小半徑曲線非對(duì)稱連拱隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)研究

李明 龐才林 宋利邦 趙曉彬

摘要：重慶市馬家?guī)r隧道立交工程是目前國內(nèi)最小半徑的曲線連拱隧道，施工過程中通過采取先進(jìn)可靠的開挖方法、優(yōu)化光面爆破參數(shù)和先進(jìn)的測(cè)量、監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小半徑隧道超欠挖的有效控制，滿足了工期、質(zhì)量和安全要求，取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：小半徑連拱隧道，中導(dǎo)洞，光面爆破，TPS測(cè)量，監(jiān)測(cè)

一、工程概況及地質(zhì)條件

1.1，工程概況

重慶沙坪壩區(qū)馬家?guī)r立交由小半徑曲線非對(duì)稱連拱隧道和二個(gè)下穿道組成。其中，隧道分A、B匝道雙洞隧道。A匝道隧道全長(zhǎng)150.242m，隧道進(jìn)口凈寬10.5m，位于直線段上。隧道出口處于半徑R=23.5m的園曲線上，隧道凈寬9.61m，凈高7.21m。整個(gè)隧道的平曲線從設(shè)計(jì)起點(diǎn)開始依次為R=∞，L=25m，R=57.5m，R=∞，L=23.5m。 B匝道隧道出口在直線段上，隧道進(jìn)口在半徑R=25m的園曲線上。隧道全長(zhǎng)114.011m，整個(gè)隧道的平曲線從原設(shè)計(jì)起點(diǎn)開始依次為R=∞,R=25m，B匝道隧道凈寬11.42m，凈高7.77m。見A、B匝道隧道平面圖及斷面圖。

1.2，工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形高差大，最高處高程為378.60m，最低處為327.98m，相對(duì)高差50.62m。

場(chǎng)地整體上東高西低。A、B匝道穿越了現(xiàn)有的路線及鄰近一小山丘?，F(xiàn)有線路部分地形較平坦，地形坡角一般小于10°。丘陵部分地形較陡，自然斜坡部分坡角一般約35°—40°，局部人工開挖的邊坡部分達(dá)70°。

場(chǎng)地位于沙坪壩背斜東翼。據(jù)基巖露頭調(diào)查得知，地層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀108°＜10°。場(chǎng)區(qū)發(fā)育有兩組裂隙，場(chǎng)區(qū)內(nèi)無斷層及構(gòu)造破碎帶，裂隙不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

根據(jù)地表調(diào)查及鉆孔揭露，路線區(qū)鉆探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)土層（Q4）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）的基巖。

擬建場(chǎng)地位于淺丘斜坡地帶，無崩塌、泥石流、滑坡、巖溶洞穴、煤與瓦斯、有毒有害氣體 、地溫異常等不良地址現(xiàn)象。

二、隧道開挖斷面及方法

2.1，中導(dǎo)洞工藝代替原三導(dǎo)洞工藝

本工程原設(shè)計(jì)是“三導(dǎo)洞”施工工藝，但該工藝存在諸多不足，主要是工序繁多，需要撤除的臨時(shí)支護(hù)多，工作面狹小，不能使用大型機(jī)械，工效低，費(fèi)用高，施工周期長(zhǎng)。由于本工程位于主城區(qū)交通中心，工期緊張，采用三導(dǎo)洞施工工期不能保證。

通過對(duì)工程的圍巖情況研究，并根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，向建設(shè)方，監(jiān)理方提出將施工工藝改為中導(dǎo)洞工藝施工。即中導(dǎo)洞先行無側(cè)壁導(dǎo)洞的工藝，二次襯砌是采用大型液壓式鋼模板臺(tái)車全斷面一次性澆筑。

相對(duì)三導(dǎo)洞施工法，采用中導(dǎo)洞施工法具有以下優(yōu)點(diǎn)；工序較少且簡(jiǎn)單，施工干擾少，省去了側(cè)導(dǎo)洞開挖和部分臨時(shí)初期支護(hù)及拆除工序，施工空間大，便于使用大型機(jī)械設(shè)備，施工質(zhì)量易于保證。在確保施工安全的同時(shí)，可加快進(jìn)度、縮短工期、提高效益、降低造價(jià)。

2.2，本工程中導(dǎo)洞施工工藝要點(diǎn)

根據(jù)馬家?guī)r立交隧道工程中導(dǎo)洞開挖貫通的實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)隧道主洞開挖方法再次進(jìn)行研究，通過B洞出口試驗(yàn)段，證明采用中導(dǎo)洞上下臺(tái)階法開挖主洞是安全可行的，而且可以加快進(jìn)度，針對(duì)隧道主洞開挖試驗(yàn)段提出以下工藝要點(diǎn)：

2.2.1根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃安排選擇在B隧道出口段15m范圍內(nèi)作為試驗(yàn)段；臺(tái)階開挖的高度設(shè)在起拱線的位置，上臺(tái)階長(zhǎng)度要大于10m；

2.2.2嚴(yán)格控制爆破進(jìn)尺和超欠挖，每循環(huán)進(jìn)尺的最大長(zhǎng)度控制在1.5-2.0m；爆破采用光面爆破法，雷管的分段為15段。

2.2.3初期支護(hù)加強(qiáng)：原類圍巖的型鋼支護(hù)的間距60cm變成50cm，其他超前小導(dǎo)管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護(hù)參數(shù)不變，Ⅳ級(jí)圍巖的型鋼支護(hù)的間距80cm、變成60cm，超前小導(dǎo)管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護(hù)參數(shù)同V級(jí)圍巖；

2.2.4加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)工作，加大試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)的頻率，及時(shí)量測(cè)信息指導(dǎo)施工，通過反饋信息來不斷完善設(shè)計(jì)，達(dá)到施工安全、快速、經(jīng)濟(jì)的目的。必測(cè)項(xiàng)目有拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂位移、支護(hù)內(nèi)應(yīng)力量測(cè)、錨桿拉拔力及地震波檢測(cè)。

2.2.5在軟弱圍巖條件下，堅(jiān)持“管超前，嚴(yán)注漿；短開挖，弱爆破；強(qiáng)支護(hù)，早封閉；勤測(cè)量，二襯緊跟；信息及時(shí)反饋，及時(shí)修正”的原則；

2.2.6開挖后，立即進(jìn)行初期支護(hù)，縮短圍巖暴露時(shí)間，確保噴射混凝土的強(qiáng)度和厚度，并緊貼巖面；

2.2.7仰拱超前，二次襯砌距開挖面不超過30cm；

2.2.8如發(fā)現(xiàn)局部邊墻圍巖變差，應(yīng)用拱腳鎖腳錨桿加強(qiáng)初期支護(hù)，控制拱頂下沉；

2.2.9左右洞掌子面開挖，應(yīng)錯(cuò)開50m以上，確定左右洞開挖間距的原則是，先行洞二次襯砌達(dá)到一定強(qiáng)度后，再進(jìn)行后行洞開挖，以減少后行洞開挖對(duì)先行洞的不利影響。

三、普通鉆爆設(shè)計(jì)

3.1，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺

本工程圍巖采用短進(jìn)尺，多循環(huán)掘進(jìn)。由于本隧道工程為曲線小半徑，為控制超挖值，對(duì)A洞、B洞的掘進(jìn)進(jìn)尺分別進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算步驟略）。

經(jīng)計(jì)算側(cè)墻鉆角定為外側(cè)傾角0°即沿曲線切線方向鉆孔，拱部外側(cè)傾角為2°，對(duì)B洞臺(tái)階法施工掘進(jìn)尺外側(cè)2.0m，內(nèi)側(cè)1.21m。

3.2，炮孔深度,直徑

鉆孔采用YT-28風(fēng)鉆，炮眼孔徑為φ42mm，為克服巖石的夾制作用，除陶槽眼深度取掘進(jìn)進(jìn)尺加200mm以外，其余各炮眼深度取值按以上掘進(jìn)進(jìn)尺計(jì)算值確定。在實(shí)際操作中應(yīng)視掌子面的凹凸情況，調(diào)整各炮眼鉆孔長(zhǎng)度，使所有炮眼（除陶槽眼外）眼底處于外側(cè)切線的法線面上。

四，光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破是通過調(diào)整周邊眼的各爆破系數(shù)，使爆炸先沿各孔中心連線形成貫通的破裂縫，然后內(nèi)圍巖體裂解，并向臨空面方向拋擲。光面爆破的目的是使爆破后的巖石表面按設(shè)計(jì)輪廓線成型，表面能較平順，超挖量最小，對(duì)坑道圍巖的撓動(dòng)較小。

確定合理的光爆參數(shù)是獲得良好光面爆破效果的重要保證。光面爆破的主要參數(shù)有：周邊眼間距（E）、周邊眼密集系數(shù)（m）、最小抵抗線（W）、不偶合系數(shù)（D）和裝藥集中度（q）。

4.1，連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)

不耦合結(jié)構(gòu)能夠比較均勻地降低炮孔壁所承受的峰值壓力，有助于保護(hù)孔壁少受徑向爆破裂隙的破壞。對(duì)陶槽眼及輔助眼應(yīng)采用較小的值，以提高炸藥的爆破效率，對(duì)周邊眼則可采用較大的值，以減小對(duì)圍巖的破壞。

炸藥在炮孔中爆炸后形成的爆炸沖擊波的平均壓力為：

其中：n：爆生氣體與炮孔壁碰撞時(shí)的壓力增大系數(shù)，n=8-10。

P：炮孔內(nèi)炸藥形成的平均值。

：炸藥的爆速。

：裝藥炮孔直徑。

：炸藥藥卷平均密度（0.9-0.95g/cm3）。

光面爆破技術(shù)的關(guān)鍵是炸藥爆破時(shí)對(duì)炮孔壁面產(chǎn)生的沖擊壓力不大于巖石的抗壓強(qiáng)度。P≤kbsc。

Kb：體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石的抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，kb=10。

Sc：巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，在掘進(jìn)過程中通過的巖石f=8～10。

4.2，間隔裝藥的單位裝藥長(zhǎng)度

間隔裝藥單位裝藥卷直徑32mm炮孔直徑40mm，不能滿足連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)，所以采用空氣間隔裝藥，當(dāng)炸藥爆炸后，作用在炮孔壁上的沖擊力為：

式中：、分別為裝藥長(zhǎng)度和空氣間隔長(zhǎng)度，炸藥能量10%用于壓碎圍巖。

4.3，線裝藥密度（裝藥集中度）

嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，即周邊眼裝藥量應(yīng)具有破巖所需的應(yīng)力能量，又不致造成對(duì)圍巖的嚴(yán)重破壞壞，施工中應(yīng)根據(jù)炮眼孔E，光面層厚度（即最小抵抗線）W，石質(zhì)及炸藥種類等因素綜合考慮，一般單位炮眼長(zhǎng)度裝藥量控制在0.04kg/m~0.4gk/m，稱為線裝藥密度,或稱裝藥集中度

qj=0.265×2*0.15/200/2=0.199kg/m=0.2kg/m。

4.4，炮眼間距

周邊的孔距E是沿劈裂面炮眼中心距，抵抗線W是劈裂面離開臨空面的距離即光面層的厚度。一般孔距要小于或等于抵抗線，以使相鄰兩孔產(chǎn)生的應(yīng)力波相遇后再達(dá)到抵抗線邊緣，炮眼間距取550 mm

4.5，最小抵抗線

為了保證周邊眼孔之間貫通裂縫優(yōu)先形成，須使周邊眼的最小抵抗線大于炮眼間距

W=

式中：w：最小抵抗線。

：線裝藥密度

c：爆破系數(shù)c=0.2-0.5kgm-3。

：炮眼長(zhǎng)度。

4.6，炮眼密度系數(shù)

炮孔密集系數(shù)（周邊眼）是孔距與抵抗線的比值。

五、炮眼布置及鉆爆作業(yè)

5.1,炮孔布置

周邊眼按輪廓線上徑向間距55cm布置，A洞孔數(shù)49個(gè)，B洞孔數(shù)54個(gè)；中導(dǎo)洞孔數(shù)37個(gè)

陶槽眼：孔數(shù)為12個(gè)，中線上設(shè)三個(gè)空孔；除去陶槽孔12個(gè)和周邊孔，其余均為輔助孔：

A洞全斷面法，布置輔助孔74個(gè)

A洞臺(tái)階法，布置輔助孔44個(gè)

輔助孔數(shù)目根據(jù)巖性布孔，臺(tái)階法施工時(shí)布孔間距0.8~1.0m，全斷面法施工時(shí)，布孔間距為1.0~1.2m，布孔時(shí)要留出光爆層厚度約750mm。

5.2,炮孔布置圖

5.3，起爆順序、時(shí)差

5.3.1起爆順序

（1）在同一個(gè)開挖斷面上，起爆順序是由內(nèi)向外逐層起爆；這個(gè)起爆順序可以用遲發(fā)雷管的不同延發(fā)時(shí)間（段別）來實(shí)現(xiàn)。

（2）試驗(yàn)和研究表明：各層（卷）炮之間的起爆時(shí)差越小，則爆破效果越好；常采用的時(shí)差為40ms~200ms，稱為微差爆破。

（3）在內(nèi)外圈中的同圈炮必須同時(shí)起爆，尤其是陶槽眼和周邊眼，以保證同圈炮的的共同作用的爆破效果。

（4）延發(fā)時(shí)間可由孔內(nèi)控制和孔外控制；孔內(nèi)控制是將遲發(fā)雷管裝入孔內(nèi)的藥卷中來實(shí)施微差爆破，孔外控制是將遲發(fā)雷管裝在孔外，在孔內(nèi)藥卷中裝入即發(fā)雷管來實(shí)現(xiàn)微差爆破；本工程用孔內(nèi)控制微差爆破。

（5）采用周邊眼同時(shí)起爆。要求采用毫秒雷管微差順序起爆，應(yīng)使周邊爆破時(shí)產(chǎn)生臨空面，同段的周邊眼雷管起爆時(shí)差應(yīng)盡可能小，使用導(dǎo)爆索起爆效果好；因?yàn)橥瑫r(shí)起爆，使炮眼間爆破力起共同作用，比較容易炸成平面。

（6）光面爆破的分區(qū)起爆順序是：陶槽眼→輔助眼→周邊眼←底板眼。輔助眼由內(nèi)向外層層起爆，輔助眼應(yīng)使光面爆破層厚度盡可能一致。

5.3.2起爆時(shí)差

兩相鄰光爆孔中因雷管誤差會(huì)導(dǎo)致不能同時(shí)起爆，存在起爆時(shí)差，專門試驗(yàn)和光爆實(shí)踐表明，這種時(shí)差在10ms以內(nèi)有利于貫穿裂縫的形成。光爆實(shí)踐證明，兩相鄰光爆孔的時(shí)差不大于100ms即可獲得良好的爆破效果，時(shí)差愈短則壁面平整效果愈有保證。根據(jù)實(shí)際，采用導(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)，時(shí)差利于控制，所以采用導(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)同時(shí)起爆方案。輔助孔相對(duì)于陶槽孔，輔助孔之間周邊孔相對(duì)于輔助孔它們的毫秒間隔取50~100ms之間。

5.4，鉆爆作業(yè)

5.4.1鉆孔作業(yè)

司鉆人員要嚴(yán)格按炮眼布置圖準(zhǔn)確開鉆，特別是鉆周邊眼，要求有經(jīng)驗(yàn)的鉆工司鉆，臺(tái)車下面設(shè)專人指揮。因此，隧道超欠挖的控制，司鉆時(shí)必須做到（1）周邊炮眼的開口位置應(yīng)盡量在開挖輪廓線上；（2）周邊炮眼的外插方向一定要在隧道曲線的切線上；（3）所有炮眼（陶槽眼除外）的眼底位置應(yīng)盡可能在隧道切線的法線的同一垂直面上，因此，所有炮眼的鉆孔深度L是都不一樣的，都要分別計(jì)算并統(tǒng)一標(biāo)注在炮眼布置圖上，以方便司鉆。

5.4.2裝藥

裝藥前先用高壓氣體進(jìn)行清孔，將跑眼內(nèi)的泥漿、石硝吹洗干凈，經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能裝藥爆破；裝藥時(shí)一定要嚴(yán)格按照炮眼的設(shè)計(jì)要求連續(xù)裝藥或間隔裝藥或不耦合裝藥，總的裝藥長(zhǎng)度不宜超過炮眼深度的2/3；用木制炮棍壓緊，以增加炮眼的裝藥密度。炮眼裝藥后眼口未裝藥部分應(yīng)該用炮泥進(jìn)行堵塞。良好的堵塞可以提高炸藥的炮轟性能，還能阻止炮轟氣體產(chǎn)物過早地從炮眼口沖出，提高爆炸能量的利用率。在光面爆破中，填塞長(zhǎng)度應(yīng)取裝藥長(zhǎng)度的0.5-0.6.。

六，測(cè)量與監(jiān)測(cè)

6.1，TPS 隧道機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

隧道測(cè)量是整個(gè)隧道建設(shè)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，隧道輪廓線測(cè)量畫線的精度直接影響隧道開挖效果，特別是周邊眼的精度，直接影響超挖值。傳統(tǒng)的作業(yè)方法，如采用“計(jì)算器+全站儀”或者“打印好的坐標(biāo)表+全站儀”的工作模式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低下，非常不利于隧道的施工。特別是采用鉆爆法+新奧法施工的隧道，快速而準(zhǔn)確的測(cè)量是其中非常重要的環(huán)節(jié)，本工程采用徠卡Tps 隧道機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)，為小半徑曲線非對(duì)稱連拱隧道的施工提供了強(qiáng)有力的支持。

徠卡Tps 隧道機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)隧道斷面測(cè)量及隧道超欠實(shí)時(shí)檢查、炮孔放樣、隧道中線及邊線放樣、圍巖收斂測(cè)量等。所有數(shù)據(jù)均可一次性輸入，解算時(shí)程序自動(dòng)分析、調(diào)用。

6.2監(jiān)測(cè)

6.2.1監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及工作量

6.2.2量測(cè)數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用

（1)根據(jù)爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整和優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。

每次爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集后，即用軟件進(jìn)行分析，求出震動(dòng)速度。據(jù)公式

在已知震速V，裝藥量Q，炮眼至測(cè)點(diǎn)距離R的情況下，可計(jì)算K、a值，并據(jù)此對(duì)裝藥參數(shù)進(jìn)行修正。根據(jù)計(jì)算的K、a值，由V可反算裝藥量Q，從而指導(dǎo)下一循環(huán)的爆破作業(yè)。爆破震速控制值?。?.5cm/s。

（2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)繪制位移——時(shí)間曲線或散點(diǎn)圖，在位移——時(shí)間曲線趨于平緩時(shí)應(yīng)進(jìn)行回歸分析，以推算最終位移和掌握位移變化規(guī)律。當(dāng)位移——時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，即位移出現(xiàn)反常的急聚增加現(xiàn)象，表時(shí)圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)必要時(shí)應(yīng)停止掘進(jìn)，采取必要的安全措施。

（3)根據(jù)位移變化速率判斷圍巖穩(wěn)定狀況，當(dāng)變化速率大于10-20mm/天時(shí)，需加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)；當(dāng)變化速率小于0.2mm/天時(shí)，認(rèn)為圍巖達(dá)到基本穩(wěn)定。

（4)測(cè)量過程 如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象或與設(shè)計(jì)不符時(shí)，應(yīng)及時(shí)提出，以便修改支護(hù)參數(shù)。

6.2.5監(jiān)測(cè)結(jié)論

（1）本階段爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)101輪炮次，所監(jiān)測(cè)炮次監(jiān)測(cè)位置質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度峰值均小于GB6722-2003《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的控制振速2.0cm/s；

（2)水平凈空收斂和拱頂下沉平均收斂周期為14.1天；

（3）監(jiān)測(cè)錨桿變形穩(wěn)定，能滿足設(shè)計(jì)抗拔力的要求；

（4）地表沉降在本輪監(jiān)測(cè)期內(nèi)最大沉降值為12mm，最大平均沉降速度為0.055mm/d；

（5）山體觀測(cè)在本輪監(jiān)測(cè)期內(nèi)最大位移值為10mm，最大平均位移速度為0.055mm/d。

6.3爆破效果

6.3.1 開挖斷面規(guī)則線型。平均線性超挖＜150mm，最大線性超挖＜250mm，局部超挖＜50mm。

6.3.2 炮眼痕跡保存率80%，爆破后圍巖穩(wěn)定。

七，結(jié)語

連拱隧道的施工方法與連拱隧道的結(jié)構(gòu)形式及地形、地質(zhì)條件密切相關(guān)，應(yīng)做到技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理。中導(dǎo)洞工藝施工宜遵循以下原則：以Ⅳ級(jí)圍巖中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法為基礎(chǔ)，當(dāng)圍巖條件變好時(shí)，局部可以轉(zhuǎn)換為中導(dǎo)洞全斷面法。當(dāng)圍巖條件變差時(shí)，即為V級(jí)及以下時(shí)，采用三導(dǎo)洞法。

周邊眼的作用、布置、裝藥及用藥量控制等會(huì)影響著光面爆破的效果，但陶槽眼的布置形式，輔助眼的起爆時(shí)差等，同樣影響著光面爆破的效果。由于爆破巖石的千差萬別，很難用計(jì)算的爆破參數(shù)來解決，只能是初步計(jì)算確定關(guān)鍵參數(shù)以后，在實(shí)施中及時(shí)評(píng)價(jià)調(diào)整，從而達(dá)到最佳爆破效果。

通過監(jiān)測(cè)信息，檢驗(yàn)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及控制爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，據(jù)此調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)及控制爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，使隧道的修建成本更趨合理。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。