小凈距隧道爆破施工對(duì)先行洞二次襯砌混凝土的控制措施

蘭錦榮

（中交三航（廈門）工程有限公司，福建 廈門 361006）

1 工程概況

寨頭隧道屬中隧道，設(shè)計(jì)為小凈距隧道，靠近出洞口段部分設(shè)計(jì)為較小凈距、超小凈距隧道。左線里程ZK28+238~ZK28+797.6，全長(zhǎng)559.6m，右線K28+205~K28+790，全長(zhǎng)585m，隧道折合單洞總長(zhǎng)1144.6m。寨頭隧道設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)分離式二車道設(shè)置，隧道最大開(kāi)挖寬度約12.32m，開(kāi)挖高度約10.14m，二次襯砌采用整體模筑混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌采用C30抗?jié)B混凝土，其抗?jié)B等級(jí)不低于S8；在V級(jí)圍巖、IV級(jí)圍巖較差區(qū)路段采用帶仰拱二次襯砌結(jié)構(gòu)，使襯砌結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)、增強(qiáng)二次襯砌整體性、提高抗側(cè)壓性能；洞內(nèi)V級(jí)圍巖區(qū)段及橫通道的交叉口加強(qiáng)段采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以有效提高襯砌抗彎、抗拉性能。二次襯砌施作的合理時(shí)間應(yīng)根據(jù)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，盡可能提高圍巖與初期支護(hù)的承載能力。寨頭隧道圍巖長(zhǎng)度及類別情況見(jiàn)表1。

表1 寨頭隧道概況一覽表

隧道洞身淺埋，穿越圍巖為強(qiáng)-中風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰熔巖，中-微風(fēng)化花崗斑巖，中-微風(fēng)化熔結(jié)凝灰熔巖，強(qiáng)-中風(fēng)化熔結(jié)凝灰熔。洞身開(kāi)挖采用爆破開(kāi)挖，開(kāi)挖方法主要有上下臺(tái)階法、上下臺(tái)階弧形導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法等，根據(jù)圍巖等級(jí)適時(shí)調(diào)整。

該工程施工部署為小里程進(jìn)洞口往大里程出洞口單向掘進(jìn)施工，但右洞進(jìn)洞口因征地拆遷嚴(yán)重滯后，業(yè)主未如期交地，提供原計(jì)劃的施工界面條件。人員、機(jī)械、設(shè)備按原計(jì)劃已進(jìn)場(chǎng)到位，為避免窩工怠工，減少不必要的損失，經(jīng)項(xiàng)目部研究決定左洞先行組織施工，做好圍巖分級(jí)開(kāi)挖、洞身初期支護(hù)、二次襯砌等施工工序，右洞根據(jù)征拆進(jìn)展情況及時(shí)組織施工。該施工部署方案面臨先行洞（左洞）二次襯砌混凝土工程先于后行洞（右洞）圍巖爆破施工，后行洞（右洞）洞身爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的震動(dòng)波對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)安全及實(shí)體質(zhì)量造成一定的影響。為將該影響消除或降至最低，通過(guò)采取一系列的技術(shù)措施予以控制。

2 隧道施工工藝流程

寨頭隧道圍巖開(kāi)挖采用控制爆破施工方法，施工中嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、緊封閉”十八字方針，加強(qiáng)圍巖與支護(hù)動(dòng)態(tài)的觀察、監(jiān)測(cè)，以有效控制圍巖變形；開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，以有效發(fā)揮支護(hù)體系的整體支承作用；二次襯砌原則上在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的前提下完成澆筑。隧道施工流程如圖1所示。

圖1 隧道施工流程圖

各級(jí)圍巖采用相應(yīng)的開(kāi)挖方法及施工方式如下：1）隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，采用機(jī)械開(kāi)挖方式。2）隧道洞內(nèi)主要采用爆破開(kāi)挖；對(duì)圍巖較差區(qū)段等應(yīng)盡量采用機(jī)械開(kāi)挖以避免爆破震動(dòng)對(duì)圍巖造成破壞。3）隧道主洞Ⅴ級(jí)圍巖段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖；開(kāi)挖時(shí)要求左右洞錯(cuò)開(kāi)施工，先行洞掌子面與后行洞掌子面間距不少于20m，并控制爆破最大臨界震動(dòng)速度小于5cm/s。隧洞開(kāi)挖按架立1榀鋼拱架為一循環(huán)進(jìn)尺，初期邊開(kāi)挖邊支護(hù)，二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果綜合分析，適時(shí)施做，一般下臺(tái)階距掌子面不超過(guò)20m，在開(kāi)挖左（右）側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，及時(shí)對(duì)隧道中間巖柱進(jìn)行加固及支護(hù)，防止先行洞與后行洞之間產(chǎn)生影響。施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、快加固、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，隧道主洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖預(yù)留變形量12cm，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量；施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方式和修正支護(hù)參數(shù)，確保安全。4）隧道主洞Ⅳ級(jí)圍巖段采用上下臺(tái)階弧形導(dǎo)坑法開(kāi)挖；開(kāi)挖時(shí)要求左右洞錯(cuò)開(kāi)施工，先行洞掌子面與后行洞掌子面間距不少于20m。隧洞開(kāi)挖按架立1-2榀環(huán)鋼拱架為一循環(huán)進(jìn)尺，初期支護(hù)邊開(kāi)挖邊支護(hù)，二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果綜合分析，適時(shí)施做，一般距下臺(tái)階掌子面不超過(guò)20m，在開(kāi)挖左（右）側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，及時(shí)對(duì)隧道中間巖柱進(jìn)行加固及支護(hù)，防止先行洞與后行洞之間產(chǎn)生影響。

施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、快加固、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則，控制最大臨界震動(dòng)速度≤8cm/s，應(yīng)防止后行洞開(kāi)挖導(dǎo)致先行洞已作支護(hù)、二次襯砌開(kāi)裂；隧道主洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖預(yù)留變形量8cm，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量，施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方式和修正支護(hù)參數(shù)，確保安全。5）隧道主洞III級(jí)圍巖段采用上下臺(tái)法開(kāi)挖；開(kāi)挖時(shí)要求左右洞錯(cuò)開(kāi)施工，先行洞掌子面與后行洞掌子面間距不少于20m，以減少施工爆破對(duì)臨近洞室的影響。隧道開(kāi)挖按2m~3m一循環(huán)進(jìn)尺，初期支護(hù)邊開(kāi)挖邊支護(hù)，二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果綜合分析，及時(shí)施作。施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則，控制最大臨界震動(dòng)速度≤15cm/s。

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果確定邊墻、拱部二次襯砌的澆注時(shí)機(jī)，一般情況下二次襯砌與掌子面間距Ⅴ級(jí)圍巖段不宜大于60m，Ⅳ級(jí)圍巖段不宜大于80m，Ⅲ級(jí)圍巖段不宜大于100m。

3 先行洞（左洞）二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)安全控制措施

3.1 后行洞（右洞）爆破藥量及爆破參數(shù)控制措施

寨頭隧道Ⅲ級(jí)圍巖段占比最大，占隧道總長(zhǎng)的62.2%，設(shè)計(jì)爆破藥量也最大，因此對(duì)相鄰洞及周邊環(huán)境的震動(dòng)影響也最大，因此以Ⅲ級(jí)圍巖爆破開(kāi)挖方法及參數(shù)的調(diào)整為例，以振動(dòng)波監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)核爆破藥量及參數(shù)。如按原施工組織及設(shè)計(jì)文件要求，Ⅲ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)開(kāi)挖方法為上下二臺(tái)階法，每循環(huán)進(jìn)尺為2m~3m。為減少單次爆破藥量從而減小爆破振動(dòng)影響，經(jīng)研究決定，將Ⅲ級(jí)圍巖開(kāi)挖方法優(yōu)化為上下三臺(tái)階開(kāi)挖，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺優(yōu)化為1.5m~2m。

首先，在開(kāi)挖順序上進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示，靠近中巖柱的下臺(tái)階3最后一步開(kāi)挖，使爆破時(shí)有一定的臨空面，減少地震波對(duì)中巖柱及先行洞（左洞）二次襯砌混凝土的傳遞作用。其次，上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)設(shè)計(jì)爆破藥量由151kg優(yōu)化為100.8kg，下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)設(shè)計(jì)爆破藥量由67kg優(yōu)化為44.7kg。通過(guò)減小每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺、爆破藥量及參數(shù)調(diào)整，確保爆破產(chǎn)生的振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率傳遞至先行洞（左洞）二次襯砌混凝土?xí)r不超規(guī)范允許值。當(dāng)振動(dòng)參數(shù)接近或超過(guò)規(guī)范允許值時(shí)，應(yīng)立即停止爆破作業(yè)，據(jù)實(shí)調(diào)整相關(guān)爆破參數(shù)，將爆破振動(dòng)參數(shù)嚴(yán)格控制在安全允許值范圍內(nèi)。

圖2 隧道爆破開(kāi)挖方法示意圖

3.2 先行洞（左洞）二次襯砌混凝土強(qiáng)度控制措施

寨頭隧道二次襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，為確保先行洞（左洞）二次襯砌混凝土強(qiáng)度在后行洞（右洞）爆破開(kāi)挖時(shí)達(dá)到符合要求的強(qiáng)度，首先，優(yōu)化二次襯砌混凝土配合比，適量摻加早強(qiáng)劑，提高早期強(qiáng)度；其次，灑水養(yǎng)護(hù)調(diào)整為噴涂養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，因洞內(nèi)通風(fēng)及氣溫等影響，灑水養(yǎng)護(hù)干擾因素較多，實(shí)施過(guò)程中養(yǎng)護(hù)效果波動(dòng)較大，導(dǎo)致混凝土實(shí)時(shí)回彈強(qiáng)度離散性大，調(diào)整為噴涂養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)后，混凝土實(shí)體強(qiáng)度質(zhì)量穩(wěn)定可靠；再次，加強(qiáng)二次襯砌混凝土實(shí)體強(qiáng)度檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)多留置同條件養(yǎng)護(hù)試件，收集二次襯砌混凝土7d同條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，二次襯砌混凝土待28d齡期后進(jìn)行實(shí)體回彈強(qiáng)度檢測(cè)，推算實(shí)際強(qiáng)度值。通過(guò)各種技術(shù)手段，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、對(duì)比、分析，確保先行洞（左洞）二次襯砌混凝土實(shí)時(shí)強(qiáng)度及齡期達(dá)到7d以上后滿足后行洞（右洞）爆破施工要求。

對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土7d同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度、28d齡期實(shí)體回彈強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，其中7d強(qiáng)度均大于20MPa，28d齡期實(shí)體回彈強(qiáng)度推算值均大于30MPa寨頭隧道Ⅲ級(jí)圍巖段二次襯砌混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2（截取部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表2 先行洞（左洞）二次襯砌混凝土強(qiáng)度匯總表

3.3 中巖柱保護(hù)與加固控制措施

對(duì)中巖柱進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙及施工方案要求進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿，嚴(yán)格控制超前小導(dǎo)管的長(zhǎng)度、搭接長(zhǎng)度、注漿孔間距、注漿壓力、注漿量等參數(shù)，確保超前支護(hù)穩(wěn)定可靠。

爆破開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格控制爆破孔深、孔距、藥量等參數(shù)，確保光面爆破效果，減少超挖欠挖現(xiàn)象，以此減少對(duì)中巖柱的二次擾動(dòng)。

初期支護(hù)盡快封閉成環(huán)，同時(shí)增設(shè)低預(yù)應(yīng)力錨桿，通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)力作用提高中巖柱進(jìn)整體性及穩(wěn)定性，使中巖柱與初期支護(hù)更緊密結(jié)合，共同抵抗圍巖釋放的應(yīng)力。

因左右洞施工進(jìn)度差距較大，出口段超小凈距部分的對(duì)拉錨桿因工藝上要求同步施工，考慮左洞處于地表淺埋段，初期支護(hù)長(zhǎng)期暴露且右洞進(jìn)行爆破施工對(duì)左洞初期支護(hù)成型段落存在較大安全隱患。通過(guò)研究決定，該段對(duì)拉錨桿優(yōu)化為低預(yù)應(yīng)力錨桿，左洞低預(yù)應(yīng)力錨桿組織施工后二次襯砌及早施作，預(yù)留混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的時(shí)間，確保后續(xù)二次襯砌混凝土強(qiáng)度滿足右洞爆破的安全要求。中巖柱保護(hù)及加固到位可充分抵抗后行洞爆破產(chǎn)生震動(dòng)對(duì)先行洞二次襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。

同時(shí)，加強(qiáng)中巖柱及后行洞（右洞）洞內(nèi)周邊位移及拱頂下沉監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握中巖柱的穩(wěn)定情況；拱頂測(cè)量是確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性、判斷支護(hù)效果、指導(dǎo)施工順序、預(yù)防拱頂崩塌、保證施工質(zhì)量和安全的最基本資料；周邊位移能最直觀地反映隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化。根據(jù)圍巖級(jí)別、開(kāi)挖方法等確定量測(cè)斷面間距，拱頂下沉和周邊位移的量測(cè)頻率，拱頂下沉量測(cè)斷面間距、量測(cè)頻率與周邊位移量測(cè)相同且二者選同一斷面。通過(guò)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，掌握中巖柱的穩(wěn)定狀況，指導(dǎo)施工。

3.4 監(jiān)測(cè)檢測(cè)控制措施

在后行洞（右洞）每循環(huán)爆破開(kāi)挖時(shí)，組織監(jiān)測(cè)單位對(duì)該爆破樁號(hào)相對(duì)應(yīng)的先行洞（左洞）二次襯砌混凝土進(jìn)行震動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)收集振動(dòng)速度及振動(dòng)頻率。寨頭隧道Ⅲ級(jí)圍巖段振動(dòng)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3（截取部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表3 振動(dòng)速度與頻率匯總表

對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。當(dāng)后行洞（右洞）爆破時(shí)，對(duì)先行洞造成的振速及振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)合爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)表（表4），為保守起見(jiàn)，套用表中第10類—新澆大體積混凝土（C20）中7d~28d齡期，結(jié)合實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率均大于50Hz，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振速均小于10cm/s，滿足安全要求，對(duì)二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)安全及質(zhì)量不會(huì)造成影響。

表4 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

3.5 先行洞（左洞）二次襯砌混凝土裂縫檢測(cè)措施

定期對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土進(jìn)行標(biāo)記，在后行洞（右洞）爆破開(kāi)挖前后對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土表面及結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，該工程采用裂縫探測(cè)儀在先行洞拱墻上的標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行掃測(cè)，通過(guò)爆破作業(yè)前后的掃測(cè)對(duì)比，二次襯砌混凝土未產(chǎn)生相關(guān)的裂縫，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)未對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)造成影響。

4 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

采用上述技術(shù)措施，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果，實(shí)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及參數(shù)均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，后行洞（右洞）按設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)施工不會(huì)對(duì)先行洞（左洞）二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)安全及實(shí)體質(zhì)量產(chǎn)生影響，安全可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程通過(guò)對(duì)寨頭隧道后行洞爆破藥量及參數(shù)控制、先行洞二次襯砌混凝土強(qiáng)度控制、中巖柱保護(hù)與加固控制、振動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)檢測(cè)、先行洞二次襯砌混凝土裂縫檢測(cè)等措施，成功解決了后行洞爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的震動(dòng)波對(duì)先行洞二次襯砌結(jié)構(gòu)安全及實(shí)體質(zhì)量的影響，順利解決了因進(jìn)洞口征地拆遷嚴(yán)重滯后而未造成整體工期延誤，節(jié)約了工程造價(jià)，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒。