公路隧道原位擴(kuò)建開(kāi)挖面精度控制分析

寧立宙　藍(lán)健寧

摘要：為提高隧道原位擴(kuò)建工程開(kāi)挖面精度的控制程度，文章結(jié)合廷心隧道原位擴(kuò)建工程項(xiàng)目實(shí)例，基于該項(xiàng)目所處的地質(zhì)情況和改擴(kuò)建工程的特殊性，采用弱爆破配合機(jī)械開(kāi)挖的擴(kuò)建方式，并根據(jù)不同圍巖情況提出針對(duì)性的爆破方案。

關(guān)鍵詞：公路隧道;原位擴(kuò)建;超欠挖;精度控制

中圖分類號(hào)：U455.4

0 引言

公路交通建設(shè)一直是國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的重中之重，而隨著公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道工程的建設(shè)也越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)公路隧道的年增長(zhǎng)率高達(dá)20%[1]，并且呈現(xiàn)出逐年加快的趨勢(shì)。我國(guó)國(guó)土面積遼闊，地形地貌多樣，隧道工程的建設(shè)面臨著艱巨的挑戰(zhàn)，但也因此推動(dòng)了隧道工程技術(shù)的發(fā)展。目前，我國(guó)隧道工程建設(shè)在難度、數(shù)量以及規(guī)模上已居世界前列，繼續(xù)推動(dòng)工程建設(shè)的空間縮小。同時(shí)，早期建設(shè)的部分工程已不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，在這一背景下，公路隧道工程的改擴(kuò)建逐漸變成一種趨勢(shì)[2-4]。

原位擴(kuò)建屬于常規(guī)采用的隧道擴(kuò)建形式，需要將原有的隧道結(jié)構(gòu)拆除，同時(shí)加大隧道斷面面積，重新對(duì)其進(jìn)行支護(hù)和襯砌。既有隧道在早期開(kāi)挖過(guò)程中早已遭受多次擾動(dòng)，原有的巖石結(jié)構(gòu)已然遭到了破壞，只能通過(guò)人工支護(hù)進(jìn)行平衡。而原位擴(kuò)建不僅破壞了這個(gè)平衡，同時(shí)還需要加大隧道斷面，多次的應(yīng)力擾動(dòng)使得開(kāi)挖過(guò)程難度增大，這對(duì)開(kāi)挖面的精度控制提出了更高的要求。

目前，我國(guó)在隧道原位擴(kuò)建施工方面的工程實(shí)例較少，技術(shù)應(yīng)用不夠成熟。廣西區(qū)內(nèi)更是由于復(fù)雜的地形條件、成本技術(shù)限制等，在在建高速公路隧道原位擴(kuò)建工程方面并無(wú)先例。本文基于廷心隧道單側(cè)原位擴(kuò)建工程，對(duì)隧道原位擴(kuò)建開(kāi)挖面精度控制進(jìn)行分析，以期為隧道原位擴(kuò)建方面的研究提供實(shí)例支撐。

1 工程概況

既有廷心隧道位于河池市大化瑤族自治縣羌圩鄉(xiāng)洪籌村，為分離式隧道。隧道總體走向正北，左線長(zhǎng)507.5 m，右線長(zhǎng)516 m，進(jìn)出口路面設(shè)計(jì)高程分別為211.781 m、208.961 m，屬中隧道，是廣西首個(gè)原位擴(kuò)建的高速公路隧道工程。

廷心隧道原設(shè)計(jì)為雙向四車道高速公路，現(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)建至雙向六車道。原隧道建筑限界：凈寬為（0.75+0.75+2×3.75+1.0+1.0=11.00） m，行車道凈高為5.0 m。擴(kuò)建后隧道建筑限界：凈寬為（0.75+0.75+3×3.75+1.0+0.75=14.5） m，行車道凈高為5.0 m。

1.1 地質(zhì)條件

隧道區(qū)屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大。廷心隧道穿越相同山體，地面高程在210～339 m，相對(duì)高差約為129 m。隧道洞身埋深不深，最大為109.6 m。進(jìn)出口段山體斜坡自然坡角約為40°～60°。隧道所穿越山體地層巖性主要為三疊系百逢組砂巖，隧道進(jìn)出口段巖石較破碎，強(qiáng)風(fēng)化，圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)。洞身段巖石較完整，中等風(fēng)化，圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，力學(xué)強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較好。

1.2 水文條件

隧道區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，主要為地表溪流，具有季節(jié)性，水流量受大氣降雨影響較大。地表水沿覆蓋層中的空隙或縱向裂縫垂直下滲，隧道開(kāi)挖時(shí)洞室一般以淋雨或涌流狀出水為主，局部裂隙發(fā)育。

2 開(kāi)挖方案選擇

在一般的隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)中，圍巖的破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度以及巖石強(qiáng)度都是開(kāi)挖技術(shù)方案選擇中需要考慮的重要條件。而在改擴(kuò)建工程中，還需考慮原工程拆除難度和拆除后圍巖的擾動(dòng)情況。

本改擴(kuò)建工程涉及的隧道是已建成通車的隧道，仰拱、二襯、初支等結(jié)構(gòu)物內(nèi)有大量型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、超前導(dǎo)管和混凝土，強(qiáng)度高、體積大。同時(shí)，二襯表面光滑，表面混凝土在內(nèi)部鋼筋等的結(jié)合下較堅(jiān)硬，僅僅使用破錘機(jī)破除速度十分緩慢，且破除過(guò)程中易發(fā)生碎石飛濺，容易造成人員受傷，破錘的鉆頭也會(huì)加速損傷，造成額外的更換成本。

依托工程隧道圍巖以Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)為主，巖性多為中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，巖質(zhì)偏軟，結(jié)構(gòu)面松散或發(fā)育，膠結(jié)面一般，自穩(wěn)能力差，使用少量的炸藥即可對(duì)原隧道堅(jiān)硬的二襯混凝土起到很好的碎裂效果，減少機(jī)械作業(yè)時(shí)間。

因此，項(xiàng)目采用弱爆破配合機(jī)械開(kāi)挖的方法進(jìn)行原結(jié)構(gòu)物破除和開(kāi)挖掘進(jìn)工作。進(jìn)洞方式為單洞雙向掘進(jìn)，以減少對(duì)另一側(cè)洞口圍巖的擾動(dòng)。弱爆破碎明洞混凝土后，破錘機(jī)可輕松地將爆破后開(kāi)裂松散的襯砌混凝土進(jìn)行破除，配合挖機(jī)和土方運(yùn)輸車將廢棄物運(yùn)出。

3 爆破技術(shù)控制

原位擴(kuò)建隧道圍巖經(jīng)多次擾動(dòng)已產(chǎn)生應(yīng)力松弛，圍巖整體變形比新建隧道大，同時(shí)擴(kuò)挖側(cè)圍巖壓力較大[5]，不適宜的爆破手段更容易造成超欠挖。因此，爆破方法和技術(shù)參數(shù)的選擇尤為重要。

依托工程廷心隧道分為Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖，結(jié)合爆破安全規(guī)程[6]，針對(duì)不同圍巖等級(jí)采取不同的開(kāi)挖方法：Ⅴ級(jí)采取單側(cè)壁導(dǎo)坑上下臺(tái)階開(kāi)挖法;Ⅳ級(jí)圍巖采取上下臺(tái)階法掘進(jìn)，其中上臺(tái)階分為兩個(gè)區(qū)域爆破。

3.1 爆破參數(shù)

3.1.1 炮孔設(shè)置

項(xiàng)目針對(duì)不同的開(kāi)挖方式制定了不同的炮孔設(shè)置方案，各開(kāi)挖方式炮眼布置如圖1所示。

3.1.2 炮孔參數(shù)

（1）炮眼直徑

采用氣腿式鑿巖機(jī)YT28鉆孔，使用40 mm鉆頭，d=40 mm。

（2）循環(huán)進(jìn)尺

Ⅴ級(jí)圍巖上臺(tái)階設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺L=1.3 m，下臺(tái)階L=1.5 m。Ⅳ級(jí)圍巖段設(shè)計(jì)進(jìn)尺為1.5 m。

（3）炮孔深度

根據(jù)炮孔利用率計(jì)算孔深。炮孔利用率為85%，則Ⅴ級(jí)圍巖孔深L=1.3/0.85=1.5 m，Ⅳ級(jí)圍巖段設(shè)計(jì)深度為L(zhǎng)=1.5/0.85=1.8 m。

（4）掏槽形式

Ⅴ級(jí)圍巖與Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階部分采用掏槽爆破方式開(kāi)挖（見(jiàn)圖2），掘進(jìn)中掏槽效果的好壞直接影響隧道單側(cè)壁導(dǎo)洞開(kāi)挖的正常進(jìn)行，因周邊巖石的夾制作用大，所以炮孔不宜過(guò)深。

Ⅴ級(jí)圍巖采用楔形掏槽，掏槽孔間距設(shè)計(jì)為0.6 m，排距為1.0 m，開(kāi)口寬度初步定為1.0 m，掏槽孔深度為1.6 m，裝藥系數(shù)為0.60?，F(xiàn)場(chǎng)可按照作業(yè)面實(shí)際情況調(diào)整掏槽角度和長(zhǎng)度，掏槽孔比正常裝藥量多10%～20%，周邊孔則減少10%。

Ⅳ級(jí)圍巖采用直眼掏槽，掏槽眼共5個(gè)，其中空眼1個(gè)，超深20 cm，掏槽眼比正常眼裝藥量多10%～20%，周邊孔則減少10%。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，輔助眼和周邊孔深度基本一致，掏槽眼深度一般超深30～50 cm。施工時(shí)根據(jù)圍巖實(shí)際情況，針對(duì)性處理并調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，不斷完善爆破設(shè)計(jì)，力求達(dá)到最佳的爆破效果。

（5）輔助眼參數(shù)

輔助孔設(shè)計(jì)孔距為0.7～0.9 m，排距為0.6～0.8 m。由于本區(qū)段開(kāi)挖形狀不規(guī)則，采取多鉆孔少裝藥的方法，確保爆破一次成型，按大致均勻、局部適當(dāng)調(diào)整的原則布置。

（6）最大單響藥量

最大單響藥量根據(jù)實(shí)際情況確定，Ⅴ級(jí)圍巖上臺(tái)階控制≤5 kg，下臺(tái)階≤3.75 kg，Ⅳ級(jí)圍巖控制≤7.5 kg。

（7）每循環(huán)裝藥量

Ⅴ級(jí)圍巖采取單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，以機(jī)械掘進(jìn)方式為主，減弱松動(dòng)爆破為輔，藥量初步計(jì)算過(guò)程如下：

Q=ηqLS（1）

式中：q——單位炸藥消耗量（kg）;

L——炮眼深度（m）;

S——開(kāi)挖隧道面積（m2）;

η——炮孔利用率（%）。

經(jīng)計(jì)算，Ⅴ級(jí)圍巖上臺(tái)階整個(gè)斷面爆破每循環(huán)理論用藥量為：Q=0.90×0.80×1.5×14.53=15.7 kg，下臺(tái)階為：Q=0.95×0.7×1.5×15.86=15.83 kg;Ⅳ級(jí)圍巖整個(gè)斷面爆破每循環(huán)理論用藥量為：Q=1.0×0.90×1.5×8.98=12.12 kg。

（8）炮眼數(shù)確定

炮眼數(shù)量計(jì)算：

式中：N——炮孔數(shù)量（個(gè)）;

f——巖石堅(jiān)固性系數(shù);

S——開(kāi)挖隧道面積（m2）。

經(jīng)計(jì)算，Ⅴ級(jí)圍巖上臺(tái)階N=37個(gè)，Ⅳ級(jí)圍巖上臺(tái)階N=29個(gè)。由于本開(kāi)挖斷面形狀不規(guī)則，為便于控制截面形狀，采取多鉆孔、少裝藥的方式，實(shí)際取炮孔數(shù)會(huì)略少于理論值。

（9）裝藥結(jié)構(gòu)和起爆順序

需要爆破的周邊眼、掏槽孔、輔助孔均采用不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，所有炮孔均堵塞≥30 cm的炮泥。其裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

爆破的起爆順序?yàn)椋禾筒垩邸o助眼→底板眼→周邊眼。采用多段微差起爆（由內(nèi)向外），微差時(shí)間為30～50 ms。同一次爆破使用同類型、同廠家的雷管。

3.2 爆破安全驗(yàn)算

3.2.1 爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全距離驗(yàn)算

爆破地震波安全距離采用薩道夫斯基判據(jù)公式（針對(duì)隧道圍巖）：

式中：R——爆破地震波允許的安全距離（m）;

Q——單段最大裝藥量，取8 kg;

V——爆破地震安全速度（cm/s），隧道爆破洞口或明洞段時(shí)，對(duì)高壓線塔等建筑物爆破安全振動(dòng)速度V按≤2.5 cm/s 控制，保護(hù)對(duì)象主要是一般的磚混結(jié)構(gòu)的建筑物，取V=2.0 cm/s;

K——介質(zhì)性質(zhì)系數(shù)，取200;

a——地震波衰減系數(shù)，取1.6。

由表1可知，臨近爆破點(diǎn)位置爆破振動(dòng)速度的實(shí)際值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)允許值。因此，一般隧道爆破對(duì)圍巖及臨近爆破點(diǎn)的初支結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的影響，在施工過(guò)程必須要加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)（特別是初支結(jié)構(gòu)）的檢查并及時(shí)排除險(xiǎn)情，方可進(jìn)入下一步施工。

4 圍巖地質(zhì)與測(cè)量放線

4.1 圍巖地質(zhì)條件

圍巖地質(zhì)條件是隧道開(kāi)挖造成超欠挖的主要影響條件。這里所指的地質(zhì)條件主要為圍巖中存在的裂隙、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等使圍巖結(jié)構(gòu)變得脆弱的現(xiàn)象。一旦開(kāi)挖過(guò)程中觸及到這些地質(zhì)現(xiàn)象，就難以讓巖石照著預(yù)定的輪廓線崩落，從而造成超欠挖的情況。

圍巖地質(zhì)條件屬于非主觀條件，但也能采取一定的措施減小其對(duì)開(kāi)挖精度的影響。首先就是做好圍巖的地質(zhì)勘察工作，為爆破參數(shù)的修改提供依據(jù)。詳實(shí)的地質(zhì)勘察資料，可以提供準(zhǔn)確的受地質(zhì)構(gòu)造影響的脆弱面和脆弱部位的位置，從而讓鉆孔角度、鉆孔位置等參數(shù)得到及時(shí)的更改，減小超欠挖的程度。

4.2 測(cè)量放線方面

精準(zhǔn)的測(cè)量放線是控制超欠挖的有效手段。但由于隧道內(nèi)能見(jiàn)度差，導(dǎo)致測(cè)量控制精度的困難性增大，放線誤差大時(shí)，便會(huì)造成超欠挖的現(xiàn)象。因此，隧道的測(cè)量放線工作應(yīng)該引起現(xiàn)場(chǎng)施工人員的更多注意。對(duì)于放線的標(biāo)高和中線，一定要力保準(zhǔn)確。這兩個(gè)參數(shù)的偏差，會(huì)造成較大程度的超欠挖。同時(shí)，要做到勤測(cè)量，通過(guò)多次反復(fù)的確認(rèn)，保證工作的精準(zhǔn)程度。

5 現(xiàn)場(chǎng)施工效果

本文施工經(jīng)驗(yàn)得以運(yùn)用在廷心隧道原位擴(kuò)建工程中。首先使用弱爆破進(jìn)行既有隧道的襯砌拆除，在這一過(guò)程中注意爆破參數(shù)的選擇，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況精細(xì)調(diào)整，盡可能避免產(chǎn)生過(guò)大震動(dòng)，隨后機(jī)械開(kāi)挖至隧道輪廓線。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，該工程在施工中超欠挖程度小，初支均勻，噴混凝土用量小，取得了良好的施工效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文依托廷心隧道的工程建設(shè)，對(duì)公路隧道原位擴(kuò)建開(kāi)挖面的精度控制開(kāi)展了研究，將開(kāi)挖面精度控制技術(shù)分為多個(gè)方面進(jìn)行分析：首先是開(kāi)挖技術(shù)方案的選擇，項(xiàng)目充分考慮了工程自身的地質(zhì)情況，采取了有效的開(kāi)挖方式;其次是爆破技術(shù)的控制，根據(jù)不同的圍巖情況設(shè)置不同的爆破方案和技術(shù)參數(shù)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活調(diào)整;最后在減少圍巖超欠挖和測(cè)量放線誤差上提供了意見(jiàn)，最大限度地保證了開(kāi)挖面的精度，使工程得以順利進(jìn)行。本文研究成果可為今后類似工程的建設(shè)施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國(guó)隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（5）：1-65.

[2]張俊儒，吳 潔，嚴(yán)叢文，等.中國(guó)四車道及以上超大斷面公路隧道修建技術(shù)的發(fā)展[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2020，33（1）：14-31.

[3]林立宏，朱愛(ài)山，康三月，等.樓山隧道原位擴(kuò)挖方案比選研究[J].西部探礦工程，2020，32（10）：177-180.

[4]李永山，陳良兵，黃錦春，等.特大斷面隧道原位擴(kuò)建的施工力學(xué)特性分析[J].路基工程，2018（2）：201-206.

[5]胡居義，黃倫海.原位擴(kuò)建隧道圍巖變形及力學(xué)特性研究[J].公路交通技術(shù)，2011（6）：83-87.

[6]GB 6722-2014，爆破安全規(guī)程[S].

作者簡(jiǎn)介：

寧立宙（1987—），工程師，主要從事公路工程路面與隧道施工技術(shù)管理工作;

藍(lán)健寧（1996—），碩士，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作。