強(qiáng)風(fēng)化薄層圍巖隧道的開挖控制技術(shù)

馮世彪

(山西太興鐵路有限責(zé)任公司，山西太原 030013)

1 工程概況

杜交曲1號(hào)隧道地貌為典型黃土地貌，隧道洞身于里程DK68+230～DK68+420處發(fā)育兩條與線路相交的深溝，在DK68+330～DK68+550里程段內(nèi)隧道洞身處于巖體破碎節(jié)理裂隙發(fā)育的全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化片麻巖層中，片麻巖層向上為粘土層，隧道拱頂距片麻巖層與黃土層分界線2 m～3 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖過程中，局部拱頂已處于黃土層中。隧道洞身所處全風(fēng)化片麻巖基巖呈灰黃色，手捏易碎;強(qiáng)風(fēng)化片麻巖基巖呈灰白色，巖芯破碎，整體呈塊狀或短柱狀，沿裂面有明顯銹染，敲擊易碎。

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題:面對(duì)隧道拱頂?shù)谋悠閹r，在開挖過程中很容易引起隧道塌方，要想順利施工必須要控制好開挖技術(shù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)解決方案

結(jié)合杜交曲1號(hào)隧道的圍巖地質(zhì)特征，為了更好的進(jìn)行施工、管理工作，提出以下四種主要的現(xiàn)場(chǎng)解決方案:

1)做好監(jiān)控量測(cè)，掌握圍巖變化。隧道開挖中，破壞了圍巖原來的穩(wěn)定性，因此圍巖要產(chǎn)生一定量的變形，及時(shí)支護(hù)能減少這種變形。為了較準(zhǔn)確的知道圍巖的變化規(guī)律，要進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋，有利于支護(hù)的進(jìn)行。2)縮短開挖進(jìn)尺，對(duì)前方圍巖進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固。超前注漿小導(dǎo)管能加固前方圍巖，同時(shí)能起到堵水的作用。3)三臺(tái)階開挖工法，這是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的圍巖級(jí)別、地質(zhì)條件確定的。4)采用光面爆破技術(shù)。

3 隧道開挖控制技術(shù)分析

3.1 監(jiān)控量測(cè)

1)監(jiān)控量測(cè)的意義。監(jiān)控量測(cè)和施工同時(shí)進(jìn)行，是監(jiān)測(cè)地層在開挖和穩(wěn)定措施條件下的真正反映。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，隨時(shí)調(diào)整開挖進(jìn)尺及支護(hù)參數(shù)，以保證隧道施工的安全順利進(jìn)行。2)監(jiān)控量測(cè)具體措施。本隧道通過測(cè)量隧道的水平凈空收斂以及隧道拱頂沉降來監(jiān)測(cè)地層變化情況，來確定已經(jīng)進(jìn)行的初支情況及確定二襯的施作時(shí)間。監(jiān)控量測(cè)測(cè)樁用φ6或者φ8盤條做成閉合的三角形，并且測(cè)樁要埋入圍巖長(zhǎng)度不小于10 cm。Ⅳ級(jí)圍巖監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)每隔10 m布置一個(gè)斷面，Ⅴ級(jí)圍巖監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)每隔5 m布置一個(gè)斷面。3)監(jiān)控量測(cè)的注意事項(xiàng)。對(duì)于應(yīng)該埋設(shè)測(cè)點(diǎn)的里程，隧道開挖后應(yīng)及時(shí)埋設(shè)，并在12 h以內(nèi)完成初始讀數(shù)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近開挖面，要求在2 m以內(nèi)。測(cè)試頻率應(yīng)視圍巖條件、工程結(jié)構(gòu)條件及施工情況穩(wěn)定，一般情況下按表1的要求而定。

表1 監(jiān)控量測(cè)頻率表

3.2 縮短進(jìn)尺，預(yù)加固前方圍巖

1)預(yù)加固前方圍巖的措施。采用超前小導(dǎo)管注漿加固前方破碎松散的圍巖，采用以下參數(shù):a.超前小導(dǎo)管。φ42無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度4.5 m，鋼管壁上每隔15 cm梅花形鉆孔，孔徑8 mm。小導(dǎo)管環(huán)向間距30 cm，整個(gè)上臺(tái)階布置，縱向間距3.0 m。b.注漿材料。采用水泥漿液注漿，水灰比為0.6∶1，加入水玻璃，其中水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.5。c.注漿壓力。注漿壓力為1.0 MPa～2.0 MPa。2)加固原理。超前小導(dǎo)管在開挖前，沿坑道周邊，向前方圍巖鉆孔并安裝帶孔小導(dǎo)管，通過小導(dǎo)管向圍巖壓注起膠凝作用的漿液，漿液到巖體裂隙中并硬化后，將破碎的巖塊或顆粒膠結(jié)為整體，并且填塞了裂隙，使得坑道周圍巖體形成了加固圈。

3.3 三臺(tái)階開挖工法

現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階法施工，上臺(tái)階預(yù)留核心土。上臺(tái)階采用小藥量的松動(dòng)爆破，上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3 m～5 m，這樣既方便氣腿式風(fēng)槍鉆眼又能保證挖機(jī)順利出渣;中下臺(tái)階長(zhǎng)度控制在15 m～20 m，這樣既縮短了支護(hù)閉合時(shí)間，有利于控制圍巖變形，又能順利出渣，縮短出渣時(shí)間加快隧道開挖。

3.4 開挖爆破控制——光面爆破

采用光面爆破，周邊眼采用紅線控制，以減弱對(duì)圍巖的擾動(dòng)，減小爆破松動(dòng)圈。

1)爆破參數(shù)的選取。

a.周邊眼。周邊眼間距40 cm，最小抵抗線為50 cm，循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，炮眼利用率根據(jù)以往爆破經(jīng)驗(yàn)可取0.90，則炮眼深度為:

其中，l為循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度;η為炮眼利用率。

實(shí)際取炮眼深度為1.1 m。

炸藥選用2號(hào)巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長(zhǎng)度為200 mm，每卷質(zhì)量為0.15 kg，采用氣腿式風(fēng)槍鉆孔，鉆頭直徑選取42 mm。

由于此段圍巖節(jié)理發(fā)育巖體破碎，故周邊眼裝藥系數(shù)取0.3，則:

其中，τ為裝藥系數(shù)。

實(shí)際取1.5卷。

b.掏槽眼。掏槽眼采用楔形掏槽，掏槽眼的深度一般在每循環(huán)炮眼的深度的基礎(chǔ)上加深0.2 cm，故深度為1.3 m，設(shè)置6個(gè)掏槽眼，為了保護(hù)中央核心土，掏槽眼的位置設(shè)在中央核心土左右兩側(cè)及上方，每處各兩個(gè)，裝藥系數(shù)取0.4，掏槽眼裝藥量為:

單孔裝藥卷數(shù)=0.4 ×1.3 ÷0.2=2.6 卷，實(shí)際取2.5 卷。

單孔裝藥量=2.5 ×0.15=0.375 kg。

c.輔助眼。在周邊眼以內(nèi)依據(jù)最小抵抗線再設(shè)置一圈輔助眼，輔助眼間距70 cm，輔助眼裝藥系數(shù)取0.35，則輔助眼裝藥量為:

單孔裝藥卷數(shù)=0.35×1.1 ÷0.2=1.925卷，實(shí)際取2卷。

單孔裝藥量=25 ×0.15=0.3 g。

d.炮眼數(shù)目。通常可根據(jù)各炮眼平均分配炸藥量的原則來計(jì)算，公式為:

其中，N為炮眼數(shù)目;q為單位耗藥量，取1.2 kg/m3;s為開挖面積，上臺(tái)階面積為26.86 m2;τ為裝藥系數(shù)，取0.4;γ為每米藥卷的炸藥質(zhì)量，取0.78 kg/m。于是:

實(shí)際取103個(gè)。

2)起爆順序。

現(xiàn)場(chǎng)采用毫秒導(dǎo)爆管雷管1段，3段，5段，7段，9段，11段，孔內(nèi)延期起爆法。各個(gè)炮眼所使用的毫秒導(dǎo)爆管雷管段數(shù)分別為:掏槽眼使用1段，輔助眼使用3段，5段，7段，9段，周邊眼使用11段。采用簇聯(lián)網(wǎng)路，每簇采用一發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆，瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管由一發(fā)8號(hào)電雷管起爆。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采取這些施工措施，在后續(xù)施工過程中，隧道沒有發(fā)生大的塌方，安全順利的度過了這段薄層破碎的圍巖。在軟弱破碎圍巖中，巷道的開挖不能只局限于一種方式，要多種施工工藝同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于這樣的圍巖，即使是采取短進(jìn)尺開挖，開挖面和開完后的巷道也不穩(wěn)定。當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí)，情況更為嚴(yán)重。在隧道工程歷史中，隧道坍方的事例并不鮮見，造成了人、財(cái)、物的大量浪費(fèi)。按“圍巖控制變形分析工法”的觀點(diǎn)，對(duì)于不穩(wěn)定的圍巖體系，要進(jìn)行工作面前方的預(yù)加固和預(yù)支護(hù)，作為輔助開挖的方式。因此，對(duì)于巷道的開挖要統(tǒng)籌管理和安排，幾種工法同時(shí)使用，爆破的方式、預(yù)加固和預(yù)支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)、適當(dāng)?shù)拈_挖方法等，以保障開挖的安全。

1)采用光面爆破法可以使開挖面平整光滑，減少超欠挖，有利于后期的施工作業(yè)，同時(shí)對(duì)圍巖的破壞影響小，有利于隧道圍巖的穩(wěn)定，提高隧道施工的安全系數(shù)。

2)小導(dǎo)管注漿對(duì)開挖前方圍巖預(yù)支護(hù)，坑道在漿液硬化后會(huì)形成具有一定厚度的加固圈，在加固圈的保護(hù)下可以安全地進(jìn)行開挖作業(yè)。

3)監(jiān)控量測(cè)可以及時(shí)的反映隧道圍巖的變化情況，以便于及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，保證隧道的施工安全和施工損失。

4)采用臺(tái)階法施工，合理的確定臺(tái)階的長(zhǎng)度，既能保證隧道的施工安全，又能減少隧道循環(huán)進(jìn)尺的時(shí)間，加快隧道施工進(jìn)度，保證隧道施工質(zhì)量。

［1］TB 10204-2002，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］王海亮.工程爆破［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［3］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］王清江.隧道洞口開挖穩(wěn)定技術(shù)分析研究［J］.山西建筑，2013，39(38):140-141.