環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在楊柳埡隧道洞挖中的應(yīng)用

楊 瑞 英， 田 艷 軍

(中國水利水電第十工程局有限公司 三分局，四川 成都 610072)

1 概 述

楊柳埡隧道為分離式雙洞隧道，位于達(dá)州市經(jīng)開區(qū)境內(nèi)，附近為汽車城、機(jī)電市場(chǎng)及農(nóng)民聚居區(qū)。周邊房屋一般為4～5層且無構(gòu)造柱和圈梁，房屋抗震能力弱。進(jìn)口端離建筑物的最近距離為5 m，出口端離建筑物的最近距離為27 m。

隧道斷面由三心圓組成，按新奧法原理進(jìn)行洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以系統(tǒng)錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成的初期支護(hù)與二次模筑混凝土相結(jié)合的復(fù)合襯砌型式。隧道開挖面積按照不同的圍巖等級(jí)分別為151.48 m2、159.4 m2、164.06 m2三種，襯砌成型后的面積為113.203 m2。隧道兩洞之間的最大間距為65.68 m，其中洞口段為小間距，最小凈距為24.24 m。隧道右線長690 m，左線長710 m，洞身埋深20～133 m。隧道的主要工程量為：土石方開挖38萬m3(其中洞身石方洞挖211 993.4 m3)，混凝土6.4萬m3，噴混凝土2萬m3，鋼筋3 040 t，型鋼1 988 t，注漿5 053 m3，各種鋼材及鋼管947 t，錨桿4.7萬根，瀝青路面25 580 m2。施工總工期為18個(gè)月。

隧址區(qū)域進(jìn)洞口位于達(dá)川區(qū)南外鎮(zhèn)1號(hào)干道禾林汽車城西側(cè)山腳，出洞口位于南外鎮(zhèn)火烽山村村委會(huì)西側(cè)的坡腳，隧道穿越地段為緩坡、陡坡、陡崖、山脊、沖溝等不同的地貌單元。地表植被主要以杉樹、松樹、灌木和草片為主。

隧道線路穿越范圍內(nèi)無活動(dòng)斷層、地下洞室、地面塌陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，主要工程地質(zhì)問題為：局部地段及因線路施工形成的人工巖土體邊坡的穩(wěn)定性。

2 施工方法比選

楊柳埡隧道右線YK0+443～YK0+885和左線ZK0+441～ZK0+885段的巖體為IV類圍巖，開挖斷面為151.48 m2，開挖跨度為16.13 m。隧道沿線為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂質(zhì)泥巖夾砂巖互層，厚～巨厚層狀，層間結(jié)合一般，砂巖平均單軸飽和抗壓強(qiáng)度為16.8～17.8 MPa，屬較軟巖。彈性波速為2 438～2 571 m/s，完整系數(shù)為0.53～0.54，為較破碎的單斜地層，無斷層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，貫通度較好，巖體呈塊狀、大塊狀，局部呈碎塊狀結(jié)構(gòu)。拱部無支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)會(huì)失去穩(wěn)定，爆破振動(dòng)過大時(shí)易坍。無有毒、有害氣體，無煤層，地下水為第四系松散堆積層孔隙水,裂隙統(tǒng)一含水體及層狀裂隙含水體,涌水方式為點(diǎn)滴、線狀～股狀，修正后的圍巖級(jí)別為IV類。鑒于此，針對(duì)軟弱大跨度圍巖的開挖選擇合理的開挖方法至關(guān)重要。

2.1 開挖方法比較

(1)臺(tái)階開挖法。臺(tái)階開挖法一般有上下臺(tái)階法和三臺(tái)階法。根據(jù)地層條件和機(jī)械配套情況，臺(tái)階法又分為正臺(tái)階法和反臺(tái)階法。正臺(tái)階法能較早地使支護(hù)閉合，有利于控制其結(jié)構(gòu)變形及由此引起的地面沉降。

優(yōu)點(diǎn)：具有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度，靈活多變，適用性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：①上下部作業(yè)互有干擾，應(yīng)注意下部作業(yè)時(shí)對(duì)上部穩(wěn)定性的影響。②臺(tái)階開挖會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)。③一次開挖面積大，若拱部開挖后圍巖暴露時(shí)間較長，支護(hù)前拱部容易出現(xiàn)垮塌。

(2)環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法是一種先開挖上部導(dǎo)坑成環(huán)并進(jìn)行初期支護(hù)，再在分部開挖剩余部分的施工方法。斷面一般分成環(huán)形拱部、上部核心土、下部臺(tái)階三部分。根據(jù)斷面的大小，環(huán)形拱部又可分成幾塊交替開挖。環(huán)形開挖進(jìn)尺為0.5～1 m，不宜過長。臺(tái)階長度一般控制在1D(D-般指隧道跨度)以內(nèi)。

優(yōu)點(diǎn)：①開挖過程中留有核心土作為支撐以保證開挖面的穩(wěn)定。②上部導(dǎo)坑開挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)，故核心土和下部臺(tái)階的施工安全得以保障。③與臺(tái)階法相比，臺(tái)階長度可以適度加長，以減少上下臺(tái)階的施工干擾。④一次爆破斷面小，用藥量小，爆破震動(dòng)弱，對(duì)周邊房屋擾動(dòng)小。

缺點(diǎn)：對(duì)隧道斷面下半部圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性有一定要求；若支護(hù)結(jié)構(gòu)不能及時(shí)形成全斷面封閉，容易導(dǎo)致圍巖變形增大。

2.2 開挖方法的選定

鑒于隧道沿線圍巖較為軟弱，同時(shí)隧道開挖斷面面積及跨度較大，項(xiàng)目部結(jié)合兩個(gè)開挖方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在綜合考慮了施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量控制以及對(duì)周邊房屋擾動(dòng)等方面的因素后，最終決定楊柳埡隧道IV類圍巖段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法洞挖。

3 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的施工工藝

楊柳埡隧道洞挖施工采用光面爆破，嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的原則，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺和爆破震動(dòng)。筆者簡要闡述了環(huán)形開挖預(yù)留核心土法洞挖施工的工序及工藝。

楊柳埡隧道IV類圍巖環(huán)形開挖預(yù)留核心土法洞挖的施工分區(qū)及各區(qū)施工順序見圖1。

圖1 IV類級(jí)圍巖段施工步序橫斷面圖

楊柳埡隧道IV類圍巖環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工工序如下：

(1)拱部超前支護(hù)①→拱部環(huán)形開挖②→拱部初期支護(hù)③。

(2)上臺(tái)階左側(cè)超前支護(hù)④→上臺(tái)階左側(cè)開挖⑤→上臺(tái)階左側(cè)初期支護(hù)⑥。

(3)上臺(tái)階右側(cè)超前支護(hù)⑦→上臺(tái)階右側(cè)開挖⑧→上臺(tái)階右側(cè)初期支護(hù)⑨。

4 施工監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)作為新奧法的重要組成部分，有助于正確認(rèn)識(shí)和了解掌子面開挖后圍巖的動(dòng)態(tài)變化過程及趨勢(shì)，為判斷施工過程中隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性提供科學(xué)依據(jù)。監(jiān)控量測(cè)的主要對(duì)象是圍巖的變化情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，通過量測(cè)后分析處理所采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行反饋和預(yù)測(cè)，以保證隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時(shí)，通過對(duì)圍巖和支護(hù)的應(yīng)力應(yīng)變量測(cè)，合理修改支護(hù)參數(shù)，旨在保證隧道施工的安全。

根據(jù)楊柳埡隧道實(shí)際揭露的圍巖條件和隧道施工情況，項(xiàng)目部合理開展了有針對(duì)性、有代表性的選測(cè)項(xiàng)目。隧道的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表1。

表1 楊柳埡隧道主要監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目表

5 楊柳埡隧道爆破開挖采用的主要參數(shù)及措施

楊柳埡隧道爆破開挖遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌”的原則，加強(qiáng)了施工臨時(shí)監(jiān)控量測(cè)，確保了施工安全。爆破參數(shù)的確定采用了理論計(jì)算、工程類比與現(xiàn)場(chǎng)試爆相結(jié)合的方式。在保證爆破震動(dòng)速度符合安全規(guī)定的前提下，通過調(diào)整爆破參數(shù)，減少了爆破作業(yè)對(duì)周邊房屋的擾動(dòng)，提高了隧道開挖成型的質(zhì)量和施工進(jìn)度。

5.1 炮孔的主要技術(shù)參數(shù)

5.1.1 隧道爆破炮孔深度

爆破設(shè)計(jì)的炮孔深度主要受爆破震動(dòng)強(qiáng)度控制，炮孔深度的設(shè)計(jì)根據(jù)隧道施工進(jìn)尺的安全要求、結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙型鋼鋼架的間距(Ⅳ類圍巖I18型鋼全環(huán)鋼架1 m/榀，V類圍巖I20型鋼全環(huán)鋼架0.75 m/榀和0.6 m/榀)確定(表2)。

表2 楊柳埡隧道爆破炮孔深度表

5.1.2 炮孔直徑

該工程的炮孔孔徑為42 mm。

5.1.3 掏槽孔

楊柳埡隧道洞挖爆破采用楔形掏槽，掏槽孔布置在開挖斷面中部以下，以便于其上部的輔助孔獲得較好的爆破效果。

IV類圍巖掏槽孔的布置：孔距為50 cm，打孔時(shí)兩排掏槽孔向內(nèi)打入，內(nèi)插角為71o。上下兩排孔底間距為20 cm，其布置情況見圖2。

5.1.4 輔助孔

圖2 IV類圍巖掏槽孔布置圖

楊柳埡隧道洞挖爆破炮孔直徑d=42 mm，W=15～25d，該工程取W=80 cm，炮孔采用線形布置或環(huán)形布置且均勻布置，一般情況下，抵抗線為同排(或同環(huán))炮孔間距的80%～100%，因此，最終將輔助孔間距取為100 cm。

5.1.5 周邊孔

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法，軟巖爆破時(shí)其周邊孔間距宜控制在40 cm以內(nèi)，中硬巖爆破時(shí)周邊孔間距不宜大于50 cm，間距E=8～12d；抵抗線W=1～1.5E。該工程取E=40 cm，W=60 cm。炮孔布置在距開挖斷面邊緣20 cm處，該隧道周邊孔間距取40 cm。

5.1.6 底板孔

底板孔應(yīng)比隧道開挖斷面底板高20 cm，以利于鉆孔并防止灌水。為減少底板欠挖，該隧道底板孔孔距取40 cm。

5.2 隧道炮孔的布置

IV類圍巖洞挖爆破炮孔布置參數(shù)見表3，布置情況見圖3。

1.周邊孔；2.掏槽孔；3.輔助掏槽孔；4.輔助孔；5.底板孔圖3 隧道IV類圍巖炮孔布置圖

5.3 隧道爆破的藥量控制

表3 IV類圍巖洞挖爆破炮孔布置參數(shù)表

楊柳埡隧道的洞挖爆破采用2#乳化炸藥，單根藥卷一般長0.2 m，質(zhì)量為0.2 kg。非電毫秒雷管(3、5、7、9段)選用7 m長導(dǎo)爆索；電雷管選用7 m腳線。塑料導(dǎo)爆索按一次安全距離為80 m計(jì)算。

炸藥單耗取決于斷面面積的大小、巖石性質(zhì)、孔徑的大小、孔深等因素。根據(jù)楊柳埡隧道的巖石堅(jiān)固系數(shù)，炸藥單耗按q=0.9 kg/m3控制。隧道爆破施工中，單孔與掏槽孔爆破最困難(爆破塊度較大，較分散)，裝藥量最多；底板孔爆破難易度次之，裝藥亦次之；周邊孔爆破容易，裝藥量最少；輔助孔裝藥量介于周邊孔和掏槽孔之間；各類型孔采用分配系數(shù)得出單孔裝藥量，施工過程中根據(jù)巖石情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

該工程采用藥卷直徑為32 mm的2#乳化炸藥，其規(guī)格為：單根藥卷長0.2 m，單根質(zhì)量為0.2 kg。

Q=q×v

式中Q為每循環(huán)總裝藥量；q為平均單位炸藥消耗量，0.9 kg/m3;V為每循環(huán)爆破體積。

QIV=Q×V=Q×S×L=0.9×151.5×1.3

=177.255(kg)

QV=Q×V=Q×S×L=0.9×164×0.8

=118.08(kg)

每種炮孔的裝藥量如下：

(1)掏槽孔。

Q1=1.25×Q/N

式中N為每循環(huán)炮孔的數(shù)量(IV類圍巖248個(gè)， V類圍巖241個(gè))。

Q1IV=1.25×177.255/248=0.9(kg)，取Q1IV=1 kg，5個(gè)藥卷。

Q1V=1.25×118.08/241=0.6(kg)，3個(gè)藥卷。

(2)輔助掏槽孔(取掏槽孔裝藥量)。

Q2IV=1 kg，5個(gè)藥卷。

Q2V=0.6 kg，3個(gè)藥卷。

(3)底板孔。

Q3=1.1×Q/N

Q3IV=1.1×177.225/248=0.8(kg)，4個(gè)藥卷。

Q3V=1.1×118.08/241=0.5(kg)，取Q4V=0.6 kg，3個(gè)藥卷。

(4)周邊孔。

Q4=0.8×Q/N

Q4IV=0.8×177.225/248=0.6(kg)，3個(gè)藥卷。

Q4V=0.8×118.08/241=0.4(kg)，2個(gè)藥卷。

(5)輔助孔。

Q5=(Q-Q1-Q2-Q3-Q4)/N5

式中N5為每循環(huán)輔助孔的數(shù)量。

Q5IV=79.8/113=0.7 kg，3.5個(gè)藥卷。

Q5V=61.68/122=0.5 kg，2.5個(gè)藥卷。

6 結(jié) 語

楊柳埡隧道IV類圍巖洞挖采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，施工期間未發(fā)生塌方等爆破安全事故，施工安全可靠。由于施工過程中炮孔布置合理，裝藥量控制得當(dāng)，洞挖爆破超挖小，洞壁平整，成型效果較好，爆破震動(dòng)對(duì)周邊房屋的影響亦較小，所取得的經(jīng)驗(yàn)值得類似工程參考借鑒。