雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖小凈距大斷面軟巖隧道施工控制

傅志勇

（中南建設(shè)集團有限公司，湖南長沙410015）

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖小凈距大斷面軟巖隧道施工控制

傅志勇*

（中南建設(shè)集團有限公司，湖南長沙410015）

對于大斷面軟巖隧道施工，常規(guī)的臺階法開挖，極易造成拱頂大面積暴露、松動導(dǎo)致坍塌。小凈距隧道開挖由于爆破產(chǎn)生的地震波的影響，先行洞襯砌拱頂主要為橫向拉伸破壞，容易出現(xiàn)縱向拉伸裂紋；迎爆側(cè)邊墻襯砌呈現(xiàn)先拉伸后壓剪破壞；仰拱拉伸破壞。針對該類情況采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖斷面能最大限度地保證施工安全。

小凈距；大斷面軟巖；隧道；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；施工控制

在交通隧道工程修建過程中由于特殊地形條件，出現(xiàn)大量小凈距隧道，它是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種新型隧道結(jié)構(gòu)形式，不受地形條件以及總體線路的限制，又較連拱隧道施工工藝簡單、易于防水處治、造價易于控制，得到了廣泛的應(yīng)用。但是對于小于1倍洞徑的小凈距隧道，爆破動荷載極易導(dǎo)致先行洞襯砌開裂、剝落等危及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和行車安全等問題。后行洞開挖爆破產(chǎn)生的振動對先行洞襯砌迎爆側(cè)大于背爆側(cè)，迎爆側(cè)邊墻影響程度最大，拱頂次之，仰拱最小。

湘潭市昭山大道虎形山隧道工程為分離式小凈距大斷面隧道（小凈距間距約為15m）。隧道凈寬15.125m、凈高7.815m。針對Ⅴ級圍巖淺埋地段，設(shè)計采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠最大限度地保證施工安全，適應(yīng)于大斷面的軟巖隧道。同時，嚴格控制超挖量，使隧道輪廓符合設(shè)計斷面要求，圍巖保持穩(wěn)定。

1　工序概況

Ⅴ級圍巖隧道開挖，由于巖（土）質(zhì)較差，節(jié)理發(fā)育，基巖裂隙較多，還有偏壓、淺埋等諸多不利因素，而大斷面隧道斷面面積都在100m2左右或以上，常規(guī)的臺階法開挖極易造成拱頂大面積暴露、松動導(dǎo)致坍塌，此類情況均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法屬于新奧法的一個分支，就是把一個大斷面分割成2個對稱的導(dǎo)坑和若干個獨立的小斷面，導(dǎo)坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應(yīng)力集中，初期支護采用格柵鋼架、掛網(wǎng)、噴混凝土柔性支護體系，輔助以一些必要的臨時支護措施，及時施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承能力，控制圍巖變形。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法一般將斷面分成幾塊，左右側(cè)壁導(dǎo)坑，上部核心土，下臺階，底拱。

2　雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工藝

2.1開挖方式

（1）如遇特殊巖層，可采用人工預(yù)裂爆破，預(yù)裂爆破采用側(cè)壁導(dǎo)坑掏槽，爆破時從周邊眼開始，由外向內(nèi)爆破，使開挖斷面產(chǎn)生貫通裂隙，再用機械開挖。

（2）開挖時遇至頑石、較大的孤石，可用風(fēng)鎬將其擊碎，或采用松動爆破，由挖掘機進行清除。

（3）機械開挖時注意，嚴禁機械錘擊巖體，以免機械對巖體特別是拱頂部位產(chǎn)生較大的擾動。遇到機械不易開挖的巖石，要人工輔助破碎開挖。

2.2爆破工藝

（1）炮眼深度L。炮眼深度主要受爆破地震動強度控制，按照爆破部位適當(dāng)調(diào)整設(shè)計炮眼。Ⅴ級一般為0.5～0.8m。

（2）炮眼數(shù)目N。炮眼直徑42mm，每次開挖面積為13.50m2，單位面積鉆眼數(shù)為1.5個（未包括光面爆破炮眼）。

（3）炮眼布置。沿爆破輪廓設(shè)置光面爆破眼間距：E=（8～12）d（d為炮眼直徑），炮眼間距40～50cm，炮眼42mm，能滿足E值要求。抵抗線：W=1.0～1.5，裝藥集中度q控制在0.1～0.15kg/m之間，周邊眼可適當(dāng)增加數(shù)量，減少間距和單孔裝藥量?；虿捎酶艨籽b藥，炮眼間距25～30cm，裝藥集中度取小值q=0.1kg/m。

掏槽眼采用復(fù)合式楔形掏槽，左右側(cè)壁導(dǎo)坑中心布置，掏槽面積為2m2，中央可根據(jù)實際情況布置中空眼，達到最佳的掏槽效果。掏槽眼外設(shè)橢圓型號輔助眼（擴槽眼），輔助眼中心位于掏槽眼眼中心，擴大掏槽面積。

掘進眼循環(huán)進尺根據(jù)開挖部位來確定爆破強度，由于隧道Ⅴ級圍巖巖質(zhì)較易開挖，所以采用較大的系數(shù)W=15～18d。

（4）單眼裝藥量的計算。通過下式可計算出其它炮眼的裝藥量。

q=k·a·W

式中：q——單眼裝量，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。

（5）炮眼堵塞。采用炮泥（組分：砂∶粘土∶水=3∶1∶1）堵塞炮眼，可使炸藥在炸藥在受限的情況下作充分爆破應(yīng)力提高能量利用率，所以堵塞長度應(yīng)在20cm以下。

（6）爆破器材的選擇。炸藥：采用二號巖石銷銨炸藥，四周采用直徑為2.5mm小藥卷炮眼，其它炮眼采用32mm的標準藥卷。雷管：孔外通過大雷管起爆，連接件和孔內(nèi)都采用非電毫秒雷管（1～15段）。為避免爆破時沖擊波的疊加，選擇非電毫秒雷管時選用段間隔75ms以上的各段雷管（1，3，5，7，9，11，13，14，15共8種段別的非電毫秒雷管）。導(dǎo)火索及導(dǎo)爆索：火管雷采用導(dǎo)火索引爆，周邊炮眼成隔裝藥采用導(dǎo)爆索傳爆。

（7）裝藥結(jié)構(gòu)。掏槽眼和底板眼采用反向起爆，周邊眼采用間隔不偶合裝藥形式，使導(dǎo)爆索連接各藥卷。采用雷管分段控制和孔外微差爆破相結(jié)合的方法減少單段起爆藥量和起炮次數(shù)。

2.3爆破安全驗算

根據(jù)地質(zhì)、圍巖、斷層情況，減少對跟進施工的隧道二次襯砌的破壞影響，振速控制在2cm/s。

Q=k′/R3（Vkp/k）3/a

式中：Q——最大一段允許用藥量，kg；

Vkp——振動安全速度，ngs；

R——爆源中心到振速控制點的距離，m；

k——與爆破技術(shù)、地震波傳播途徑介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取160（測定值）；

k′——不同的減震措施、爆破臨空面的數(shù)量；

a——爆破振動衰減系數(shù)，取1.8（試驗測定值）。

（1）爆破飛石的影響，因為隧道各部位采取的交叉施工，在很大程度上隧道會受到爆破飛石的破壞，所以爆破飛石的處理是開挖的重點。一般通過弱爆作業(yè)，采用科學(xué)的爆破順序進行控制，特別開挖的過程中上部有臨時鋼支撐，爆破時應(yīng)注重起爆順序的控制，這樣，上部臨時鋼支撐不會受到太大的影響。

（2）炮眼利用率。進行爆破設(shè)計時，掏槽眼增加減震孔，周邊眼增加導(dǎo)向孔，隔孔裝藥，能使炮眼利用率得到提高。

（3）改進措施。如果Ⅴ級圍巖比較破碎復(fù)雜，埋層淺，Ⅴ級施工時可在開挖的周邊眼及開挖面增打減震孔，其它可超過130mm，以起到良好的減震作用。

3　爆破方案設(shè)計及控制

為使隧道輪廓符合設(shè)計斷面要求，圍巖保持穩(wěn)定，為后續(xù)支護襯砌施工創(chuàng)造舒適安全的條件，大大減少了巖石超挖量、出渣工作量、及砼回填量，提高了施工速度，降低工程成本，采用光面爆破施工。

光面爆破作用機理是炸藥爆破時產(chǎn)生的沖擊波和高溫高壓氣體作用在眼壁上，炮眼周圍的巖石受到強烈壓縮而破碎與此同時形成的壓縮應(yīng)力波向四面八方傳播，最后形成相互作用的爆破漏斗，當(dāng)爆破參數(shù)選取合理隧道外輪廓面將形成連續(xù)的光滑壁面。影響光面爆破效果有以下因素：

（1）隧道圍巖地質(zhì)構(gòu)造影響。根據(jù)有關(guān)研究表明工程地質(zhì)狀況對光面爆破效果影響極大，在相同爆破條件下f值越高，整體性越好，光爆效果越好，反之則光爆效果較差。

（2）炸藥種類及裝藥方法影響。要實現(xiàn)光面爆破，應(yīng)選用爆速低，密度小，爆力大的炸藥。炸藥采用小直徑藥卷增大不偶合系數(shù)。裝藥集中度應(yīng)控制在0.1～0.15kg/m，過大易破壞光爆壁面，過小則爆不下來。

（3）爆破起爆順序、起爆方法及裝藥結(jié)構(gòu)及堵塞質(zhì)量影響。

（4）鉆機類型及布孔、鉆孔精度影響。

鉆機尺寸大小直接影響到周邊眼的外插角在兩排炮眼銜接處是否能夠連通，不形成臺階。鉆孔時盡量減小開眼誤差及鉆眼角度誤差。

3.1施工方法及順序

施工中嚴格按照設(shè)計要求，遵循新奧法施工原理，軟弱地質(zhì)洞身開挖應(yīng)堅持：短進尺、弱爆破、強支護、早襯砌、勤監(jiān)測的原則；加強施工過程的監(jiān)測，確保施工安全，施工中如遇實際圍巖級別與設(shè)計資料不符，應(yīng)及時與監(jiān)理、設(shè)計單位聯(lián)系，調(diào)整施工方案，確保開挖安全、順利進行；隧道中停車段，配電室等待隧道開挖成型后，再進行擴挖。

雙側(cè)導(dǎo)坑法進行爆破開挖的施工順序：

（1）左側(cè)上導(dǎo)坑爆破開挖，左側(cè)上導(dǎo)坑初期支護及臨時支撐；

（2）左側(cè)下導(dǎo)坑爆破開挖，左側(cè)下導(dǎo)坑初期支護及臨時支撐；

（3）右側(cè)上導(dǎo)坑爆破開挖，右側(cè)上導(dǎo)坑初期支護及臨時支撐；

（4）右側(cè)下導(dǎo)坑爆破開挖，右側(cè)下導(dǎo)坑初期支護及臨時支撐；

（5）拱部及核心土石第一次開挖，拱部初期支護及水平臨時支撐；

（6）核心土石第二次開挖，使初期支護封閉成環(huán)；

（7）仰拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)澆注，仰拱充填；

（8）拆除臨時支撐，全斷面二次襯砌。

3.2光面爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計

隧道洞身為Ⅴ級圍巖時，采用雙側(cè)導(dǎo)坑法爆破開挖施工；循環(huán)進尺為2m，光面爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計如下：

（1）掏槽孔。采用楔形掏槽，掏槽孔參數(shù)為：

①炮孔直徑（d）：d=42mm；

②炮孔深度（L）：LⅣ=2.2m、LⅤ=1.7m；

③炮孔傾角（α）：α=70°；

④單孔藥量（Q）：Q=ηLql；

式中：η——炮孔裝藥系數(shù)，取η=0.9；

L——孔深，LⅣ=2.2m、LⅤ=1.7m；

ql——線裝藥密度，ql=0.78kg/m；

經(jīng)計算QⅣ=1.54kg，取1.5kg；QⅤ=1.19kg，取1.1kg。

（2）輔助孔。

①炮孔直徑（d）：d=42mm；

②炮孔深度（L）：LⅣ=2.1m、LⅤ=1.6m；

③炮孔傾角（α）：α=90°；

④單孔藥量（Q）：QⅣ=1.31kg，取1.3kg；QⅤ=0.87kg，取0.9kg。

（3）光爆孔（周邊孔）。

①光爆層厚度（B）：B=80cm；

②炮孔直徑（d）：d=42mm；

③炮孔深度（L）：LⅣ=2.1m、LⅤ=1.6m；

④炮孔間距（a）：a=60cm；

⑤炮孔傾角（α）：α=90°；

⑥單孔藥量（Q）：Q=kηLql（k=1/3），QⅣ=0.4kg、QⅤ=0.3kg。

3.3裝藥結(jié)構(gòu)

（1）掏槽孔、輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)。掏槽孔和輔助孔采用耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔裝填?32mm 2#硝銨炸藥藥卷，炮孔內(nèi)有水時，裝填?32mm 2#乳化炸藥藥卷。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　掏槽孔、輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)

（2）光爆孔（周邊孔）裝藥結(jié)構(gòu)。光爆孔采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔裝填?25mm 2#硝銨炸藥藥卷，炮孔內(nèi)有水時，裝填?25mm 2#乳化炸藥藥卷，不耦合系數(shù)為1.68。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　光爆孔裝藥結(jié)構(gòu)

3.4隧道光面爆破炮孔布置（圖3）

3.5光面爆破起爆時注意以下事項

（1）周邊孔應(yīng)該同時起爆才能保證光面爆破效果；

（2）起爆順序為先掏槽孔，再輔助孔，輔助孔起爆后再起爆周邊孔、底孔；

（3）周邊孔的底孔應(yīng)該裝一個?32mm藥卷，以克服巖體挾制作用；

（4）為了減少超挖和降低工程造價，開挖過程中，加強斷面量測，并及時處理個別欠挖部位，修整開挖斷面，獲得良好的爆破效果。

3.6爆破效果檢測評價

隧道爆破后對爆破效果要進行檢測評價，對于硬質(zhì)巖隧道光爆質(zhì)量標準：（1）爆破后圍巖穩(wěn)定無剝落現(xiàn)象。（2）爆破后圍巖擾動深度小于0.5m。（3）距掌子面1倍洞徑處洞內(nèi)拱頂質(zhì)點垂直向振動速度小于12cm/s。（4）平均線性超挖量小于10cm。（5）最大成性超挖量小于20cm。（6）兩炮間按臺階最大尺寸15cm。（7）炮眼痕跡保存率等于或大于80%。（8）炮眼利用率達到90%以上。昭山大道虎形山隧道在爆破效果量測上一方面利用全站儀對爆破開挖后斷面進行測量收集超欠挖數(shù)據(jù)，對照設(shè)計輪廓線進行電腦制圖分析。另一方面爆破后專人進行隧道圍巖穩(wěn)定情況檢查及炮眼眼痕保存率進行統(tǒng)計，確定是否達到光爆效果，如光爆效果不好及時分析原因，調(diào)整爆破參數(shù)，提高光爆質(zhì)量。

經(jīng)過施工過程嚴格控制，昭山大道隧道光爆質(zhì)量取得較好效果，現(xiàn)就昭山大道虎形山隧道具有代表性C2K5+720～C2K5+820段，40m合計100個鉆爆循環(huán)光爆效果主要指標收集、整理進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

圖3　隧道光面爆破炮孔布置

表1　昭山大道隧道C2K5+720～C2K5+820段光爆效果檢查統(tǒng)計表

從表1可知該段光爆效果較好達到光爆質(zhì)量要求。

3.7爆破地震波監(jiān)測

湘潭昭山大道虎形山隧道施工爆破過程中產(chǎn)生爆破地震波，須要對洞口邊坡、洞口不遠處居民房屋和洞內(nèi)已經(jīng)施工的襯砌結(jié)構(gòu)等進行檢測，確保邊坡穩(wěn)定和建筑物，構(gòu)筑物的安全。

在施工中對虎形山隧道的爆破地震波進行監(jiān)測，

通過設(shè)置監(jiān)測點，全程監(jiān)測爆破施工，收集爆破地震波傳播速度，及時調(diào)整爆破參數(shù)，使爆破地震波控制在國家規(guī)定和設(shè)計要求的地震波傳播速度以內(nèi)。

（1）根據(jù)建筑物的抗震級別，設(shè)定最大振動速度，不允許爆破地震波引起的振動速度超過規(guī)定的限值。

（2）確定具體的保護目標。在接近洞口的建筑物處和洞內(nèi)需要監(jiān)測的構(gòu)筑物處設(shè)置合理監(jiān)測點進行監(jiān)測、使監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準確放應(yīng)被監(jiān)測目標的真實振動情況。

（3）在洞口爆破施工過程中，對每次爆破產(chǎn)生的地震波進行監(jiān)測，及時進行數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整爆破參數(shù)，確保建筑物安全；洞內(nèi)建筑物按照一定頻率進行監(jiān)測，亦根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整爆破參數(shù)，確保構(gòu)筑物安全。

4　結(jié)語

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，將大斷面隧道開挖分成6個小斷面開挖；將大斷面隧道分成幾部分襯砌。施工中做到“短進尺、早支護、勤量測、速反饋”，保證了小凈距大跨徑公路隧道結(jié)構(gòu)的安全；快速、高效地完成施工任務(wù)。

［1］黃利全，盧世杰，張科.小凈距隧道凈距調(diào)整對圍巖受力及穩(wěn)定性的影響［J］.中外公路，2009（1）.

［2］傅洪賢，趙勇，謝晉水，等.隧道爆破近區(qū)爆破振動測試研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011（2）.

［3］唐海，李海波，周青春，等.預(yù)裂爆破震動效應(yīng)試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010（3）.

［4］潘曉馬.鄰近隧道施工對既有隧道的影響［D］.西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.

［5］朱東興.小凈距公路隧道爆破動力響應(yīng)研究［J］.中外公路，2013（2）.

·隧道與建設(shè)工程·

U455.41

B

1004-5716（2016）01-0181-05

2015-01-05

2015-01-06

傅志勇（1967-），男（漢族），湖南衡陽人，高級工程師，現(xiàn)從事公路工程施工技術(shù)工作。