榆社隧道淺埋段膨脹劑非爆破施工技術(shù)研究

摘? 要：榆社隧道淺埋段圍巖整體性差，極易發(fā)生坍塌危害，尤其是地表河溝常年明流水，施工難度大、危險(xiǎn)性高?；诖?，本文對(duì)開(kāi)挖施工中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并從安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，為保證開(kāi)挖后洞身的穩(wěn)定性，針對(duì)淺埋段，采用膨脹劑非爆破開(kāi)挖與常規(guī)鉆爆相結(jié)合的三臺(tái)階開(kāi)挖方式。實(shí)踐證明結(jié)合有效措施，能夠順利通過(guò)淺埋段的施工。

關(guān)鍵詞：榆社隧道;淺埋;管棚;膨脹劑非爆破;措施

中圖分類號(hào)：TU974? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）01-0000-00

0引言

隧道施工過(guò)程中，需要綜合考慮工程地址條件和工程重難點(diǎn)等問(wèn)題制定一套符合現(xiàn)場(chǎng)行之有效的施工方案。本文以榆社隧道為例，施工前對(duì)淺埋段的工程地質(zhì)、氣候水文、自然環(huán)境等不利因素，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所獲得的資料，進(jìn)行全面分析，視情況可在洞外采用地表注漿、漿砌片石等措施，洞內(nèi)可以管棚與超前小導(dǎo)管相結(jié)合的超前固結(jié)注漿、格柵鋼拱架等一種或多種措施聯(lián)合支護(hù)，開(kāi)挖視圍巖條件可以分臺(tái)階，DC法、CRD法等，或可以改良具體的一種開(kāi)采挖方式。例如本文所述的用膨脹劑非爆破開(kāi)挖和鉆爆法相結(jié)合的三臺(tái)階開(kāi)挖方式，輔以有效的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)銜接各施工工序，并嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)安全技術(shù)措施，保障隧道施工安全、高效的通過(guò)淺埋段[1]。

1工程概況

榆社隧道位于山西省晉中市榆社縣境內(nèi)，成南北走向，進(jìn)口里程為DK70+700;出口里程為DK81+370;隧道全長(zhǎng)10670m，淺埋段里程為DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，最淺埋深只有12m，位于DK80+015處，隧道上方發(fā)育一條沖溝，有明水流動(dòng)。

隧道穿過(guò)地質(zhì)層主要為新黃土、砂巖、泥巖，其中砂巖為較硬巖，而泥巖和泥質(zhì)砂巖為軟巖～較軟巖。榆社隧道區(qū)位于太岳山隆起帶，經(jīng)歷過(guò)新華夏構(gòu)造和南北構(gòu)造體的復(fù)合作用，所以構(gòu)造比較復(fù)雜，構(gòu)造類型和形式也多種多樣，大多構(gòu)造特征均呈南北走向或北東走向。隧道通過(guò)該構(gòu)造中的多處向、背斜和多條斷層，并且隧道區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，榆社隧道有發(fā)育斷層22條，分實(shí)測(cè)斷層9條，而物探推測(cè)斷層13條。淺埋段DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，位于斷層段分布，圍巖級(jí)別差，設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖[2]。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 施工方案

由于此兩段巖層結(jié)構(gòu)比較破碎松散、而且埋深淺，隧道在開(kāi)挖施工擾動(dòng)后很難形成自承體系，巖體失穩(wěn)，易造成巖石松弛，因張力導(dǎo)致巖石破壞，如果施工工法和支護(hù)措施處理不妥，很容易造成坍塌甚至冒頂事件。結(jié)合類似淺埋段隧道施工經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格按照“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則組織施工，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、要求，采用洞內(nèi)、洞外措施相結(jié)合的方式保障隧道圍巖的整體性[3]。

2.1.1洞外

DK80+015～DK80+030、DK80+965～DK80+995段隧道上方發(fā)育一條河流沖溝，并且常年明水流動(dòng)，為防止地表水下滲，隧道中線左右側(cè)各30m采用50cm厚M10漿砌片石，按沖溝排水坡度進(jìn)行鋪砌并過(guò)渡順接以利排水。

DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道采用地表注漿固結(jié)圍巖。

2.1.2洞內(nèi)

掌子面采取108mm大管棚與超前小導(dǎo)管相結(jié)合超前固結(jié)注漿支護(hù)，由于此段圍巖松散破碎，采取膨脹劑非爆破開(kāi)挖和鉆爆法相結(jié)合三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖，并且加設(shè)鎖角錨管保障支護(hù)的穩(wěn)定[4]。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

對(duì)于隧道掌子面開(kāi)挖，要求準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。施工前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用掌子面地質(zhì)素描和地面地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合地震波反射法（TSP）進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)開(kāi)挖作業(yè)面前方的地質(zhì)情況、圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)，與設(shè)計(jì)相同。根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)成果和施工階段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)觀測(cè)結(jié)果，此段為淺埋自穩(wěn)性差的軟弱破碎地層、斷層破碎帶，以及大面積淋水，因此極有可能出現(xiàn)大量涌水危害，綜合分析，本段采取Φ108大管棚超前注漿固結(jié)止水支護(hù)，使隧道施工淺埋段的安全性得到保障，確保施工人員、機(jī)械設(shè)備的安全，使隧道開(kāi)挖作業(yè)能順利開(kāi)展[5]。

2.3 超前支護(hù)

2.3.1地表注漿

榆社隧道DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道上方發(fā)育一條河流沖溝，并且常年明水流動(dòng)，為防止地表水下滲，在全段范圍內(nèi)以3m間距，深入隧底梅花形布設(shè)地表注漿孔，孔口位置布置見(jiàn)圖1地表注漿孔位布置示意圖，水泥漿液水灰比1﹕1（重量比），注漿壓力：0.5～1.0MPa，壓注水泥漿液固結(jié)圍巖。

2.3.2管棚施作

（1）管棚施工。管棚管采用Φ108mm，管壁厚6mm的熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度為30m，布置在拱頂120°范圍內(nèi)，環(huán)向布設(shè)間距40cm，距離隧道開(kāi)挖輪廓線35cm，傾斜向外插角為3～5°。管棚管上梅花形鉆設(shè)注漿孔，孔半徑5mm，孔間距50cm，鋼管后尾部1m范圍內(nèi)不設(shè)注漿孔作為止?jié){段。管棚管角度平行于線路縱坡，方向平行于線路中線。管棚管施作的誤差徑向數(shù)值20cm以內(nèi)，隧道縱向同一段面內(nèi)的接頭數(shù)量不大于總數(shù)的1/2，相鄰鋼管的接頭錯(cuò)開(kāi)布設(shè)，距離不小于2m[6]。

（2）注漿材料。此段為淺埋的軟弱破碎地層、斷層破碎帶，以及大面積富水，自穩(wěn)性差，適量采用雙夜?jié){、化學(xué)注漿用料（馬麗散、高分子等）進(jìn)行注漿堵水，注漿采用分段式注漿，注漿壓力為0.5～2MPa，注漿參數(shù)：水泥與水玻璃相結(jié)合的雙液漿，水玻璃濃度：35Be'：水泥漿與水玻璃體積比為1：1;緩凝劑摻量：水泥用量的2%;注漿終壓不小于2MPa;擴(kuò)散半徑：1m;

2.3.3超前小導(dǎo)管施

本段采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)方法，施作小導(dǎo)管型號(hào)采用φ42，壁為3.5mm厚的熱軋無(wú)縫鋼管，小導(dǎo)管前段做成尖錐狀，在末端焊設(shè)箍筋;沿環(huán)向布設(shè)間距33cm/根，線路方向每2榀鋼架施做一環(huán)，相鄰兩排的鋼管水平投影長(zhǎng)度搭接不小于150cm;小導(dǎo)管外插傾斜角分別采用10°～15°交叉布設(shè);水泥漿液水灰比1﹕1（重量比）或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定，注漿壓力：0.5～1.0MPa[7]。

2.4 開(kāi)挖

2.4.1 三臺(tái)階法施工

Ⅴ級(jí)圍巖采取膨脹劑非爆破和鉆爆法相結(jié)合的三臺(tái)階加設(shè)臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖[8]。三臺(tái)階施工開(kāi)挖示意圖2。

步驟一：（1）借用上一循環(huán)施作的鋼拱架為基點(diǎn)施作隧道超前支護(hù)。（2）膨脹劑非爆破開(kāi)挖①部，嚴(yán)格執(zhí)行每循環(huán)進(jìn)尺0.6m，掌子面初噴5cm厚混凝土封閉。（3）分部施工①部上臺(tái)階巖面的初期支護(hù)，即初期噴護(hù)4cm厚混凝土，安設(shè)型鋼拱架。（4）鎖腳錨管，布設(shè)系統(tǒng)錨桿。⑸復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

步驟二：（1）在①部施作一定距離后，利用弱爆破左右幅前后交錯(cuò)開(kāi)挖②、③部。（2）噴護(hù)5cm厚砼封閉掌子面。（3）中下臺(tái)階外側(cè)部分初期噴護(hù)4cm厚砼，施作鋼架。（4）鎖腳鋼管施作，根據(jù)設(shè)計(jì)布設(shè)系統(tǒng)錨桿。（5）復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

步驟三：（1）開(kāi)挖④部。（2）隧道底部仰拱部分進(jìn)行初期噴護(hù)4cm厚混凝土，施作仰拱鋼架。（3）復(fù)噴砼至設(shè)計(jì)厚度。

步驟四：施作④部隧底仰拱及仰拱填充砼（隧底仰拱及仰拱填充砼應(yīng)分次施作）。

步驟五：利用監(jiān)控量測(cè)，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析，確認(rèn)初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后，利用可移動(dòng)式襯砌模板臺(tái)車一次性澆筑上部襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

2.4.2 隧道爆破控制

（1）難點(diǎn)分析。隧道的施工工法普遍為鉆爆法，因?yàn)楸径温錇闇\埋段，下穿常年流水河流，整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程必須保證上層河床圍巖不受破壞，防止河水下灌隧道內(nèi)。因?yàn)樽鳂I(yè)面離河床距離很近，最小距離小于洞徑尺寸，因掌子面爆破所引發(fā)的不良反應(yīng)極有可能對(duì)上層河床基巖造成影響，因此，爆破過(guò)程必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)據(jù)計(jì)算與結(jié)果分析，制定切實(shí)可行的爆破方案。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，因爆破產(chǎn)生的震動(dòng)是對(duì)隧道附近事物造成傷害的主要因素。施工過(guò)程中必須對(duì)爆破所產(chǎn)生的震動(dòng)進(jìn)行綜合分析，不斷優(yōu)化調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，確保把爆破振動(dòng)的影響效果控制在合理的范圍內(nèi)。本段采用三臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階采用膨脹劑非爆破開(kāi)挖，中下臺(tái)階開(kāi)挖采用常規(guī)的短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)原則[9]。

（2）上臺(tái)階膨脹劑非爆破開(kāi)挖。淺埋段下穿河流，由于埋深淺，最小12m，為避免河床圍巖破壞，上臺(tái)階采用膨脹劑非爆破法開(kāi)挖。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，制定膨脹劑非爆破開(kāi)挖施工參數(shù)。具體開(kāi)挖流程為：中線及開(kāi)挖輪廓線測(cè)量放樣→根據(jù)上臺(tái)階開(kāi)挖斷面情況確定掏槽及孔位布設(shè)方式→孔位測(cè)量放樣→引孔→施作孔眼→孔眼灌裝（膨脹劑）→膨脹劑反應(yīng)→劈裂機(jī)劈裂（破碎機(jī)破碎）→機(jī)械開(kāi)挖→出渣。

注意事項(xiàng)：由于上臺(tái)階沒(méi)有臨空面，為保證膨脹劑膨脹效果，必須人為制造臨空面，需用引孔機(jī)引孔來(lái)創(chuàng)造臨空面，掏槽眼設(shè)置直徑10cm，孔與孔之間以相切形式布設(shè)，形成一個(gè)類似于郵票洞一樣的直線，分析巖層軟硬特點(diǎn)，在上臺(tái)階巖石下部布設(shè)掏槽孔，掏槽以水平形式布置。

根據(jù)多次試驗(yàn)，鉆孔孔徑選擇50mm，膨脹效果最佳，選擇高效的膨脹劑進(jìn)行施工，在灌膨脹劑時(shí)，膨脹眼由周邊眼和輔助眼組成，輔助眼布設(shè)間距為30cm～40cm，本文周邊眼的布設(shè)間距為35cm，并傾斜向外5～10°，周邊眼比輔助眼深25cm左右，孔位布置圖詳見(jiàn)圖3上臺(tái)階膨脹孔布置示意圖。便于現(xiàn)場(chǎng)膨脹劑灌裝操作，把孔眼施作成傾斜向下的楔形膨脹孔。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)臨空面的位置，有近及遠(yuǎn)，分層破碎的原則，效果比較理想。

膨脹劑灌注程序：

1）準(zhǔn)備：本工程采用HSCA無(wú)聲混凝土膨脹劑，所需材料膨脹劑、潔凈冷水、塑料拌和桶、木質(zhì)桶竿、防護(hù)眼鏡、膠質(zhì)手套、頭盔、防護(hù)面罩、封口器等。

2）攪拌：HSCA是一種粉狀材料，使用前須與潔凈冷水充分混合。膨脹劑規(guī)格為5Kg一包，每包配備1.5～1.7升水，先將潔凈水倒入攪拌容器中，再緩緩倒入5Kg膨脹劑，用木質(zhì)桶竿攪拌成具有流動(dòng)性的均勻漿體。

3）裝填：應(yīng)從臨空面附近開(kāi)始，由下往上，由內(nèi)往外，逐排裝填，裝填之前，必須將鉆孔內(nèi)清理干凈，保證孔內(nèi)無(wú)雜物、積水，裝填傾斜向下的鉆孔時(shí)，將拌制好的膨脹劑快速裝入孔內(nèi)，裝孔要求密實(shí)，孔口可以不需賭賽。裝填水平方向和傾斜向上的鉆孔時(shí)，把干稠的膠泥狀膨脹劑搓成條狀充填孔中，并搗實(shí)。攪拌后的膨脹劑必須在10分鐘內(nèi)填塞完成，否則，流動(dòng)性和破碎效果降低[10]。

水平方向和傾斜向上的鉆孔，也可把膨脹劑裝入用比鉆孔直徑略小的高強(qiáng)長(zhǎng)纖維紙袋內(nèi)，通過(guò)計(jì)算，確定一個(gè)操作循環(huán)所需要的破碎卷數(shù)量，放置空桶內(nèi)，然后加入潔凈水完全浸泡，破碎卷充分濕潤(rùn)30～50s左右、待破碎卷內(nèi)氣泡完全排除時(shí)，把破碎卷從清過(guò)孔的孔底開(kāi)始逐條裝入并捅緊，密實(shí)地裝填到孔口。即“統(tǒng)一浸泡，完全浸透，逐條裝填，分段搗實(shí)”。為保證水分和膨脹劑不流出，用黃泥封堵孔口五厘米。

4）裂開(kāi)：巖石剛開(kāi)裂后，為獲得更好劈裂效果，可向裂縫中加水，支持無(wú)聲膨脹劑持續(xù)反應(yīng)。

裝填膨脹劑注意事項(xiàng)：

1）在拌制或填塞時(shí)作業(yè)人員必須戴橡膠手套和防護(hù)眼鏡。

2）裝填操作中，作業(yè)人員不可將面部直接近距離對(duì)著已裝膨脹劑的鉆孔?？變?nèi)膨脹劑裝填完成后，應(yīng)及時(shí)打入封口器，遠(yuǎn)離裝灌點(diǎn)。

3）作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好清水和毛巾，從開(kāi)始灌漿到巖面裂紋發(fā)展前時(shí)間段，作業(yè)員必須正確佩戴防護(hù)眼鏡且不可直視炮孔，以防眼睛因噴漿而受傷害，漿體不慎碰到皮膚或?yàn)R入眼睛要立即用大量清水沖洗，現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單處理后立即到院就醫(yī)診治。

（3）中下臺(tái)階爆破控制。為避免中下臺(tái)階爆破振動(dòng)影響洞頂圍巖，破壞河床基巖穩(wěn)定，首先，充分利用分段延時(shí)爆破技術(shù)，從而最大限度的降低振動(dòng)速度;其次，為了防止因爆破雷管延時(shí)誤差或者延時(shí)時(shí)間不足而造成地震波疊加，造成爆破振動(dòng)反而增強(qiáng)，在對(duì)雷管段別選擇時(shí)，需要考慮加大炮孔之間的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，選擇跳段布設(shè)雷管的方式，可以有效分離臨近相鄰的兩個(gè)振動(dòng)主震，避免振動(dòng)的相互疊加，進(jìn)而為鄰排的爆破創(chuàng)造臨空面;最后，采取減小爆破進(jìn)尺，縮短鉆孔深度，減小單孔裝藥量等方式，有效降低爆破所產(chǎn)生的強(qiáng)震動(dòng)。

2.4.3 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工

開(kāi)挖步驟：

步驟一：用鉆孔臺(tái)車施工上臺(tái)階超前小導(dǎo)管→小導(dǎo)管注漿→開(kāi)挖→拱部錨桿及噴錨支護(hù)→底部設(shè)臨時(shí)支撐。

步驟二：中臺(tái)階拉開(kāi)適當(dāng)距離后，用錨桿鉆機(jī)施工兩側(cè)墻部超前小導(dǎo)管并注漿，同時(shí)中部豎向鉆孔→清砟→兩側(cè)墻開(kāi)挖→接安鋼架→加臨時(shí)仰拱。

步驟三：開(kāi)挖下部臺(tái)階→接安鋼架與仰拱鋼架形成封閉環(huán)→進(jìn)行初期支護(hù)→安設(shè)隧底防水板→灌筑該段內(nèi)仰拱→施做仰拱填充→鋪設(shè)拱墻防水板→臺(tái)車就位→澆筑拱墻混凝土。

步驟四：對(duì)全封閉防水段，先鋪設(shè)防水板→綁扎隧底鋼筋→澆筑仰拱→仰拱填充→鋪拱墻防水板→綁扎拱墻鋼筋→臺(tái)車就位→澆筑拱墻混凝土→養(yǎng)護(hù)。

2.5 圍巖監(jiān)控量測(cè)

隧道淺埋段必須在掌子面開(kāi)挖前布設(shè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，提前采集原始數(shù)據(jù)，做好施工過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)，分析數(shù)據(jù)變化情況，反饋與洞內(nèi)施工。地表布設(shè)的沉降觀測(cè)點(diǎn)與隧道內(nèi)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)應(yīng)在同一斷面里程。地表沉降觀測(cè)點(diǎn)縱向間距可按表1的要求布置。

（1）每次開(kāi)挖后，專人負(fù)責(zé)對(duì)掌子面情況觀察工作;如果出現(xiàn)巖層條件惡化情況，必須采取對(duì)應(yīng)處理措施;完成觀察應(yīng)及時(shí)繪制掌子面的地質(zhì)素描圖、并編寫(xiě)掌子面地質(zhì)性狀記錄表和施工階段圍巖級(jí)別判定標(biāo)識(shí)。

（2）每天對(duì)已施工地段觀察一次;主要查看初期支護(hù)砼、錨桿、初支拱架和二次襯砌砼等的工作狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

榆社隧道斷層淺埋段經(jīng)過(guò)綜合分析，洞外采用地表注漿和河床表層鋪設(shè)漿砌片石相結(jié)合的方式，洞內(nèi)采用頂部120°范圍內(nèi)設(shè)108mm大管棚與超前小導(dǎo)管相結(jié)合超前注漿固結(jié)圍巖的措施，掌子面采用膨脹劑非爆破開(kāi)挖上臺(tái)階與常規(guī)鉆爆中下臺(tái)階開(kāi)挖相結(jié)合的三臺(tái)階臨時(shí)仰拱的施工工藝，該工藝很好的解決了淺埋段破碎圍巖施工時(shí)存在的冒頂、坍塌和突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)。隧道施工從經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性方面得到有力保障。在以后的隧道施工中，如遇到類似地質(zhì)情況，結(jié)合本文取得的施工經(jīng)驗(yàn)，可采取更合理的施工方案，保障隧道施工的綜合效益。

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收稿日期：2020-12-05

作者簡(jiǎn)介：梁建民（1982—），男，山東巨野人，本科，工程師，研究方向：隧道工程。

Study on Non-blasting Construction Technology of Expansive Agent in Shallow Section of Yushe Tunnel

LIANG? Jianmin

（China Railway Sixteenth Group No.1 Engineering Co.， Ltd.，Beijing? 101300）

Abstract：The shallow-buried section of the Yushe Tunnel has poor integrity of surrounding rocks and is extremely prone to collapse hazards， especially in surface rivers with perennial open water， which is difficult and dangerous for construction. Based on this， this article analyzes the possible risks in the excavation construction， and from the perspectives of safety， environmental protection， and economy， in order to ensure the stability of the tunnel body after excavation， the expansion agent is used for non-blasting in the shallow buried section. A three-step excavation method combining excavation and conventional drilling and blasting. Practice has proved that combined with effective measures， it can smoothly pass the construction of the shallow buried section.

Key words： The Yushe Tunnel; Shallow burial;Pipe shed; Expansion agent non-blasting;Measures