隱患及時采取措施進行處理，并采用激光斷面儀檢查爆破效果和超欠挖情況，根據(jù)檢查結(jié)果不斷修正爆破參數(shù)，以便更好達到光爆效果。

4 裝碴運輸

4．1主洞采用無軌運輸，裝碴采用挖掘機配合裝載機，出碴采用15t自卸汽車。

4．2設備配置及循環(huán)時間計算

4．2．1計算單車循環(huán)時間T0

T0=t1+t2+t3+t4+t5(m in)

式中：t1—裝車時間(m in)，此處取3m in；

t2—載重行駛時間（m in），此處洞外取0．5km，洞內(nèi)為1．0km，則L=1．5km；V1:載重時的平均速度（km/h），此處取10km/h，所需9m in；

t3—卸車時間（m in），此處取1m in；

t4—空車返回時間（m in），V2：空車的平均速度（km/h），此處取20km/h，L=1．5km，所需時間4．5m in；

t5—其他可能發(fā)生的停車時間（m in），取1m in；

代入各數(shù)值后，計算得T0=18．5m in。

4．2．2車輛需要量計算

所需車輛數(shù)量為：

n=(t2+t3+t4+t5)/(t1+t6)+1

式中：t6—自卸汽車進入裝料點的對位時間（m in），此處取1m in，其余與上相同。

代入數(shù)值計算得：n≈5輛。

4．2．3計算循環(huán)時間T

T=QγT′/qK1K2

式中：Q—計劃生產(chǎn)量（m3），此處按Ⅳ級圍巖考慮，進尺按2．7m，則為265m3

T′—t1+t6（h），此處為(3+1)/60=0．067

γ—圍巖容重（t/m3），此處取2．7

q—汽車載重量（t），此處為15

K1—汽車噸位利用系數(shù)，此處取0．85

K2—時間利用系數(shù)，此處取0．9

代入數(shù)值計算得：T=2．5h。

即每個循環(huán)的出渣時間可在2．5h之內(nèi)完成。

4．2．4結(jié)論

在洞內(nèi)最大距離情況下，配備5臺15 t自卸汽車可在2．5h內(nèi)完成進尺2．7m的裝碴任務。在開挖過程中，由于洞內(nèi)長度未達到最大值，故適當保證自卸汽車的數(shù)量即可滿足在2．5h內(nèi)完成裝碴作業(yè)的要求。

5 結(jié)語

鴨江隧道是從出口往進口方向單向施工，考慮到隧道進口地勢陡峭，高差較大，為隧道最后貫穿專門修建施工便道及創(chuàng)建洞口施工作業(yè)面成本較高，所以決定采用左右線隧道施工至距進口最后60m地段采用小導洞先行貫穿的施工方法。小導洞斷面20m2左右，待小導洞貫穿后，將洞口及明洞施工的物資和設備通過小導洞轉(zhuǎn)送到隧道進口，待進洞口邊仰坡防排水系統(tǒng)和超前管棚施作完畢后，再行繼續(xù)主洞施工。主洞施工嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支護、快封閉”的原則進行。

[1]JTC F60-2009,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]．

[2]王毅才．隧道工程[M]．北京:人民交通出版社．2000．

[3]陳小雄．現(xiàn)代隧道工程理論和隧道施工[M]．成都:西南交通大學出版社,2006．

[4]李曉紅．隧道新奧法及其量測技術(shù)[M]．北京:科學出版社,2001．

責任編輯：余詠梅

On Technicsand Methods in Excavation of Ya Jiang Tunnel

本文以鴨江隧道為例，介紹了用洞身開挖方法爆破設計及其施工工藝的控制。關(guān)鍵詞：圍巖；臺階法；單側(cè)壁導坑法；光面爆破

Citing the Ya Jiang tunnelasan example,thewriteranalysis the tunnelexcavation of themethodsand procedures.In the paper,the tunneling construction,theblastingmethod,design princip les,and themaximum amount calculationsare introduced.

surrounded rocks;steps law;one-tailed the reportof the pit;smooth surfaceof the blast;the largestnumber of the bill takes

U453

A

1671-9107（2011）09-0021-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.09.021

2011-06-29

張慶明，男，高級工程師，博士，主要從事施工技術(shù)管理。陳蔚林(1976-),男，工程師，主要從事土木工程的施工。