北樂原隧道開挖技術研究

董興兵

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司，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，山頂渾圓，山脊連續；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，微地貌表現為黃土梁、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黏土，洞內圍巖主要為泥質砂巖、砂巖，同時洞口位于兩沖溝之間的狹長黃土梁上，山嶺兩側為黃土峭壁，洞口埋深淺，存在不同程度的偏壓，因此安全進洞是本項目前期施工重點。隧道下穿沖溝、山坳段落，由于黃土地質疏松，在地表水的侵蝕、沖蝕作用下，導致下穿沖溝、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，是本項目的施工難點。

表1 北樂原隧道設計概況表

2 隧道開挖技術

2.1 整體開挖技術方案

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械設備，形成挖、裝、運、錨、襯等多條機械化作業線。具體開挖方案如下：①由于北樂原隧道進口端隧道洞口位于兩沖溝之間的狹長黃土梁上，山嶺兩側為黃土峭壁，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，然后分級進行洞口邊仰坡施工， 邊仰坡施工完畢后再施作管棚進洞。②Ⅴ級圍巖洞口加強段采用單側壁導坑開挖法施工，Φ42小導管超前注漿支護。人工風鎬配合機械開挖為主，必要時輔以預裂、微振動爆破。③Ⅴ級圍巖普通斷采用留核心土環形開挖法施工，Φ42小導管超前注漿支護。人工風鎬配合機械開挖為主，必要時輔以預裂、微振動爆破。④Ⅳ級圍巖采用留核心土環形開挖法施工，Φ25超前錨桿支護。風動鑿巖機鉆孔、微振動光面爆破施工。

2.2 洞口加固

根據北樂原隧道右線出口洞頂地質地形條件（洞頂埋身淺，洞口兩側為峭壁，偏壓嚴重），為了確保施工安全，隧道開挖之前先進行地表注漿處理。

（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，然后向鉆孔中插入一根套管，該套管的節長33~50 cm，其中開有小孔（即注漿孔）。

注漿時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噴射口脹開脹圈進入土層中，逐次提升（或下降）芯管，即可實現逐段分層注漿，逐段分層高度宜為0.5 m。

（2）注漿工藝。為了滿足洞內施工與地表注漿平行作業的要求，分段分片注漿。總體注漿順序為：由洞口向洞內方向分段按順序進行，每段注漿先注溝側周邊孔，后注山側周邊孔，注漿時先外圍后內部，并采取隔孔注漿方式。①鉆孔鉆進。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，鉆進至基巖面下20 cm，鉆孔孔徑變為91 mm并繼續鉆進。鉆孔施工按照先兩邊、后中間的施工順序，先進行最遠一排孔的施工，然后進行最內一排孔的施工，最后進行中間一排加強孔的施工。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：先進行1#、6#、11#、16#……孔施工，再進行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，每個孔的套管從孔底向上4.5 m范圍鉆設注漿孔，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，同時采用間隔施工法，施工孔間距為5孔。注漿應先外側邊緣，后中心部位；土層注漿宜隔排跳孔施工；土層需分層進行注漿，多預留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。大管棚為超前預支護，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止漿段，注漿參數：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高速制漿機拌制， 采用注漿機將砂漿注入管棚鋼管內。

混凝土護拱作為長管棚的導向墻，斷面尺寸為0.6×2.0 m，護拱內埋設鋼筋支撐，鋼筋與管棚孔口管連接成整體。

2.3 隧道開挖

（1）洞口加強段開挖。北樂原隧道開挖采用單側壁導坑開挖法。開挖時以人工風鎬配合機械開挖為主，必要時輔以預裂、微振動爆破。Φ42小導管超前注漿支護，開挖循環進尺為一榀鋼架間距，臺階長度3~5 m。左右側導坑間隔距離視施工現場的實際情況而定。仰拱襯砌滯后開挖10~15 m。單側壁導坑開挖法施工工序見圖1所示。具體施工步驟：先行導坑上部開挖①→先行導坑上部開挖段支護②→先行導坑下部開挖③→先行導坑下部開挖段支護④→后行導坑上部開挖⑤→后行導坑上部開挖段支護⑥→后行導坑下部開挖⑦→后行導坑下部開挖段支護⑧→模筑全周襯砌⑨。

圖1 單側壁導坑開挖法施工工序

（2）洞身開挖。隧道洞身Ⅴ級圍巖段采用三臺階開挖法，體開挖時以人工風鎬開挖為主，輔以預裂、微振動爆破。施作Φ42超前小導管，開挖后及時噴砼封閉巖面，并進行初期支護作業。下導坑（含仰供）挖掘機拉槽開挖，兩側各留1.5 m邊墻人工風鎬交錯開挖，兩工序平行作業，縱向臺階的長度視施工現場的實際情況而定。留核心土環形開挖法施工工序見圖2所示。具體施工步驟為：上部環形開挖（先挖拱頂，后挖兩側）①→上部掛網、錨噴和架設鋼支撐②→開挖核心土③→下部土開挖④→下部拱墻掛網、錨噴和架設鋼支撐⑤→鋪設仰拱混凝土⑥→拱墻部分二次襯砌⑦。

圖2 留核心土環形開挖法施工工序

洞身Ⅳ級圍巖采用留核心土環形開挖法施工，Φ25超前錨桿支護。風動鑿巖機鉆孔、微振動光面爆破施工。

2.4 隧道開挖爆破參數設計

各級圍巖鉆爆參數確定。①洞口段爆破參數。洞口段設計循環進尺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。具體先行導坑上部及下部開挖位置炮眼布置參數見表2、表3所示。受文章篇幅限制，下行導坑炮眼參數文中不再贅述。②洞身Ⅴ級圍巖采用三臺階預留核心土開挖法。設計循環進尺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。具體上臺階炮眼布置參數見表4。③洞身Ⅳ級圍巖普通段采用三臺階預留核心土開挖法。設計循環進尺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 單側壁導坑開挖炮眼布置示意圖

表2 先行導坑上部炮眼布置參數

表3 先行導坑下部炮眼布置參數

圖4 三臺階預留核心土開挖法炮眼布置示意圖

表4 上臺階炮眼布置參數

裝藥參數。①裝藥結構。炸藥有Φ25×250 mm、Φ32×280 mm兩種規格，電雷管周邊眼采用小直徑藥卷（Φ25）空氣間隔裝藥結構，其余炮眼采用特制藥卷（Φ32）連續裝藥結構。②掏槽眼裝藥量及起爆方式。掏槽眼裝藥系數選擇在75%~80%左右。眼底加強裝藥，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

開挖是隧道施工方案重要組成單元，開挖技術方案會直接影響隧道施工效率及質量，因此應依據現場條件合理確定。文章以北樂原隧施工為工程背景，對隧道開挖技術方案進行分析。由于隧道洞口段圍巖以粉質黏土、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行加固，應采用單側壁導坑開挖法進行開挖；對開挖方式及炮眼布置方案等進行設計。洞內圍巖主要為泥質砂巖、砂巖，隧道開挖時會下穿沖溝、山坳段落，圍巖以IV級為主，部分區段為V級，為實現隧道安全高效開挖，開挖方式選用三臺階預留核心土開挖法，并給出開挖技術方案。

北樂原隧施工期間采用的開挖技術方案對圍巖結構擾動較小，可確保隧道施工質量及施工進度需要。