高速公路隧道淺埋下穿建筑物變形控制研究

劉 宇，巫雅杰，杜憲武，楊玉平，李晨子

(中鐵北京工程局集團(天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

在隧道采用新奧法進行爆破開挖[1]之后，初期支護[2]、二次襯砌[3]的施工至關(guān)重要。王遠忠[4]以某工程為例,列舉了新奧法在隧道施工中的應(yīng)用與可能產(chǎn)生的風(fēng)險因素,并提出相應(yīng)的改進措施,從而為類似的施工工藝提供借鑒。孫龍等[5]對其他隧道初期支護沉陷開裂過程及發(fā)生原因進行了系統(tǒng)分析,探討了使初支結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因和對應(yīng)的處治措施。李先進等[6]研究了隧道拱部拼裝式二次襯砌施工方法及對應(yīng)的施工臺車設(shè)計方案，提出了不同的模板臺車設(shè)計方案。因此，為了隧道施工安全，施工人員應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求施作，在符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對爆破方案、初支以及二襯的施工工藝進行分析研究，從而確保隧道整體穩(wěn)定性，提高工程效率。

1 工程概況

隧道設(shè)計為分離式隧道，全長4 019 m，最淺埋深56 m(居民區(qū))，最大埋深346 m。左右兩洞門基本齊平，左洞身平面線形為直線，出口段平面線形為R-1 811.19圓曲線，右洞身平面線形為直線，出口段平面線形為R-1 800圓曲線。隧道洞口段左洞ZK65+703至ZK66+190與右洞K65+700至K66+181為一般小凈距隧道。左右洞分先后進洞，左洞為先行洞，與后行洞右洞掌子面錯開距離大于2倍隧道開挖寬度。

2 爆破施工工藝

2.1 施工技術(shù)要求

(1)在施工過程中，嚴格執(zhí)行《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范操作，確保周邊人員、工地施工人員的安全和設(shè)備設(shè)施的安全，并采取有效的措施，防止施工區(qū)附近建筑物和財產(chǎn)遭受損害。同時要保護周圍環(huán)境免受施工引起的過度污染，兼顧在建施工區(qū)及周圍群眾的生產(chǎn)和生活免受爆破的干擾，確保人身安全和財產(chǎn)安全。

(2)工程施工區(qū)處于城郊區(qū)附近地區(qū)，周邊涉及單位較多，現(xiàn)場應(yīng)成立專門協(xié)調(diào)小組，爆破前與政府一道共同對周邊建構(gòu)筑物設(shè)施等進行調(diào)查并取證，留取影像資料；同時爆破中應(yīng)嚴格控制爆破作業(yè)時間，采取有效措施降低施工噪音、粉塵等有害效應(yīng)，防止出現(xiàn)擾民現(xiàn)象等情況。

(3)為防止爆破施工過程中對周邊建筑物和設(shè)施造成危害，確保安全及周邊民眾穩(wěn)定工作，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，約請具有相應(yīng)資格的評審單位及相關(guān)部門進行會審，對該設(shè)計區(qū)域采用控制爆破方式進行，以滿足施工安全和工期要求。

(4)在爆破施工過程中，實時進行爆破振動監(jiān)測，嚴格控制振速，根據(jù)振動監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化爆破參數(shù)指導(dǎo)施工。

2.2 洞口施工

隧道進、出口處為自然斜坡，隧道軸線與等高線近似正交，故采用接長明洞的削竹式洞門。

隧道洞口施工時必須保證洞口的穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場情況，首先確保防排水措施，在洞頂布置洞頂水溝，并根據(jù)地形地貌、匯水面積等，設(shè)置洞外截水溝，同時還應(yīng)防止地表水流入施工場地范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)可進行地表預(yù)注漿加固，保證洞口的穩(wěn)定性和整體性。

洞口還應(yīng)及時進行明洞回填，首先清理施工范圍內(nèi)的殘渣，如鋼筋頭、木屑等；接著采用吊機及人工的方法，將碎石土運至洞口上方進行回填，注意及時按設(shè)計要求進行防護。洞口的邊仰拱均采用植草皮、掛網(wǎng)植草、種灌木等生態(tài)防護形式，減少人工痕跡的影響。

2.3 洞身施工

(1)隧道洞身段主要為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，采用臺階法進行開挖，對于Ⅴ級圍巖還須分布超前強支護，采用機械配合人工的辦法進行掘進開挖，同時采用復(fù)合式襯砌，初期支護以噴、錨、網(wǎng)為主，二次襯砌為模筑混凝土。

(2)隧道施工的基本工藝流程為：布設(shè)施工測量控制網(wǎng)→測量放樣→打孔→裝藥→聯(lián)線→警戒→起爆→通風(fēng)、排煙→找頂→安鋼架、初噴砼→監(jiān)控量測→出碴→完成初期支護及輔助措施。

2.4 爆破方案設(shè)計

隧道爆破開挖前，必須根據(jù)開挖段圍巖的地質(zhì)條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環(huán)進尺、爆破材料等因素編制詳細的鉆爆設(shè)計。鉆爆設(shè)計的主要內(nèi)容包括炮眼布置、數(shù)目、深度和角度、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法和爆破順序等。

隧道爆破的效果主要在于爆破參數(shù)的采取，如鉆孔炮眼數(shù)量、裝藥量等。采用風(fēng)鉆鉆孔、光面爆破，同時爆破人員應(yīng)根據(jù)爆破設(shè)計圖表及說明嚴格施工，并根據(jù)爆破效果及時修正有關(guān)參數(shù)，以達到理想的爆破效果。

2.5 盲炮的處理

盲炮在爆破技術(shù)負責(zé)人的指導(dǎo)下，由有豐富經(jīng)驗的爆破人員當(dāng)場處理，盲炮地點應(yīng)設(shè)立明顯標(biāo)志，其周圍5 m范圍內(nèi)嚴禁人員通行。

盲炮處理注意事項：由原裝藥人員當(dāng)班處埋，如有特殊情況需換人處理，裝藥人員應(yīng)在現(xiàn)場將裝藥情況、炮孔方向、裝藥數(shù)量交代給處埋人員；接著拉起警戒線，進行盲炮處理的工作準(zhǔn)備；處理完之后應(yīng)檢查驗收并解除警戒；最后進行原因分析及制定措施并記錄存檔。

盲炮處理的方法視具體情況決定，可采用下列幾種辦法。

(1)對盲炮孔內(nèi)的爆破網(wǎng)路進行仔細檢查后，若起爆網(wǎng)路完好，可將引線重新接通再行起爆。

(2)距盲炮孔0.6 m鉆一平行炮眼進行誘爆，但需注意巖層節(jié)理情況，在鉆孔地點不得有連通盲炮之裂紋。

(3)能安全妥善地取出堵塞物時，可重新裝塞起爆藥包進行起爆。

2.6 超欠挖的控制

(1)采用合適的鉆孔機械方法，保證炮眼的質(zhì)量，制定合適的裝藥量，減少人為因素對爆破質(zhì)量的影響。

(2)提高鉆孔的精度，其中周邊眼的精度是直接影響超欠挖的主要因素，因此要認真測畫中線高程，準(zhǔn)確畫出開挖輪廓線。

(3)隧道開挖采用光面爆破技術(shù)，嚴禁盲目放大炮，避免過分震動周邊圍巖，造成掉塊嚴重、變形、初支開裂甚至塌方等，繼而引起支護加強變更。初期支護須緊貼掌子面。嚴格控制超挖，禁止欠挖。超挖部分采用噴射混凝土回填密實，不留空洞，防止引起初支開裂變形。嚴格控制仰拱開挖深度和混凝土回填質(zhì)量。

(4)施工中應(yīng)加強監(jiān)控量測工作，出現(xiàn)異常情況時，及時調(diào)整鉆爆參數(shù)，防止出現(xiàn)塌方等危險[7]。

3 爆破施工危險因素及預(yù)防措施

(1)鉆孔機械傷害：規(guī)范地使用機械器材，持證上崗；機械的連接處采用合適的螺栓固定，防止脫落；操作人員需穿勞保服，戴手套，防止機械的直接傷害。

(2)高處墜落的措施：加強人員安全教育，經(jīng)常提醒施工人員注意防范；鉆孔作業(yè)時，保持鉆機的孔邊距大于設(shè)計規(guī)定距離，鉆機不能太靠近臺階邊側(cè)位置，不能冒險作業(yè)；檢查圍巖穩(wěn)定情況，尤其是巖層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，是否有弱面或斷層形成三角滑落體的可能性；鉆孔應(yīng)照明良好。

(3)早爆事故：嚴禁吸煙，禁止出現(xiàn)明火；炸藥和雷管分批次進入隧道，防止在運輸?shù)倪^程中發(fā)生意外；無關(guān)人員禁止入場，消除靜電等的影響。

(4)爆破飛石事故措施：認真組織清場警戒工作，警戒人員布崗合理，并堅守崗位，嚴防無關(guān)人員和車輛進入爆破危險區(qū)；警戒時通過口哨傳遞信號，同時通過對講機報險，聯(lián)絡(luò)信號清楚明白；清場工作干凈徹底，人員未全部清理不放炮，移動設(shè)備不全部撤離不放炮，壞設(shè)備不便退出應(yīng)與機主聯(lián)系，明確責(zé)任后再放炮；發(fā)生工傷事故后，應(yīng)及時報告公司領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門，保護好現(xiàn)場，并進行搶救。

(5)盲炮事故措施：盲炮識別→警戒→盲炮處理工作準(zhǔn)備→盲炮處理→檢查驗收→解除警戒→原因分析及制定措施→記錄存檔。

(6)火災(zāi)事故：進行安全教育，提高施工人員的防火安全意識，加強對現(xiàn)場規(guī)章制度的學(xué)習(xí)，自覺遵守各種防火規(guī)則。同時在重要的地方配備滅火器，熟悉滅火器的使用，落實防火措施。

(7)中毒和窒息事故：在隧道內(nèi)安裝監(jiān)控有害氣體的監(jiān)測裝置，有不良情況時及時報警，撤離人員；備好一般常用的救援工具，如擔(dān)架等，出現(xiàn)意外時，能夠及時救助。

(8)粉塵傷害事故措施：作業(yè)施工過程中，必須正確佩戴口罩，減少粉塵直接對人體的傷害；通風(fēng)管道應(yīng)及時開啟，置換隧道中的不良空氣，保持新鮮空氣的流通；盡量改善工法，采用濕式作業(yè)，降低粉塵的含量，加強揚塵控制，加強隧道內(nèi)空氣檢測，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，確保施工人員的健康安全。

(9)預(yù)防其他傷害的措施：加強人員安全意識，定期組織人員安全教育培訓(xùn)，每日施工前，進行班前講話教育，向作業(yè)人員講明施工風(fēng)險。項目部管理人員每日巡查，發(fā)現(xiàn)危險作業(yè)行為及時制止，并對違規(guī)作業(yè)人員進行安全教育。

4 隧道初期支護、襯砌施工工藝

隧道的支護系統(tǒng)主要由圍巖與支護兩部分組成。開挖時，圍巖的平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)及時施作支護，使其與圍巖共同達到一個新的平衡。因此，初期支護和襯砌的施工至關(guān)重要。

4.1 初期支護

對開挖后的圍巖進行及時封閉，防止圍巖暴露時間過長，控制圍巖的變形和松弛，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，并和二襯共同形成結(jié)構(gòu)承載荷載，在二襯施作前，初期支護是確保隧道施工安全的關(guān)鍵。

(1)錨桿[8]：作為初期支護的主要構(gòu)件，在設(shè)計施工中是必不可少的，特別是在軟弱圍巖中，其對圍巖的加固作用十分明顯。錨桿的設(shè)置應(yīng)沿隧道輪廓法線方向，錨桿施工時應(yīng)根據(jù)錨桿設(shè)置及圍巖實際情況及時調(diào)整錨孔角度，采用合適的鉆桿和鉆進方法。

(2)噴射混凝土：能及時、有效地防止開挖面巖層的松散、離層和掉落，是有效保護圍巖、防止塌方的重要手段。噴混凝土與圍巖的黏附是發(fā)揮噴混凝土支護效果的保證，也是噴混凝土最主要的力學(xué)作用。噴射混凝土是以混凝土高速噴射到受噴面上，依靠高速噴射時集料的反復(fù)連續(xù)撞擊壓密混凝土硬化而成的支護方式，其噴射的混凝土能夠在幾分鐘內(nèi)終凝，且強度增長快，并與錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架聯(lián)合形成支護整體，抑制圍巖變形，達到圍巖快速穩(wěn)定。

(3)鋼架：當(dāng)圍巖軟弱、破碎嚴重且自穩(wěn)性差時，隧道開挖后，需要及時提供足夠強的支護約束圍巖變形。在初期支護內(nèi)設(shè)置鋼拱架將增大支護結(jié)構(gòu)早期的剛度，阻止圍巖的過度變形并承受部分的松弛荷載。鋼拱架施工流程：超欠挖處理→初噴砼→測定鋼架位置→清除拱腳浮渣→鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、架立鋼架→安裝縱向鋼筋連接筋→錨桿固定、打鎖腳錨桿→復(fù)噴砼。當(dāng)鋼架侵入限界需要更換時，應(yīng)采取逐榀更換、先立新鋼架后拆除廢鋼架的方法，嚴禁先拆廢鋼架后立新鋼架或同時更換相鄰的多榀鋼架。

(4)鋼筋網(wǎng)：噴射混凝土之前，在巖面上掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后再噴射混凝土。鋼筋網(wǎng)通常作環(huán)向和縱向布置，環(huán)向筋一般為受力筋，縱向筋一般為構(gòu)造筋，網(wǎng)格尺寸一般為20 cm×20 cm。搭接長度應(yīng)為1～2個網(wǎng)格間距(不小于24 cm)，搭接方式為焊接。使用前要除銹和擦去油跡和浮土，且鋼筋網(wǎng)在初噴混凝土后安裝，鋼筋網(wǎng)與錨桿連接牢固。Ⅴ級圍巖采用雙層鋼筋網(wǎng)，Ⅳ級圍巖采用單層鋼筋網(wǎng)。

4.2 二次襯砌

二次襯砌是主要承載結(jié)構(gòu)，與初期支護共同承擔(dān)較大的后期圍巖變形壓力，應(yīng)適時施作，原則上仰拱超前、墻拱整體襯砌。

(1)隧道邊墻及仰拱二次襯砌的澆筑應(yīng)采用移動液壓模板臺車和泵送混凝土整體澆筑，以保證二次襯砌的密實，超挖部分采用同級混凝土回填。隧道進洞前，模板臺車應(yīng)裝配到位，每模襯砌應(yīng)連續(xù)澆筑，一次完成。

(2)二次襯砌施作時必須先澆筑仰拱，然后立模進行拱部混凝土澆筑。仰拱必須整體澆筑，不得分幅澆筑。

(3)二次襯砌澆筑時，應(yīng)采取措施保證隧道拱部混凝土灌注密實，必要時應(yīng)在拱部預(yù)留注漿孔，以便二次襯砌背后進行充填注漿。

(4)無仰拱地段二次襯砌應(yīng)一次澆筑成形，盡量避免先澆筑矮邊墻再澆筑拱圈。有仰拱段二襯鋼筋應(yīng)在邊墻與仰拱交界位置，按相關(guān)規(guī)范保證主筋接頭質(zhì)量。

(5)二襯混凝土澆筑時，拱頂必須預(yù)留注漿孔，注漿孔間距應(yīng)不大于3 m，且每模板臺車范圍內(nèi)的預(yù)留孔不得少于4個。

4.3 施工常見安全隱患問題

(1)支護不及時，封閉不及時，仰拱、二襯滯后。

(2)不能按要求施打系統(tǒng)錨桿。

(3)鋼筋網(wǎng)片漏掛、網(wǎng)片之間搭接不到位、鋼筋網(wǎng)片與圍巖不密貼。

(4)拱架之間連接板螺栓連接數(shù)量不夠，連接板之間不平順或存在錯縫。

(5)噴射砼厚度不夠，拱架外露。

(6)由于超挖，在噴射砼時因噴射手的原因造成初期支護與圍巖之間存在空洞，噴錨不密實。

(7)仰拱開挖后未能及時進行初期支護，閉合成環(huán)。

(8)二襯厚度、強度不符合要求，背后有空洞。

5 結(jié)語

如今，隨著高速公路的發(fā)展，隧道工程的建設(shè)也相應(yīng)增多，再加上人們安全意識的提高，特別是在隧道下穿密集居民區(qū)時，為了減少房屋的震動破壞，需要嚴格控制爆破，并及時進行初支和二襯的施作，這樣才能保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定控制。施工可遵循“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”原則。施工過程中須著重加強隧道超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測工作，腳踏實地，落到實處，杜絕流于形式，對隧道存在的不良地質(zhì)，還應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，確保施工和運營安全。