隧道開挖工程分析及控制要點

摘要 隧道開挖工程是公路橋梁項目的重要組成部分。由于隧道工程地質條件復雜，在工程建設過程中有許多不可控制的因素，易導致施工安全問題。文章結合實際工程，分析了隧道開挖爆破的難點，論述了隧道開挖工程建設中的施工工藝及參數，并提出了相應的質量保證體系與施工安全保證措施，為類似隧道工程施工提供借鑒。

關鍵詞 隧道開挖；隧道工程；控制要點

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0125-03

0 引言

在公路橋梁建設中，隧道開挖工程的施工難度明顯高于其他工程，原因主要是隧道工程施工、地質環境復雜，并且存在很強的不確定性和突發性。分析隧道開挖工程的工藝及控制要點，可以保證隧道施工工程的安全、效率及質量。在此基礎上，該文以四川寧會隧道為例，在對其爆破難點分析、鉆爆設計及參數的指導下，為其他類似隧道開挖工程提供一定參考價值。

1 工程概況

寧會隧道為G4216線寧南至攀枝花段高速公路的控制性工程，該隧道為雙線越嶺隧道，洞軸線均為弧線形，設計左線進口里程：Z2K303+198，設計洞底標高1 852.57 m，設計左線出口里程：Z2K313+495，設計洞底標高1 966.90 m。隧道長度為10 297 m，隧道長度為10 251 m，坡度-1.85/7 054.00，-0.50/3 197.00。洞門形式均采用端墻式，設計時速為80 km/h。前期施工方案中V級、Ⅳ級圍巖采用三臺階預留核心土法，三臺階、上下臺階法開挖，經開挖揭露圍巖完整性較預期偏好，在采取超前支護后，在圍巖條件許可時決定補充采用控制進尺全斷面開挖法。

2 地層構造

據地面調查及鉆探揭露，隧址區地層為兩大類，第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl）、第四系全新統崩坡積層（Q4c+dl）；巖層巖性為中生界侏羅系（下統）-三疊系（上統）白果灣群（T3-Jibg）石英砂巖、泥質砂巖、頁巖、泥灰巖，巖層優勢產狀5°∠33°；古生界志留系中統石門坎組（S2s）灰巖，巖層優勢產狀10°∠20°；古生界奧陶系中統大箐組（02d）白云巖，巖層優勢產狀10°∠20°；古生界奧陶系中統巧家組（O2q）灰巖夾頁巖，巖層優勢產狀10°∠20°；古生界奧陶系下統紅石崖組（Olh）砂巖、泥質粉砂巖、頁巖，巖層優勢產狀10°∠20°。巖石強度等級見表1所示。

3 隧道開挖爆破難點分析

圍巖段全部為Ⅳ、Ⅴ級，巖性以白云巖、頁巖為主；相對高差990.45 m，在部分硬巖區有中巖爆現象出現。為確保圍巖的最大完整性和穩定性，隧道開挖爆破過程中必須采取一系列措施，以盡可能減弱爆破對圍巖的破壞和擾動。這包括使用先進的爆破技術，精確控制炸藥的使用量和位置，以及優化爆破參數等。同時，可以采取預裂爆破、減震爆破等爆破方法，以減少爆破對圍巖的破壞和擾動。結合地質勘探和監測手段，對圍巖的穩定性進行實時監測和評估，確保隧道開挖過程中的安全。

寧會隧道進口暫按微瓦斯隧道設計，Z2K303+198～

Z2K304+548、K303+202～K304+502段按微瓦斯工區施工，結構方面按三級防護設防。該段落爆破炸藥、雷管受限，爆破要求更高。隧道穿越地層以大箐組白云巖、巧家組白云質灰巖為主，上部為三疊系砂巖、頁巖地層，分析認為施工時做好防護措施，則大部分地段發生大的涌（突）水的可能性不大。地下水主要以線狀、小股狀、泉流狀產出為主，局部可能有淋漓狀涌流水產出。受水壓力作用，裝藥困難，爆破效果不易控制。

4 開挖施工工藝及參數

4.1 施工測量

為確保測量的準確性和精度，選用GPS系統、瑞士徠卡TS09一秒精度全站儀以及RTK（實時動態差分）方法進行綜合測量。通過洞外已精確測量的控制點，將測量基準引入隧道內部。洞內采用雙導線布置，形成了閉合導線系統，進一步提高了測量精度和可靠性。為精確控制隧道中線，使用全站儀和精密水準儀等高端測量儀器。在洞口導線點位的埋設方面，選用Φ22鋼筋。

洞內測量涉及將洞外控制點精確地引入洞內導線點，以確保施工過程中的中線、水準以及施工斷面的準確性。這一過程主要包括中線測量、水準測量和施工斷面測量等關鍵環節。為確保測量的準確性，應每100 m進行一次施工中線測量、水準測量以及斷面施工測量，并在關鍵位置布設控制樁。這些控制樁為施工提供了重要的參考點。為確保中線點和水準點的穩定性，應定期對這些點進行復測，以防止因施工活動或其他因素導致的移動。在洞內導線的布置上，采用閉合導線環的設計。控制點設置在路面基層的左右兩側，每6點形成一個閉合環。這種單洞控制策略，在兩洞之間實現了人通、車通的可視化校核。

外業施測時水平角的觀測采用方向觀測法，并進行12個測回的測量，以確保數據的準確性和可靠性。在觀測過程中，應嚴格遵守國家大地網一等導線的各項限差要求，這些要求可確保觀測過程的專業性和標準化。在導線折角的觀測環節，以半數測回分別觀測導線前進方向的左角和右角。利用奇數測回的度盤位置精確測量左角，而偶數測回的度盤位置則用于測量右角。這種測量方式有助于消除潛在的系統誤差，提高觀測的精確性。觀測結束后，對左、右角的數據進行中值處理，進一步減少隨機誤差。在此基礎上，采用專門的公式檢查左、右角之和與圓周角的閉合差，它直接反映了觀測結果與理論值的一致性，從而驗證整個觀測過程的有效性和準確性。具體計算方法見下公式：

Δ（圓周角閉合差）=（左角）中+（右角）中-360°

所有測站中Δmaxlt;±0.5″

測量過程中，盡量減小施工干擾，如禁止噴射混凝土、長時間保持通風等。在施工中多次進行儀器整平置的操作。為降低對中誤差的影響，采用雙照準讀數法進行觀測，提高數據的準確性。兩次照準之間的讀數限差應嚴格控制在±0.5″以內，確保測量精度符合要求。

4.2 洞身開挖

為保證隧道施工的安全與質量，該工程遵循新奧法原理進行施工組織。在施工過程中，采用光面爆破技術，以精確控制爆破效果，減少圍巖損傷。結合錨網噴支護技術，通過錨桿和噴射混凝土的共同作用，增強圍巖的穩定性。在隧道掘進完成后，實施拱墻一次襯砌，以提高隧道的整體承載能力。此外，采用濕噴工藝進行噴混凝土施工，確保混凝土與圍巖緊密結合，提高支護效果。隧道開挖方式有三臺階預留核心土法（Z5a、Z5t、軟巖V）、三臺階法（硬巖V、T5、T4）、上下臺階法（Ⅳ、C4）、全斷面法（R4、硬巖V、Ⅳ），其余襯砌類型可根據巖性和斷面選擇上述合適的開挖方法。

4.3 鉆爆設計

Ⅴ級軟弱圍巖地段主要為頁巖，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、控下沉、早成環、勤測量、緊襯砌”等施工原則，以監控量測為主要手段。在洞口淺埋段Z5a、Z5T級圍巖地段采用三臺階預留核心土法開挖施工，采用挖掘機配合人工開挖，如遇孤石時，采用機械破碎；洞身段Ⅴ級軟弱圍巖地段采用三臺階預留核心土法開挖施工，采用挖掘機配合人工開挖，必須爆破時，在征得監理工程師批準后采取微振控制爆破技術，嚴格控制爆破規模，把對周邊圍巖的擾動減小到最低限度，不進行具體的鉆爆設計。

（1）Ⅴ級硬巖圍巖開挖方法

以三臺階法開挖為例：

Z5c、Z5d級圍巖完整性較差，采用三臺階法開挖，人工手風鉆打眼，利用非電毫秒雷管進行光面爆破。藥卷掏槽眼、掘進眼、輔助眼、底板眼、周邊眼均為φ32 mm。結合鋼架設計圖，上、中、下臺階高度分別為2.79 m、3.97 m、3.3 m；上臺階面積為21.26 m2，中臺階（半幅）為25.26 m2，下臺階（半幅）為18.7 m2。上臺階爆破參數匯總見表2所示。

炮眼孔距為1 m，排距為0.8 m，炸藥單耗取普通臺階爆破單耗q=0.40 kg/m3，炮孔平均線裝藥密度為0.3 kg/m。對于具體的裝藥計算，當炮眼長度為2 m時，根據平均線裝藥密度，可以裝3條標準藥卷。這意味著每條藥卷的重量是炮孔平均線裝藥密度乘以炮眼長度（2 m）再除以藥卷數量。當炮眼長度每增加0.5 m時，便可多裝一卷炸藥。爆破拋擲朝隧道上方向，最小抵抗線及最上部的炮孔距離臺階面的距離與排距的取值一致，均為0.8 m[1]。側壁與下臺階底板采用普通光面爆破，眼距為40 cm，炮孔平均線裝藥密度為0.18 kg/m，即單孔裝藥為0.4 kg。

（2）Ⅳ級圍巖開挖方法

以全斷面法為例：

Z4b、Z4c級圍巖完整性較好段經超前支護加強、光面爆破改善爆破效果后，采用全斷面法開挖，采取三臂鑿巖臺車打鉆，利用導爆索進行光面爆破。開挖采用短進尺，每2 d三個循環，每循環進尺3.0 m，每月理論進尺150 m。藥卷掏槽眼、掘進眼、輔助眼、底板眼、周邊眼均為φ32 mm。爆破后，開挖采用兩次出渣，第一次先施工至路面處，待仰拱施工時再實施下部出渣。

經選擇確定炮眼利用率為94%，鉆孔深度L=320 cm（掏槽眼除外）。掏槽根據開挖臺架選用6對，角度選用60°，孔底間距選用25 cm；掏槽深度較其他眼深20 cm，計算得到掏槽眼深393 cm，開口間距為417 cm。周邊眼間距選擇100 cm，抵抗線選80 cm。炸藥單耗根據以往施工經驗選取炸藥單耗q=0.7 kg/m3，即一次爆破炸藥量Q=219.2 kg[2]。掏槽眼長3.93 m，裝藥系數選0.55，則裝藥長度為2 161 mm，裝10.5卷藥，裝藥量Q單=2.1 kg。掏槽眼18個，則掏槽區總裝藥量為37.8 kg。

周邊眼共26個，聚能管長度為220 cm，單孔裝藥1 100 g，總計28.6 kg。底眼間距選80 cm，共15個，裝藥系數選0.55，則裝藥長度為1 760 mm，裝9卷藥，裝藥量Q單=1.8 kg，故底眼總裝藥量為27 kg。輔助眼長度為3.2 m，裝藥系數為0.45，可算出裝藥長度為1 440 mm，可裝7卷炸藥，則單孔裝藥量為1.4 kg，則輔助眼裝藥總量為125.8 kg[3]。

5 質量保證與施工安全等措施

施工過程中，須執行圖紙會審制度，確保設計者的意圖得到全面準確的理解。要求對圖紙進行審查，深入理解設計的核心理念和預期目標。同時，對施工程序的了解是施工質量的重要保證，須熟知每個作業段的具體步驟和工序之間的銜接關系，以確保施工的連續性和高效性。在施工放樣前，對施工設計圖紙進行嚴謹復核，確保放樣準確無誤。此外，三級自檢制度的嚴格執行也是保障施工質量的關鍵環節。通過建立質量監督檢查體系，并配備專職質檢員，能夠確保施工過程中的每一個環節都符合質量標準，從而全面提高施工質量。

6 結論

寧會隧道作為沿江高速全線最長隧道及控制性工程，結合現場施工情況，分析隧道開挖工程施工過程中的難點、鉆爆設計數據等，有利于優化開挖進尺、爆破工藝、初期支護等同類型隧道開挖的工藝及技術。該文著重分析了鉆爆設計的方法與數據，以及洞身的開挖工序，以期為同類型隧道項目提供一定參考。

參考文獻

[1]張維，梁橋欣.地鐵車站復雜暗挖站臺隧道開挖施工技術[J].建筑施工，2023（8）：1631-1633+1636.

[2]朱明豐.碎屑流地層大斷面隧道開挖方法及變形控制技術研究[J].交通世界，2023（19）：118-120+135.

[3]劉詩慶.軟巖隧道開挖技術的數值模擬研究.2023世界交通運輸大會（WTC2023）論文集（上冊）[C].武漢：中國公路協會，2023：912-918.