圍巖級別及隧道埋深對隧道施工的影響分析

李黎龍

（四川沿江宜金高速公路有限公司，四川成都 610000）

0 引言

在隧道工程建設(shè)過程中，由于隧道地質(zhì)條件的限制，無法以相同的施工速度修建。因此根據(jù)不同的地質(zhì)條件運(yùn)用不同的施工組織方式，提高隧道工程的整體建設(shè)速度，成為隧道工程建設(shè)的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者在隧道圍巖性質(zhì)和隧道埋深對隧道施工的影響方面進(jìn)行研究，并取得一些成果。趙洪飛等[1]對隧道施工期間遇到膨脹性軟巖的情況進(jìn)行分析。方勇等[2-3]對公路隧道下穿采空區(qū)開挖過程進(jìn)行模擬試驗，分析開挖過程中地層的移動規(guī)律和初期支護(hù)受力特征。楊文平[4]提出在施工前根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報圍巖地質(zhì)情況設(shè)計實際施工方案，確保隧道實際施工的安全性和效率。杜飛天等[5]利用有限元模擬方法對中國西部某隧道圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行模擬，探討了隧道埋深對隧道施工的影響。

以上各位學(xué)者的研究都是探討圍巖級別和隧道埋深對施工的影響，缺乏圍巖級別和隧道埋深的變化以及不同組合對具體施工時間影響等方面的研究。鑒于此，本文以米倉山特長公路隧道項目的建設(shè)為例，統(tǒng)計米倉山特長公路隧道左線2015—2017年的實際施工信息，探究在隧道工程修建的過程中，隧道埋深和圍巖性質(zhì)對修建速度的影響，總結(jié)在實際隧道施工中隧道埋深和圍巖級別對施工影響的規(guī)律，并提出建議以提高實際施工的安全性和效率。

1 工程背景

1.1 隧道概況

米倉山隧道為特長隧道，設(shè)計為雙線分離式隧道，左線長13 833 m，右線長13 792 m。米倉山特長公路隧道的公路等級為雙向四車道高速公路，設(shè)計速度為80 km/h；車行橫通道建筑限界凈寬4.5 m，凈高5 m，襯砌內(nèi)輪廓擬定為拱高6 m的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)。人行橫通道建筑限界凈寬2 m，凈高2.5 m；襯砌內(nèi)輪廓擬定為拱高300 cm的單心圓直邊墻結(jié)構(gòu)。米倉山隧道軸線貫穿了沉積巖與巖漿巖，以巖漿巖及可溶性碳酸鹽巖為主體巖層。圍巖以Ⅲ級圍巖為主。

1.2 米倉山特長公路隧道的施工技術(shù)

根據(jù)圍巖情況，米倉山特長公路隧道主洞選用全斷面鉆爆法施工，采用復(fù)合式襯砌。在施工過程中，根據(jù)施工條件選用手持式鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，引進(jìn)阿特拉斯?jié)駠娷嚕褂脽o軌運(yùn)輸方法，采用巷道式通風(fēng)法。

在爆破方面，鑒于米倉山特長公路隧道圍巖的強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育的特點，在圍巖穩(wěn)固性允許的條件下，為減弱爆破作用對圍巖的擾動，采用周邊光面爆破的全斷面掘進(jìn)方案。

2 隧道施工用時分析

本文對米倉山特長公路隧道左洞2015—2017年三年來的施工進(jìn)度信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，在分析過程中隨隧道的進(jìn)尺每隔50 m取一個數(shù)據(jù)點，對此處施工循環(huán)所用時間、埋深及圍巖級別進(jìn)行統(tǒng)計，探究不同地質(zhì)條件對循環(huán)用時的影響。

2.1 施工循環(huán)用時

米倉山特長公路隧道左線在2015—2017年間，從1249.89 m掘進(jìn)到6092.20 m，共進(jìn)尺4842.31 m?？梢钥吹皆?250～3250 m這個區(qū)段，整體的施工循環(huán)用時超出其他的區(qū)段。其中施工循環(huán)用時超出1000 min的占此區(qū)段全部循環(huán)用時的40.48%，施工循環(huán)用時超過計劃循環(huán)用時的2/3，尤其在1250～2000 m的幾個施工循環(huán)，消耗時間超過1600 min。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在初始施工階段，施工工人的施工操作還不純熟，完成每道工序所需的時間還不穩(wěn)定，導(dǎo)致這個區(qū)段整體的施工循環(huán)用時較長。在3250 m以后的區(qū)段，可以看出整體施工循環(huán)所用時間大幅下降，基本在1000 min以下，表明施工進(jìn)入穩(wěn)定階段。

2.2 2015年的施工循環(huán)用時

在2015年期間，共進(jìn)尺1300 m，并且隨著施工的不斷進(jìn)尺，隧道埋深從258 m增加到522 m。從選取數(shù)據(jù)的大趨勢可以看出，隨著隧道埋深增加，每個施工循環(huán)所用時間呈整體下降的趨勢，從剛開始的1600 min以上降到了750 min左右。施工循環(huán)所用時間逐漸下降是因為隨著隧道掘進(jìn)的施工，現(xiàn)場施工人員的操作技術(shù)進(jìn)入穩(wěn)定階段，施工效率逐漸提高；同時隨著總進(jìn)尺的不斷增加，隧道圍巖條件逐漸變好，由Ⅳ、Ⅴ級圍巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棰?、Ⅲ級圍巖，圍巖質(zhì)量的提高為隧道施工提供了很大便利，降低了隧道施工的難度。

2.3 2016年的施工循環(huán)用時

2016年總施工進(jìn)尺為2421 m，隨著進(jìn)尺的增加，隧道埋深范圍為487.3～1076.6 m。2016年米倉山特長公路隧道左線施工循環(huán)所用時間的整體趨勢是隨隧道埋深增加，施工循環(huán)所用時間下降。這是因為隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，隧道埋深逐漸增加，并且圍巖級別有所降低，爆破效果得到提升，減少了補(bǔ)炮的工序。

2.4 2017年的施工循環(huán)用時

2017年截至數(shù)據(jù)收集時，隧道從4991.7 m掘進(jìn)至6092.2 m，共掘進(jìn)1100.5 m。隧道的埋深范圍為401.45～487.18 m。從2017年的隧道施工循環(huán)用時規(guī)律得知，隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，施工循環(huán)所用時間呈現(xiàn)增加趨勢。出現(xiàn)這個規(guī)律的原因是在2017年隧道施工的過程中，隧道圍巖級別基本是Ⅱ、Ⅲ級圍巖，圍巖過硬，導(dǎo)致在施工過程中出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，因此必須采取措施處理巖爆，避免其對施工造成影響，以致整體施工循環(huán)用時增加。

3 各個工序的用時分析

3.1 開挖用時

2015—2017年米倉山特長公路隧道開挖用時如圖1所示，該隧道項目施工過程中開挖工序的掘進(jìn)計劃用時為330 min，由圖1可以看出各個開挖工序所用的時間是波動的，無明顯規(guī)律。但是從圖1可以明顯看出的是4500 m處是一個分界點，4500 m以后的所有開挖工序用時要明顯少于4500 m以前的開挖用時。這是因為在4500 m以后，隧道的圍巖性質(zhì)變好，圍巖級別逐漸由Ⅳ級轉(zhuǎn)變?yōu)棰蠹墸⑶译S著進(jìn)度的推進(jìn)，隧道的埋深逐漸降低，大大降低了開挖鉆孔的難度，因此，4500 m以后的開挖施工所用時間出現(xiàn)整體減少的現(xiàn)象。

圖1 開挖用時

3.2 通風(fēng)用時

2015—2017年米倉山特長公路隧道的通風(fēng)用時如圖2所示，該隧道項目施工過程中通風(fēng)工序的掘進(jìn)計劃用時為30 min，在3年來的隧道施工通風(fēng)過程中，用時不超過計劃用時的施工循環(huán)用時接近1/3，而剩余施工循環(huán)用時皆超過30 min的計劃用時。尤其是在進(jìn)度達(dá)到2000～3000 m這個區(qū)段時，通風(fēng)用時大幅增加，并且通風(fēng)時間波動很大。這是因為這個區(qū)段中隧道的全部圍巖是Ⅲ級圍巖，圍巖較硬，為防止事故發(fā)生，延遲了出碴車的進(jìn)場時間，增加了通風(fēng)用時，導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象，這同樣也是5000～6000 m區(qū)段通風(fēng)用時增加的原因。

圖2 通風(fēng)用時

3.3 出碴用時

2015—2017年來米倉山特長公路隧道施工過程中的出碴用時由圖3所示，出碴工序的計劃用時是150 min，總體上有接近4/5施工循環(huán)中的出碴用時大于150 min，這主要是因為在隧道施工過程中出碴工序比較容易出現(xiàn)出碴車的調(diào)配、損壞、工序接替失序等問題，增加了在出碴工序使用的時間。

圖3 出碴用時

另外可以清楚地看到，在隧道施工進(jìn)度到達(dá)2750 m以前，施工中的出碴用時明顯大于其他區(qū)段的出碴用時。這是因為在隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)相同的情況下，隨著隧道埋深增加，掘進(jìn)施工時爆破出來的碴石越來越粉碎，在同等情況下，相對于埋深較淺的爆破施工可以裝載更多的碴石，減少了出碴施工的用時。

3.4 找頂用時

米倉山特長公路隧道正常施工循環(huán)中的計劃找頂用時為25 min，但是由圖4，即米倉山特長公路隧道2015—2017年的隧道施工找頂用時可以看出，在實際隧道施工過程中找頂用時不超過計劃用時的施工循環(huán)占比不到1/3，最高用時超過100 min。在施工過程中，找頂用時受開挖爆破效果影響，米倉山特長公路隧道施工爆破采用的是光面爆破的施工工藝，在爆破效果無法達(dá)到預(yù)期效果時就會增加找頂工序所用時間。

圖4 找頂用時

3.5 立架及噴漿用時

在米倉山特長公路隧道施工計劃中立架和噴漿是作為一道工序進(jìn)行計劃的，計劃施工時間是160 min。2015—2017年米倉山特長公路隧道左線實際施工的立架和噴漿用時如圖5和圖6所示。在立架和噴漿的施工過程中各個工序的施工用時不一樣，并且實施立架和噴漿工序的頻次也沒有明顯規(guī)律。這是因為在實際施工過程中立架和噴漿的施工與隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。如果隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)較好，就可以隔幾個施工循環(huán)再進(jìn)行立架噴漿的施工。

由圖5和圖6可以看出立架最長用時為350 min，噴漿最長用時為700 min，這是因為在本次施工循環(huán)中隧道的圍巖力學(xué)性質(zhì)較差，噴漿量需要增加，延長了噴漿所用時間。

圖5 立架用時

圖6 噴漿用時

4 結(jié)語

通過對米倉山特長公路隧道2015—2017年施工情況和地質(zhì)狀況的分析可以得出以下結(jié)論。

（1）在米倉山特長公路隧道的實際施工中，施工循環(huán)所用時間受隧道的圍巖性質(zhì)和隧道實際埋深影響，并且大部分施工循環(huán)所用時間都超過隧道施工計劃用時。

（2）在開挖施工過程中，隧道埋深對開挖影響較大，受圍壓的影響，隧道埋深較淺的地方掘進(jìn)難度小于埋深較大的地方。

（3）不同的圍巖力學(xué)性質(zhì)和隧道埋深組合會給實際施工帶來不同的影響，即同埋深、不同圍巖級別會消耗不同的時間，同圍巖級別、不同埋深也會帶來不同的時間消耗。

（4）在實際的施工過程中，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況及時調(diào)整各個工序的施工方案，以達(dá)到最佳的施工效果，提高施工效率。