北樂原隧道開挖技術(shù)研究

董興兵

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410114）

1 工程概況

北樂原隧道位于呂梁山余脈，黃土覆蓋中、低山區(qū)，山頂渾圓，山脊連續(xù)；地勢總體呈東北西南走向，山勢西南高，東北低，黃土沖溝多位于東南西北兩側(cè)，微地貌表現(xiàn)為黃土梁、中陡坡－陡坎及沖溝等。地表海拔+1 055.98 m~+1 302.00 m，相對高差246.02 m。

北樂原隧道左線長2 010 m，右線長2 015 m，總長4 025 m，具體見表1所示。隧道圍巖主要為濕陷性黃土、水平層泥巖、砂巖，其中Ⅴ級圍巖1 375 m（占隧道總長34.2%），Ⅳ級圍巖2 600 m（占隧道總長64.6%）。隧道洞口段主要圍巖為粉質(zhì)黏土，洞內(nèi)圍巖主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖，同時(shí)洞口位于兩沖溝之間的狹長黃土梁上，山嶺兩側(cè)為黃土峭壁，洞口埋深淺，存在不同程度的偏壓，因此安全進(jìn)洞是本項(xiàng)目前期施工重點(diǎn)。隧道下穿沖溝、山坳段落，由于黃土地質(zhì)疏松，在地表水的侵蝕、沖蝕作用下，導(dǎo)致下穿沖溝、山坳段落平均埋深僅35 m左右，拱頂開挖線距地表僅25 m左右；最淺埋深處僅24 m， 拱頂開挖線距地表僅14 m左右，主要段落有：左線ZK2+100~ZK2+200段、ZK2+990~ZK3+060段，右線YK1+940~YK2+140段。如何安全、快速通過下穿沖溝、山坳段落，是本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)。

表1 北樂原隧道設(shè)計(jì)概況表

2 隧道開挖技術(shù)

2.1 整體開挖技術(shù)方案

北樂原隧道將按新奧法原理組織施工，在施工中投入大型機(jī)械設(shè)備，形成挖、裝、運(yùn)、錨、襯等多條機(jī)械化作業(yè)線。具體開挖方案如下：①由于北樂原隧道進(jìn)口端隧道洞口位于兩沖溝之間的狹長黃土梁上，山嶺兩側(cè)為黃土峭壁，洞口開挖線最大埋深18 m，最小埋深僅5 m左右，存在不同程度的偏壓，需先對邊仰坡加固處理，然后分級進(jìn)行洞口邊仰坡施工， 邊仰坡施工完畢后再施作管棚進(jìn)洞。②Ⅴ級圍巖洞口加強(qiáng)段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法施工，Φ42小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)。人工風(fēng)鎬配合機(jī)械開挖為主，必要時(shí)輔以預(yù)裂、微振動(dòng)爆破。③Ⅴ級圍巖普通斷采用留核心土環(huán)形開挖法施工，Φ42小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)。人工風(fēng)鎬配合機(jī)械開挖為主，必要時(shí)輔以預(yù)裂、微振動(dòng)爆破。④Ⅳ級圍巖采用留核心土環(huán)形開挖法施工，Φ25超前錨桿支護(hù)。風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔、微振動(dòng)光面爆破施工。

2.2 洞口加固

根據(jù)北樂原隧道右線出口洞頂?shù)刭|(zhì)地形條件（洞頂埋身淺，洞口兩側(cè)為峭壁，偏壓嚴(yán)重），為了確保施工安全，隧道開挖之前先進(jìn)行地表注漿處理。

（1）注漿方法。注漿采用雙層管雙栓法，鉆孔成形后，拔出鉆桿撤走鉆機(jī)，然后向鉆孔中插入一根套管，該套管的節(jié)長33~50 cm，其中開有小孔（即注漿孔）。

注漿時(shí)把兩端都裝有密封雙塞的注漿芯管插入上述外管中，由于注入壓力的作用漿液從兩組雙塞的中間經(jīng)噴射口脹開脹圈進(jìn)入土層中，逐次提升（或下降）芯管，即可實(shí)現(xiàn)逐段分層注漿，逐段分層高度宜為0.5 m。

（2）注漿工藝。為了滿足洞內(nèi)施工與地表注漿平行作業(yè)的要求，分段分片注漿?？傮w注漿順序?yàn)椋河啥纯谙蚨磧?nèi)方向分段按順序進(jìn)行，每段注漿先注溝側(cè)周邊孔，后注山側(cè)周邊孔，注漿時(shí)先外圍后內(nèi)部，并采取隔孔注漿方式。①鉆孔鉆進(jìn)。注漿鉆孔開孔直徑110 mm，鉆孔采用干鉆，注漿套管采用跟管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至基巖面下20 cm，鉆孔孔徑變?yōu)?1 mm并繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔施工按照先兩邊、后中間的施工順序，先進(jìn)行最遠(yuǎn)一排孔的施工，然后進(jìn)行最內(nèi)一排孔的施工，最后進(jìn)行中間一排加強(qiáng)孔的施工。在同一排，為防止相鄰施工孔之間竄漿，采用間隔施工法，施工孔間距為5孔，即：先進(jìn)行1#、6#、11#、16#……孔施工，再進(jìn)行2#、7#、12#、17#……孔施工，按此順序，直到全排孔施工完畢。②下套管與封堵。套管采用φ91 mm鋼管，每個(gè)孔的套管從孔底向上4.5 m范圍鉆設(shè)注漿孔，孔徑6~8 mm，間距15 cm，梅花形布置。芯管為φ76 mm鋼管，與注漿軟管連接。③注漿：注漿順序與鉆孔順序一樣，同時(shí)采用間隔施工法，施工孔間距為5孔。注漿應(yīng)先外側(cè)邊緣，后中心部位；土層注漿宜隔排跳孔施工；土層需分層進(jìn)行注漿，多預(yù)留108 mm的短套管，便于施工。注漿壓力0.5~1.5 MPa。

（3）洞口套拱及管棚施工。大管棚為超前預(yù)支護(hù)，在隧道開挖前完成，大管棚孔徑10~16 mm，孔縱向間距15~20 cm，尾部留100 cm止?jié){段，注漿參數(shù)：水泥漿和水玻璃體積比1∶0.5；水灰比1∶1；注漿壓力一般為0.5~1.0 MPa，終壓2 Mpa。安裝好有孔鋼花管后漿液由ZJ400高速制漿機(jī)拌制， 采用注漿機(jī)將砂漿注入管棚鋼管內(nèi)。

混凝土護(hù)拱作為長管棚的導(dǎo)向墻，斷面尺寸為0.6×2.0 m，護(hù)拱內(nèi)埋設(shè)鋼筋支撐，鋼筋與管棚孔口管連接成整體。

2.3 隧道開挖

（1）洞口加強(qiáng)段開挖。北樂原隧道開挖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法。開挖時(shí)以人工風(fēng)鎬配合機(jī)械開挖為主，必要時(shí)輔以預(yù)裂、微振動(dòng)爆破。Φ42小導(dǎo)管超前注漿支護(hù)，開挖循環(huán)進(jìn)尺為一榀鋼架間距，臺(tái)階長度3~5 m。左右側(cè)導(dǎo)坑間隔距離視施工現(xiàn)場的實(shí)際情況而定。仰拱襯砌滯后開挖10~15 m。單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法施工工序見圖1所示。具體施工步驟：先行導(dǎo)坑上部開挖①→先行導(dǎo)坑上部開挖段支護(hù)②→先行導(dǎo)坑下部開挖③→先行導(dǎo)坑下部開挖段支護(hù)④→后行導(dǎo)坑上部開挖⑤→后行導(dǎo)坑上部開挖段支護(hù)⑥→后行導(dǎo)坑下部開挖⑦→后行導(dǎo)坑下部開挖段支護(hù)⑧→模筑全周襯砌⑨。

圖1 單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法施工工序

（2）洞身開挖。隧道洞身Ⅴ級圍巖段采用三臺(tái)階開挖法，體開挖時(shí)以人工風(fēng)鎬開挖為主，輔以預(yù)裂、微振動(dòng)爆破。施作Φ42超前小導(dǎo)管，開挖后及時(shí)噴砼封閉巖面，并進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)。下導(dǎo)坑（含仰供）挖掘機(jī)拉槽開挖，兩側(cè)各留1.5 m邊墻人工風(fēng)鎬交錯(cuò)開挖，兩工序平行作業(yè)，縱向臺(tái)階的長度視施工現(xiàn)場的實(shí)際情況而定。留核心土環(huán)形開挖法施工工序見圖2所示。具體施工步驟為：上部環(huán)形開挖（先挖拱頂，后挖兩側(cè)）①→上部掛網(wǎng)、錨噴和架設(shè)鋼支撐②→開挖核心土③→下部土開挖④→下部拱墻掛網(wǎng)、錨噴和架設(shè)鋼支撐⑤→鋪設(shè)仰拱混凝土⑥→拱墻部分二次襯砌⑦。

圖2 留核心土環(huán)形開挖法施工工序

洞身Ⅳ級圍巖采用留核心土環(huán)形開挖法施工，Φ25超前錨桿支護(hù)。風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔、微振動(dòng)光面爆破施工。

2.4 隧道開挖爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

各級圍巖鉆爆參數(shù)確定。①洞口段爆破參數(shù)。洞口段設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺0.7 m，周邊眼孔距E=60 cm，底板眼E=85 cm，輔助眼孔距E=70~120 cm，掏槽眼間距E=15~50 cm，具體炮眼布置見圖3所示。具體先行導(dǎo)坑上部及下部開挖位置炮眼布置參數(shù)見表2、表3所示。受文章篇幅限制，下行導(dǎo)坑炮眼參數(shù)文中不再贅述。②洞身Ⅴ級圍巖采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法。設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺1.6 m，周邊眼孔距E=50 cm，底板眼E=60 cm，輔助眼孔距E=70~90 cm，掏槽眼間距E=15~50 cm，具體炮眼布置見圖4所示。具體上臺(tái)階炮眼布置參數(shù)見表4。③洞身Ⅳ級圍巖普通段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法。設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺2.7 m，周邊眼孔距E=50 cm，底板眼E=60 cm，輔助眼孔距E=70~90 cm，掏槽眼間距E=15~50 cm。

圖3 單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖炮眼布置示意圖

表2 先行導(dǎo)坑上部炮眼布置參數(shù)

表3 先行導(dǎo)坑下部炮眼布置參數(shù)

圖4 三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法炮眼布置示意圖

表4 上臺(tái)階炮眼布置參數(shù)

裝藥參數(shù)。①裝藥結(jié)構(gòu)。炸藥有Φ25×250 mm、Φ32×280 mm兩種規(guī)格，電雷管周邊眼采用小直徑藥卷（Φ25）空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，其余炮眼采用特制藥卷（Φ32）連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。②掏槽眼裝藥量及起爆方式。掏槽眼裝藥系數(shù)選擇在75%~80%左右。眼底加強(qiáng)裝藥，堵塞炮泥不宜小于40 cm。起爆采用Φ32乳化炸藥、毫秒間隔非電雷管。

3 總結(jié)

開挖是隧道施工方案重要組成單元，開挖技術(shù)方案會(huì)直接影響隧道施工效率及質(zhì)量，因此應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場條件合理確定。文章以北樂原隧施工為工程背景，對隧道開挖技術(shù)方案進(jìn)行分析。由于隧道洞口段圍巖以粉質(zhì)黏土、洞口埋深淺且存在不同程度的偏壓，為確保洞口開挖安全，采用注漿、管棚方式對洞口圍巖進(jìn)行加固，應(yīng)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法進(jìn)行開挖；對開挖方式及炮眼布置方案等進(jìn)行設(shè)計(jì)。洞內(nèi)圍巖主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖，隧道開挖時(shí)會(huì)下穿沖溝、山坳段落，圍巖以IV級為主，部分區(qū)段為V級，為實(shí)現(xiàn)隧道安全高效開挖，開挖方式選用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖法，并給出開挖技術(shù)方案。

北樂原隧施工期間采用的開挖技術(shù)方案對圍巖結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，可確保隧道施工質(zhì)量及施工進(jìn)度需要。