花石溝炭質(zhì)片巖隧道弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法

姜 貴，馬建軍，蔡路軍

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065)

花石溝炭質(zhì)片巖隧道弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法

姜 貴，馬建軍，蔡路軍

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065)

在十白高速花石溝隧道的施工過(guò)程中，遇到了大面積的炭質(zhì)片巖，其強(qiáng)度低、風(fēng)化快、易吸濕、變形大，采用普通隧道爆破技術(shù)和開(kāi)挖施工工藝時(shí)，超挖現(xiàn)象普遍，支護(hù)變形嚴(yán)重。本文應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行炭質(zhì)片巖隧道拱頂沉降數(shù)值模擬，得出其流變變形規(guī)律，為支護(hù)設(shè)計(jì)和施工工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。根據(jù)花石溝隧道的實(shí)際情況，提出了弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖方法，其主要技術(shù)措施包括：下臺(tái)階分區(qū)作業(yè)；小進(jìn)尺，快初支；預(yù)留吸水軟化層；減弱爆破設(shè)計(jì)；縮短二襯間隔。工程實(shí)踐證明，該方法有效控制了炭質(zhì)片巖隧道施工中的超挖現(xiàn)象和支護(hù)變形。

隧道施工；炭質(zhì)片巖；爆破開(kāi)挖；弱爆破；支護(hù)；巖體流變；數(shù)值模擬

1 問(wèn)題的提出

花石溝隧道是十白高速(湖北十堰至陜西白河)眾多大斷面公路隧道之一，其出、入口均位于湖北省十堰市鄖縣境內(nèi)。隧道穿越秦巴山區(qū)的大巴山和秦嶺擠壓帶、斷裂帶，地質(zhì)狀況極為復(fù)雜，特別是在隧道施工中出現(xiàn)的連續(xù)幾百米的炭質(zhì)片巖段，給整個(gè)工程帶來(lái)了新的難題。花石溝炭質(zhì)片巖的巖性差，巖體強(qiáng)度低，炭化、片理化現(xiàn)象明顯，其軟弱破碎、變形大的特性在國(guó)內(nèi)隧道工程中也屬少見(jiàn)[1]。該巖段采用普通爆破法開(kāi)挖時(shí)，超挖現(xiàn)象普遍，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生大塊整體垮落的塌方事故。此外，由于炭質(zhì)片巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，圍巖穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后盡管按常規(guī)進(jìn)行了較強(qiáng)的初期支護(hù)和二襯，隧道仍會(huì)出現(xiàn)較大變形，部分區(qū)域初支開(kāi)裂，鋼架扭曲、變形、侵限，不得不反復(fù)進(jìn)行大量拆換加固，嚴(yán)重影響了隧道施工安全和施工效率。為解決這一問(wèn)題，需尋求適合炭質(zhì)片巖特性的隧道開(kāi)挖方法。

2 炭質(zhì)片巖特性對(duì)隧道施工的影響

花石溝隧道為平行左右雙洞，長(zhǎng)兩千多米，巖性復(fù)雜多變，從硬質(zhì)到軟質(zhì)各級(jí)圍巖均有，其中III級(jí)圍巖占68.6%，IV級(jí)圍巖占23.6%，V級(jí)圍巖占7.8%。炭質(zhì)片主要賦存于IV級(jí)軟巖中，基本成分為石英和云母，其強(qiáng)度低、性脆，為片狀構(gòu)造，開(kāi)挖并與空氣接觸后風(fēng)化速度快，親水性較強(qiáng)，透水性弱，在浸水后極易發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生流變?；ㄊ瘻咸抠|(zhì)片巖的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。該隧道普通IV級(jí)圍巖為強(qiáng)～弱風(fēng)化中元古武當(dāng)山群片巖，主要為輝綠巖和片麻巖，裂隙較發(fā)育，其主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

比較表1和表2可知，與普通IV級(jí)軟巖相比，炭質(zhì)片巖的力學(xué)性能要差很多，其特有的巖性以及對(duì)隧道施工的直接影響主要包括以下幾點(diǎn)[2-4]。

(1)密度大、強(qiáng)度低。花石溝隧道炭質(zhì)片巖的測(cè)試強(qiáng)度雖然較低，但在高地應(yīng)力和封閉條件下其密度大、整體性好，抵抗外力破壞的能力仍然很強(qiáng)。隧道開(kāi)挖工作面小，炭質(zhì)片巖暴露面積少，應(yīng)力釋放十分有限，因此直接采用機(jī)械設(shè)備開(kāi)挖的難度大、效率低，仍需要用爆破方法開(kāi)挖。但如果爆破強(qiáng)度太大，又會(huì)對(duì)圍巖造成一定的破壞而影響隧道的穩(wěn)定性。

(2)易吸濕、軟化快。在炭質(zhì)片巖中開(kāi)挖隧道，應(yīng)力得到釋放，隧道周邊形成一定厚度的卸載松動(dòng)圈，裂隙、微裂隙充分發(fā)育，圍巖強(qiáng)度急劇降低，遇水或吸收空氣中的水分后膨脹并快速軟化變形，甚至出現(xiàn)崩解垮落，致使隧道邊墻內(nèi)擠、拱頂開(kāi)裂下沉。吸水膨脹巖塊在自重作用下掉落，造成超挖，嚴(yán)重的甚至發(fā)生大面積整體垮落的塌方事故。即使有后續(xù)支護(hù)，持續(xù)、較大的圍巖膨脹壓力也會(huì)作用于初支系統(tǒng)，使其產(chǎn)生變形，甚至被破壞。

(3)分布不均、軟硬并存。炭質(zhì)片巖生成形態(tài)無(wú)規(guī)律，出露面積不定，有時(shí)占整個(gè)掌子面面積的90%以上，有時(shí)只占20%左右，因此在一個(gè)掌子面上軟、硬巖并存。用爆破法開(kāi)挖時(shí)，如果按非炭質(zhì)片巖進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，爆破作用太強(qiáng)，會(huì)使炭質(zhì)片巖部分的隧道周邊圍巖受到較大破壞，易產(chǎn)生超挖；而按炭質(zhì)片巖進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，爆破作用又可能太弱，會(huì)使非炭質(zhì)片巖部分無(wú)法崩掉，出現(xiàn)欠挖。

3 炭質(zhì)片巖隧道的流變模擬

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5-7]，模擬炭質(zhì)片巖隧道開(kāi)挖一段時(shí)間后拱頂沉降位移的變化，以獲得隧道的流變變形規(guī)律，為開(kāi)挖支護(hù)方案制定、爆破進(jìn)尺設(shè)計(jì)、各工序工期安排等提供依據(jù)。根據(jù)花石溝隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇反映巖石流變特性的西原本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料和相關(guān)文獻(xiàn)[1，8-9]，得到炭質(zhì)片巖的西原模型力學(xué)計(jì)算參數(shù)，如表3所示。初支和二襯混凝土的強(qiáng)度等級(jí)分別為C25和C30，其性能參數(shù)見(jiàn)表4。

考慮兩種工況進(jìn)行建模計(jì)算：

(1)隧道全斷面開(kāi)挖，無(wú)支護(hù)。圖1為此工況下60 d內(nèi)隧道拱頂沉降位移曲線。由圖1可見(jiàn)，在無(wú)支護(hù)情況下，隧道開(kāi)挖后拱頂2 d沉降近30 mm，10d累計(jì)沉降約128mm，日均沉降約12.8mm；14 d后，隧道拱頂進(jìn)入穩(wěn)定蠕變期，日均下沉量約為4.39 mm。隨著時(shí)間的推移，拱頂沉降量仍不斷增大，隧道圍巖可能進(jìn)入不可控的加速變形階段，直至出現(xiàn)垮落塌方。

Fig.1 Subsidence displacement curve of unsupported vault

(2)隧道臺(tái)階法開(kāi)挖，依次上初支、二襯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工序安排和工期，模擬設(shè)定為：上臺(tái)階開(kāi)挖后隨即初支，2 d后發(fā)揮作用；接著下臺(tái)階開(kāi)挖，分區(qū)進(jìn)行，5 d完成，隨即初支，3 d后發(fā)揮作用；然后再上二次襯砌，20 d后二襯發(fā)揮作用。圖2為此工況下60 d內(nèi)隧道拱頂沉降位移曲線。

由圖2可見(jiàn)，臺(tái)階法開(kāi)挖前兩天隧道無(wú)支護(hù)，拱頂變形很快；兩天后加上初支，拱頂沉降趨緩，表明初支很好地抑制了隧道拱頂變形；第7 天，下臺(tái)階開(kāi)挖完成，初支合圍封閉，第10天起作用，拱頂變形進(jìn)一步明顯趨緩；二襯在第20天發(fā)揮作用后，再次抑制了隧道變形，使拱頂沉降逐漸趨于收斂。60 d內(nèi)拱頂沉降量最大為157 mm，日均下沉量約為2.6 mm。

通過(guò)模擬結(jié)果比較可知：①初支對(duì)炭質(zhì)片巖隧道流變變形起到了很好的約束作用，越早初支越有利于隧道變形控制；②下臺(tái)階初支未完成前，拱頂沉降速率再次增大，當(dāng)上、下臺(tái)階初支閉合成環(huán)并發(fā)揮作用后，拱頂沉降速率明顯減小，因此采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡早完成環(huán)形封閉支護(hù)；③二襯后，拱頂沉降速率又得到降低，沉降變形趨于收斂，可見(jiàn)二襯進(jìn)一步抑制了圍巖的流變變形，同時(shí)對(duì)初支起到了加強(qiáng)與保護(hù)作用。

4 炭質(zhì)片巖隧道的開(kāi)挖方法

根據(jù)上述分析，炭質(zhì)片巖隧道一旦開(kāi)挖，初支和二襯都要盡快跟上，盡量縮短炭質(zhì)片巖在空氣中的暴露時(shí)間，及時(shí)形成封閉成環(huán)的支護(hù)系統(tǒng)，以利于抑制隧道變形。同時(shí)，普通法爆破對(duì)炭質(zhì)片巖隧道周邊保留圍巖的作用太強(qiáng)、擾動(dòng)太大，削弱了其自承載能力，且開(kāi)挖量過(guò)大、清渣時(shí)間長(zhǎng)，也遲滯了后續(xù)工藝的跟進(jìn)，不利于抑制圍巖和支護(hù)的變形。

為適應(yīng)炭質(zhì)片巖特性，經(jīng)過(guò)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出了弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法。在已實(shí)施的普通IV級(jí)圍巖隧道爆破設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，先后進(jìn)行了兩個(gè)改進(jìn)方案的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。各方案的主要參數(shù)見(jiàn)表5。

方案一：減弱裝藥，小進(jìn)尺，半斷面上、下臺(tái)階開(kāi)挖。

方案二：預(yù)留軟化層，下臺(tái)階分區(qū)作業(yè)，爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖。

方案一主要以減弱爆破和減少一次爆破量為設(shè)計(jì)思路。爆后觀察可見(jiàn)，隧道輪廓不平整，有部分欠挖現(xiàn)象，分析其原因?yàn)橹苓吙组g距過(guò)大。此外，清渣結(jié)束立即進(jìn)行初支，此時(shí)隧道周邊圍巖已明顯出現(xiàn)一定深度的受潮膨脹巖層，尤其下臺(tái)階清挖完成后，由于地下滲水作用，下臺(tái)階比上臺(tái)階受潮深度明顯增大，使初支質(zhì)量受損。為此提出改進(jìn)方案二。

方案二采用弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法。由于周邊孔增多，爆后基本沿炮孔連心線貫通形成開(kāi)挖輪廓。設(shè)置吸水軟化預(yù)留層，挖機(jī)清挖后幾乎是在新鮮巖面上噴錨初支，尤其下臺(tái)階分兩區(qū)作業(yè)，縮短了下臺(tái)階初支時(shí)間，使初支質(zhì)量明顯改善。但本次試驗(yàn)預(yù)留層過(guò)厚，挖機(jī)清挖效率太低，使初支巖面暴露時(shí)間仍然過(guò)長(zhǎng)。

經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果分析比較，確定修正后的花石溝隧道弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法的主要施工技術(shù)為：

(1)下臺(tái)階兩作業(yè)區(qū)開(kāi)挖。將開(kāi)挖斷面分為上下兩部分(花石溝隧道凈寬10.25 m，凈高5 m)，上臺(tái)階高度3 m，下臺(tái)階高度2 m，開(kāi)挖順序?yàn)橄壬虾笙?；上臺(tái)階全斷面推進(jìn)，下臺(tái)階左右兩側(cè)分開(kāi)進(jìn)行，軸向錯(cuò)開(kāi)間距大于2 m，單側(cè)掘進(jìn)長(zhǎng)度小于2 m；上、下臺(tái)階開(kāi)挖間距控制在10～15 m。這樣可減小炭質(zhì)片巖暴露面積，縮短清渣工期，加快初支。

(2)小進(jìn)尺，快初支?；ㄊ瘻纤淼榔胀↖V級(jí)圍巖一次爆破循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m, 在此基礎(chǔ)上炭質(zhì)片巖隧道爆破開(kāi)挖進(jìn)尺減小20%，為1.2 m，從而可以減少一次爆破用藥量，減輕爆破對(duì)保留圍巖的擾動(dòng)與破壞，同時(shí)可減少一次爆破的破巖量，以便快速清渣。

(3)預(yù)留吸水軟化層。周邊孔內(nèi)退，距設(shè)計(jì)輪廓線20～30 cm布孔，預(yù)留吸收空氣水分的軟化層，留待爆后挖機(jī)挖掘到位，同時(shí)也減少了爆破破巖量。

(4)減弱爆破設(shè)計(jì)。在普通IV級(jí)軟巖隧道爆破設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，減小爆破強(qiáng)度。主要調(diào)整參數(shù)包括：①炸藥單耗減小20%～40%，以降低爆破作用強(qiáng)度；②周邊光面孔間距減小到25 cm，加密周邊孔，減少每孔裝藥量，減弱爆破作用，強(qiáng)化孔間導(dǎo)向和貫通作用，以減少超挖，其他部位的布孔方案不變；③光面層厚度隨光面孔間距減小，取為35 cm。

(5)分區(qū)設(shè)計(jì)，各有適應(yīng)。當(dāng)掌子面出現(xiàn)既有炭質(zhì)片巖也有非炭質(zhì)片巖的情況時(shí)，應(yīng)分別設(shè)計(jì)。首先在隧道斷面圖上將炭質(zhì)片巖區(qū)域和非炭質(zhì)片巖區(qū)域標(biāo)出，各區(qū)域按不同要求分別進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)；在兩區(qū)域交界處，炮孔裝藥按炭質(zhì)片巖減弱爆破設(shè)計(jì)，即減少裝藥量。炮孔布局如圖3和圖4所示。

(6)挖機(jī)修邊，隨即初支。爆破后，預(yù)留層受到損傷，在爆堆挖運(yùn)時(shí)易吸收空氣中的水分而軟化。挖機(jī)清完爆堆后，從正面沿設(shè)計(jì)輪廓線用鏟齒切入挖掉預(yù)留層，形成隧道設(shè)計(jì)周邊輪廓。兩邊墻低矮處，可人工用鏟清挖到位。修整完后立即噴混凝土，初支封閉新挖面。

(7)隧道完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的開(kāi)挖、初支后，及時(shí)進(jìn)行仰拱封閉。仰拱與開(kāi)挖掌子面距離不超過(guò)10 m，仰拱及仰拱填充砼須架設(shè)棧橋全幅澆注。二襯也必須及時(shí)跟上，二襯與開(kāi)挖掌子面距離不超過(guò)30 m。凡是仰拱及二襯沒(méi)跟進(jìn)的隧道，必須停止掘進(jìn)。

在花石溝炭質(zhì)片巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中，弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法取得了比較好的應(yīng)用效果，控制了圍巖變形，減少了初期支護(hù)開(kāi)裂，保證了工程進(jìn)度，為炭質(zhì)片巖隧道的施工提供了一種新的技術(shù)方案。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)炭質(zhì)片巖隧道的流變規(guī)律模擬計(jì)算得出：①隧道開(kāi)挖后的及時(shí)初支對(duì)隧道流變變形的約束作用十分明顯；②采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡早完成環(huán)形封閉支護(hù)；③及時(shí)的二次襯砌進(jìn)一步抑制了隧道的流變變形，同時(shí)對(duì)初支起到了加強(qiáng)與保護(hù)作用，使得拱頂沉降趨于收斂。

(2)針對(duì)炭質(zhì)片巖特性，采用弱爆破與機(jī)械聯(lián)合開(kāi)挖法進(jìn)行隧道施工，可有效減少超、欠挖現(xiàn)象并能抑制支護(hù)隧道的變形。

(3)采用挖機(jī)清挖預(yù)留層時(shí)，對(duì)挖機(jī)操作技術(shù)要求較高，實(shí)際作業(yè)有一定難度。

(4)小進(jìn)尺、快初支的施工技術(shù)要求使生產(chǎn)組織的難度加大。

[1] 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所.十白高速花石溝隧道炭質(zhì)片巖區(qū)域地質(zhì)情況及監(jiān)控量測(cè)[R].十堰：湖北十白高速公路建設(shè)指揮部，2011.

[2] 邵大鵬.軟巖大變形隧道成因分析及控制施工技術(shù)[J].四川建材，2013，39(3)：136-138.

[3] 陳花順.新蜀河隧道炭質(zhì)片巖變形特性與支護(hù)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鐵路，2010(5)：34-36,59.

[4] 杜雁鵬.軟質(zhì)板巖隧道大變形力學(xué)行為與控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[5] 王芝銀，李云鵬.巖體流變理論及其數(shù)值模擬[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[6] 陳育明，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

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[8] 賈偉.佛嶺隧道破碎帶圍巖蠕變變形規(guī)律研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

[9] 劉欽.炭質(zhì)頁(yè)巖隧道軟弱破碎圍巖大變形機(jī)理與控制對(duì)策及其應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011.

[責(zé)任編輯 尚 晶]

Weak blasting combined with machine excavation for construction ofHuashigou Tunnel with carbonaceous schist

JiangGui，MaJianjun，CaiLujun

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

A large area of carbonaceous schist was met with in the construction of Huashigou Tunnel on Shiyan-Baihe Expressway. Carbonaceous schist has the properties of low strength,rapid weathering,high hygroscopicity and large deformation. The common construction technology of tunnel blasting and excavation would cause the overbreaking of the tunnel and serious deformation of the supports. This paper uses FLAC3D software to simulate the vault subsidence of carbonaceous schist tunnel and obtains its rheological deformation law, which provides a basis for the supporting design and the optimization of construction technology. According to the actual situation of Huashigou Tunnel, it puts forward a method of weak blasting combined with machine excavation. The main technical measures are as follows: partition constructing in the lower section of the tunnel; small digging length, rapid preliminary supporting; reserved water-absorbing softened layer; weak blasting; shortening the time interval of the secondary concrete lining. The construction practice proves that the proposed method can effectively control the overbreaking of tunnel with carbonaceous schist and the deformation of supports.

tunnel construction; carbonaceous schist; blasting excavation; weak blasting; support; rock mass rheology; numerical simulation

2015-06-08

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(D20151105).

姜 貴(1988-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:1025963187@qq.com

馬建軍(1957-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:wkdmjj@163.com

TD235.1

A

1674-3644(2015)05-0396-05