單線鐵路隧道新微臺階帶仰拱一次爆破開挖施工技術(shù)研究

楊家松

(中鐵二局集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610000)

0 前言

鐵路隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法施工時，嚴(yán)格遵守“安全步距”，施工安全管理將其作為不可逾越的紅線，同時，為提升工藝水平，大量研制的工裝設(shè)備又?jǐn)D入到“隧道”這個狹窄空間，致使施工進(jìn)度受到較大影響、工程管理成本加大、施工作業(yè)難以實現(xiàn)常態(tài)化。因此，近年來，在全斷面法與臺階法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微臺階工法又在一些建設(shè)項目上煥發(fā)生機(jī)。

對非爆破作業(yè)開挖的隧道，如極軟巖、黃土類等地質(zhì)環(huán)境中的隧道，無論單雙線，采用微臺階工法施工，極容易形成規(guī)則且穩(wěn)定的臺階，有益于核心土穩(wěn)定，掌子面作業(yè)安全可靠。胡釗光[1]以塔吉克斯坦邊境公路喬爾馬克扎克雙車道隧道為例，介紹了濕限性黃土隧道采用微三臺階工法帶仰拱施工技術(shù)，對臺階尺寸、核心土、開挖方式、進(jìn)尺控制等技術(shù)要點與工藝進(jìn)行了總結(jié)；范森[2]以鐵路專用線單線楊坪隧道為依托，介紹了新黃土隧道采用微三臺階帶仰拱施工技術(shù)，總結(jié)出微三臺階工法的控制重點與優(yōu)點；文獻(xiàn)[3-5]對蒙華鐵路雙線隧道黃土或砂質(zhì)新濕限性黃土地層采取微三臺階工法施工進(jìn)行研究，在臺階尺寸、核心土尺寸、下臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)、初期支護(hù)及時封閉成環(huán)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性歸納；文獻(xiàn)[6-7]以蒙華鐵路建設(shè)為依托，用數(shù)值模擬分析方法，建立了單洞雙線隧道在砂質(zhì)新黃土地層采用微三臺階預(yù)留核心土工法模型，研究隧道初期支護(hù)變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)，提出核心土控制長度，提煉出以及時封閉為核心的“快挖快支成環(huán)”微臺階技術(shù)成果；惠武平[8]以蒙華鐵路大斷面王家灣隧道為例，提出新老黃土層采用微三臺階預(yù)留核心土工法能夠有效控制變形，數(shù)值模擬分析認(rèn)為應(yīng)力釋放40%～60%時是施作初期支護(hù)的時機(jī)，但是對需要爆破作業(yè)的隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖來說，爆破后要形成比較穩(wěn)定的平臺就沒有那么容易了。

針對隧道爆破開挖，馬輝等[9]介紹了貴廣高鐵坪寨雙線隧道采用微臺階法施工，并提出精細(xì)爆破概念；潘汝江[10]介紹了吉林伊通鐵路單線隧道采用的微臺階施工技術(shù)；彭超[11]介紹了龍泉山公路1#隧道穿淺埋破碎帶采用的微臺階開挖技術(shù)；宋曙光等[12]采用三維仿真研究不同臺階高度下隧道的變形，提出了臺階高度建議；鄒成路等[13]認(rèn)為上臺階開挖高度宜為 0.65倍隧道開挖高度。在研究隧道臺階爆破方面，楊志剛等[14]研究了采取臺階法開挖隧道的缺點，提出在隧道的上臺階上鉆垂直炮孔、裝水袋爆破下臺階的方法。

這些對微臺階法的研究成果幾乎都集中在介紹微臺階的長度和高度、開挖進(jìn)尺的限制、及時支護(hù)并封閉成環(huán)、快速組織等方面上，而對微臺階工法未得到推廣運(yùn)用的原因、導(dǎo)致臺階不穩(wěn)定的根本原因及解決措施、有效地將臺階尺寸擬定與結(jié)構(gòu)安全及工裝工藝有機(jī)結(jié)合、精準(zhǔn)爆破的具體參數(shù)等方面研究甚少。

綜上所述，為使微臺階工法在隧道爆破開挖施工中得到推廣運(yùn)用，須以設(shè)計預(yù)支護(hù)措施為前提，以研究臺階的穩(wěn)定性、維護(hù)掌子面與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、保障作業(yè)安全為突破口。新微臺階工法就是基于傳統(tǒng)的微臺階爆破開挖方法存在的問題，針對其未涉足的突出技術(shù)問題加以創(chuàng)新研究。

1 單線鐵路隧道微臺階尺寸擬定

微臺階的尺寸指臺階的長度與高度，要綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性與施工作業(yè)的安全性2個方面。

1.1 基于數(shù)值模擬計算結(jié)構(gòu)的安全性分析

基于假定條件： 隧道埋深300 m，普通地應(yīng)力，無偏壓，地下水不發(fā)育，單線Ⅳc開輪廓尺寸為8.54 m×9.83 m，開挖面積S=66.6 m2，C25噴射混凝土，混凝土厚度δ=23 cm。4φ22格柵(160 mm×160 mm)，間距為1.0 m，拱部φ22中空錨桿、邊墻φ22砂漿錨桿，布置間距與長度均相同，即間距為1.0 m×1.0 m、l=3 m。按照隧道力學(xué)相關(guān)理論，模型隧道兩側(cè)寬度取3.5倍洞徑、上下取3倍洞徑計算，精度滿足需要，計算典型模型如圖1所示。

(a) 隧道截面示意圖

(b) 模型尺寸示意圖

施工進(jìn)尺按Ⅳ級圍巖2.4 m、Ⅴ級圍巖1.2 cm考慮。因?qū)嵺`驗證微臺階長度為3～5 m較為合理，此處只討論臺階長度3、5 m 2種工況下，Ⅳ級圍巖的上臺階高度分別為3.5、4.5、5.5 m 3種情況和Ⅴ級圍巖上臺階高度分別為3、4、5 m 3種情況，共計12種工況組合。采用FLAC 3D進(jìn)行模擬計算，計算參數(shù)(《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范： TB 10003—2001表3.2.8取中值)見表1。

表1 力學(xué)計算參數(shù)表

經(jīng)計算后提取結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值和位移最大值，分別如圖2和圖3所示。

(a) Ⅳ級圍巖初期支護(hù)拱腰最大壓應(yīng)力

(b) Ⅴ級圍巖初期支護(hù)拱腰最大壓應(yīng)力

(a) Ⅳ級圍巖初期支護(hù)拱頂最大變形

(b) Ⅴ級圍巖初期支護(hù)拱頂最大變形

研究結(jié)果表明：

1)隨臺階長度增大，應(yīng)力變化呈上升趨勢，其中Ⅳ級圍巖的臺階長度大于4.5 m時變化明顯，而Ⅴ級圍巖應(yīng)力相對變幅不大。

2)相同臺階長度條件下，應(yīng)力隨上臺階高度增大而小幅增大，其中Ⅳ級圍巖高度小于4.5 m時應(yīng)力變化大，而Ⅴ級圍巖高度在4 m時應(yīng)力變化幅度稍大。

3)變形以拱頂下沉位移最大，Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護(hù)拱頂變形總體上隨臺階長度、上臺階高度的變化不明顯，但Ⅴ級圍巖相對值較Ⅳ大。

1.2 施工作業(yè)安全所需臺階尺寸分析

1)上臺階作業(yè)臺架輕量化，便于安全移動。采用懸挑式平臺不能有效靠近工作面，也無法保障臺階最上面2排眼的鉆孔質(zhì)量，應(yīng)研制上下組合式多功能平臺；其上層平臺若過高，則質(zhì)量大，移動困難或無法移動。為方便移動，可設(shè)計成2個小型平臺并列放置，高度不大于2.5 m，單個質(zhì)量不宜超過750 kg。在此條件下，考慮人的有效作業(yè)高度為1.7 m后，上臺階高度不宜超過4.5 m。

2)上臺階拱架安裝和手持風(fēng)鉆安全操作所需安全距離。爆破開挖后，必須保證臺階兩側(cè)的前緣至掌子面的有效長度大于一次拱架安裝長度(Ⅳ級規(guī)定2榀，間距為1.0～1.2 m)，并保障作業(yè)范圍有一定安全區(qū)域，而高度要顧及拱架單元結(jié)構(gòu)高度。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，微臺階長度不得小于3 m、高度也不得小于3 m。

3)考慮爆破對微臺階前緣的損傷所需安全長度。爆破必將引起炮孔底部的前沖作用，損傷臺階的前緣，但實踐證明通過精細(xì)爆破設(shè)計與施工，前緣損傷程度能夠有效控制在臺階設(shè)計長度的15%～20%。計入無法避免的爆破損傷長度，結(jié)合拱架一次安裝所需最小長度2.4 m，臺階設(shè)計長度不應(yīng)小于3 m。

4)濕噴混凝土臺車、挖掘機(jī)、管棚鉆機(jī)、超前地質(zhì)鉆機(jī)等設(shè)備是隧道施工的常用大型設(shè)備，當(dāng)單線鐵路隧道采用微臺階工法爆破開挖時，設(shè)備選型要考慮其與臺階尺寸的匹配性。

綜上所述，鐵路單線隧道采取爆破開挖時，Ⅳ圍巖的臺階長度控制在3～4 m、Ⅴ級圍巖的長度控制在4～5 m，兩者的上臺階高度宜在3～4 m。在具體擬定時，宜偏大取值。

2 新微臺階精準(zhǔn)爆破開挖技術(shù)研究

2.1 傳統(tǒng)微臺階法爆破開挖存在的主要問題及原因分析

1)不能夠形成較為穩(wěn)定的臺階，臺階前緣破壞嚴(yán)重，甚至發(fā)展到掌子面，威脅到掌子面的穩(wěn)定。主要原因是爆破參數(shù)不合理、控制工藝差，比如大孔網(wǎng)參數(shù)、藥量過大形成拋擲，網(wǎng)絡(luò)逐排起爆，鉆孔偏差大等。

2)上臺階拱架的鎖腳質(zhì)量無法保障并產(chǎn)生背后脫空現(xiàn)象。主要原因是受傳統(tǒng)過量裝藥利于翻碴思想的束縛，上臺階掌子面底板爆破引起過大振動，導(dǎo)致圍巖嚴(yán)重松馳，并在微臺階爆破時(甚至不實施光面爆破)又進(jìn)一步發(fā)展所致。

2.2 新微臺階精準(zhǔn)爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原理及特點

2.2.1 原理

以隧道的中線為對稱軸，水平炮孔成方形對稱布置于微臺階光爆層之間，分散于各排最先起爆的2個炮孔對稱于中線兩側(cè)，并以此為基點依次向隧道輪廓線和中線方向設(shè)計起爆順序，且排間起爆順序為自上而下接力網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，構(gòu)成排間相鄰炮孔連線成“W”型臨空面。同時，炸藥消耗以微臺階自由面輕微隆起為度，滿足挖掘機(jī)有效作業(yè)要求，從而避免臺階前緣形成大斜坡或凹坑，原理如圖4所示。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖

2.2.2 特點

1)以微臺階中線為對稱軸，炮孔呈方形“對稱”布置。理論研究認(rèn)為，炮孔間(對稱于A炮孔兩側(cè)的B炮孔)應(yīng)力σ疊加有利于巖石破碎，而隨著逐漸遠(yuǎn)離炮孔底部O點，應(yīng)力由疊加過渡到完全抵消，這種效應(yīng)有利于控制臺階前緣損傷范圍，如圖5所示。同時，中心孔3有雙臨空面，炸藥用量減半將有利于改善中央?yún)^(qū)爆破質(zhì)量，如圖6所示。

圖5 對稱爆破應(yīng)力波疊加原理

圖6 爆破作用方向

2)每排最先起爆的炮孔“分散”在對稱軸兩側(cè)，改善了中央?yún)^(qū)呈凹坑的現(xiàn)象，見圖4(a)。

3)孔間“微差”，炮孔作用方向變?yōu)橐詡?cè)向為主，大大改善了炮孔底部向掌子面方向的沖擊破壞作用。見圖6。

4)排間“接力”，指次排最先起爆的炮孔緊接前排末段炮孔起爆(見圖4(a))，既降低排間振動效應(yīng)，同時又維持了微差效應(yīng)。

綜上所述，同排分散且對稱微差、排間接力形成“W”型臨空面，削弱了微臺階中心區(qū)的應(yīng)力波疊加作用，有助于端部效應(yīng)降低，從理論上講完全有別于一字型(逐排)、V字型、梯形、波浪等爆破微差網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)規(guī)律性極強(qiáng)，便于現(xiàn)場操作，但當(dāng)段位有限時，可自第3排起按梯型網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行設(shè)計。

2.3 微臺階爆破參數(shù)系統(tǒng)研究

微臺階開挖輪廓前提是采用光面爆破設(shè)計，其經(jīng)驗成熟，相關(guān)參數(shù)此處不討論，僅研究光爆層之間的輔助眼參數(shù)。

2.3.1 微臺階孔網(wǎng)參數(shù)

要保持爆破對微臺階前緣圍巖的損傷程度最低，微臺階應(yīng)盡量采取小孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥低單耗、雷管多段位[15]的方法，但如此一來，過多的炮孔與雷管消耗就會失去實用價值。故結(jié)合露天臺階控制爆破經(jīng)驗，基于水平炮孔爆破原理特點，微臺階炮孔間距a=1.0～1.3 m、排距b=0.8～1.0a和最小抵抗線W=1.0～1.2 m 3個參數(shù)與露天臺階淺眼控制爆破一致。鑒于微臺階有良好的水平臨空面，另一個重要參數(shù)——炮眼深度l，應(yīng)做到每循環(huán)上、下臺階爆破后的臺階長度基本穩(wěn)定，其微臺階各排孔的計算深度lj(見圖4(b))應(yīng)遵循： 首排孔計算孔深lj=l上-0.2， m(l上指上臺階的炮眼深度， m)； 第2排孔計算孔深lj=l上-0.15， m； 其余各孔計算孔深lj=l=l上-0.1， m。

2.3.2 微臺階爆破開挖炸藥合理單耗研究

爆破損傷臺階的程度直接取決于炸藥單耗，其合理取值既要杜絕產(chǎn)生拋擲現(xiàn)象，又要讓巖塊有效脫離并適當(dāng)松動，爆破后的微臺階表面輕微隆起20～30 cm。

據(jù)經(jīng)驗炸藥消耗q=0.35～0.5 kg/m3時，配合網(wǎng)絡(luò)微差設(shè)計，可實現(xiàn)自由面隆而不拋。Ⅳ級圍巖偏大取值，Ⅴ級圍巖偏小取值。中心孔降低50%，兩側(cè)孔破裂角較小，應(yīng)增加20%。

2.3.3 微臺階各孔裝藥計算

藥量仍然采用經(jīng)典的體積公式計算，各孔精準(zhǔn)計算公式如下

Q=qV；

(1)

Q中=0.5q×V；

(2)

Q邊=1.2×0.5q×V；

(3)

V=a×b×lj或a×W×lj。

(4)

式中：q為炸藥單耗，kg/m3；V為炮孔承擔(dān)的體積，m3；W為最小抵抗線，m；lj為炮孔的計算孔深，m；Q為除中心炮眼、兩側(cè)輔助眼外的其余輔助眼裝藥量，kg；Q中、Q邊分別為隧道中線上的輔助眼和同排兩側(cè)輔助眼的裝藥量， kg。

2.3.4 裝藥結(jié)構(gòu)形式

微臺階兩側(cè)開挖輪廓的周邊眼采用導(dǎo)爆索藥串裝藥結(jié)構(gòu)形式，而中心孔與兩側(cè)邊孔采取空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)形式，其余炮孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)形式。

3 新微臺階施工設(shè)備配套技術(shù)

3.1 可拆卸式帶伸縮滑槽裝置的開挖工裝

為應(yīng)對不規(guī)則臺階施工安全作業(yè)需求，有效控制鉆孔質(zhì)量，研發(fā)了一種“可拆式帶伸縮滑槽裝置的隧道微臺階開挖組合臺架”，如圖7所示。

該臺架與懸臂式臺架比，可以充分接近微臺階的工作面，避免懸臂式臺架移動時保持平衡困難的問題。同時，主骨架設(shè)計強(qiáng)度與剛度較大，安全性能高，其并行作業(yè)平臺質(zhì)量輕，移動靈活。另外，液壓鑿巖臺車能夠完全適用于兩臺階的微臺階開挖工法，有條件宜采用。

(a) 多功能平臺正視圖

(b) 多功能平臺側(cè)視圖

3.2 清砟設(shè)備選型

微臺階開挖工法宜使用挖掘機(jī)完成清砟作業(yè)，若仍使用裝載機(jī)裝砟作業(yè)為主，無疑臺階爆破必須形成拋擲才能夠保證其有效作業(yè)，而這必然使臺階形成大斜面或大凹坑。

挖掘設(shè)備宜選擇大功率設(shè)備，如PC200及以上類型。

4 工程案例

老中鐵路為單線鐵路，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為160 km/h?？缇秤颜x隧道全長約9 595 m，隧道開挖輪廓為馬蹄形、Ⅳ級支護(hù)參數(shù)與1.1節(jié)同。隧道最大埋深約220 m、穿越砂巖夾泥巖，弱風(fēng)化(W2)，力學(xué)參數(shù)ρ=2.3 g/m3、設(shè)計W4地層黏聚力c=0.25 MPa，W2未給值，內(nèi)摩角φ=40°(比理論分析略大)，地下水不發(fā)育。

4.1 實施方案

根據(jù)工程地質(zhì)與設(shè)計支護(hù)參數(shù)，結(jié)合理論模擬計算與實際設(shè)備配置，擬定Ⅳ級圍巖上臺階高度4 m、微臺階長度4 m，實行帶仰拱一次爆破開挖。Ⅳ級圍巖格柵間距1 m，設(shè)計進(jìn)尺2 m(孔深2.1 m)。依據(jù)研究成果，爆破孔網(wǎng)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(受非電毫秒導(dǎo)爆管雷管使用段位限制，自第3排起按梯形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計)如圖8所示，裝藥量見表2。

(a) 正面圖

(b) 側(cè)視圖

表2 微臺階精準(zhǔn)控制藥量表Table 2 Explosive charges in precise micro-bench blasting control kg

4.2 工程實施效果

4.2.1 微臺階質(zhì)量控制效果

經(jīng)統(tǒng)計10個月的數(shù)據(jù)，臺階前緣損傷程度平均在16.7%(偶有30%現(xiàn)象發(fā)生)，較試驗前大為改善。PC200挖機(jī)平均挖砟3.5 h，松動方便。進(jìn)度指標(biāo)為：Ⅳ級圍巖80～100 m/月、Ⅴ級圍巖60～75 m/月，均較以前提高31.3%，實施效果如圖9所示(因仰拱臨時回填需要，其效果未示出)。

圖9 微臺階Ⅳ級實施效果圖

4.2.2 圍巖穩(wěn)定性效果

試驗段較成功，建設(shè)單位同意5個工作面全部采用微臺階開挖。Ⅳ級圍巖臺階法25 d趨于穩(wěn)定，水平收斂最大值為50 mm；新微臺階法9 d趨于穩(wěn)定，水平收斂最大值為30 mm，如圖10所示。

(a) 前期臺階法D1K508+745周邊收斂

(b) 微臺階法D1K508+990周邊收斂

5 結(jié)論與討論

新微臺階帶仰拱一次爆破開挖技術(shù)的創(chuàng)新，對保障初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與作業(yè)安全，提升施工現(xiàn)場管理標(biāo)準(zhǔn)化、加快施工進(jìn)度等效果顯著。微臺階工法正在被重新重視起來，并被應(yīng)用于包括海底隧道、大斷面隧道，乃至于高地應(yīng)力軟巖隧道施工中，且都取得了好的結(jié)果。

1)單線鐵路隧道采取爆破開挖時，微臺階長度Ⅳ級圍巖為3～4 m、Ⅴ級圍巖的長度為4～5 m，其上臺階的高度均為3～4 m，具體擬定尺寸時可偏大取值。

2)新微臺階爆破開挖的孔間距、排距、首排孔的最小抵抗線等參數(shù)與露天臺階控制爆破參數(shù)相同。所不同之處： 1)炮孔成方形對稱布置且設(shè)計成奇數(shù)； 2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計遵循“分散、對稱、微差、接力”原則； 3)微臺階炮孔比上臺階炮孔減小5～10 cm，且第1、2排的炮孔計算深度又比微臺階其余炮孔略淺。

3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計力求多段位(有條件的使用數(shù)碼雷管更優(yōu))，精準(zhǔn)控制炸藥單耗，實現(xiàn)微臺階的自由面隆而不拋，滿足挖掘機(jī)有效清碴是前提，否則臺階必將受到嚴(yán)重破壞。

4)設(shè)備工裝配套是實現(xiàn)精準(zhǔn)爆破的必要條件，特別是在保證微臺階鉆孔精度的工藝控制上要有針對性研發(fā)工裝與設(shè)備的配套使用，這是落實工藝精細(xì)化的保障。

5)微臺階爆破開挖的鉆爆孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化還有待于進(jìn)一步試驗研究，使之更趨于合理。