關于土石結合隧道開挖方法探討

喬 東

（中鐵三局五公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

坡頭隧道是霍州至永和關高速公路上的一座普通分離式隧道，隧道左線長407 m，右線長422 m，建筑界限寬10.25 m，界限凈高5 m，屬于小凈距隧道。

隧址區地貌單元屬黃土覆蓋低山丘陵區，微地貌為黃土粱峁、黃土沖溝和基巖沖溝。隧道初始掘進采用臺階法施工，但在掘進200 m左右的時候在隧底以及下臺階出現了三疊系下統銅川組砂巖。巖層層狀節理發育，硬度較大，用挖機等普通掘進工具無法挖動巖層，因此采用鑿巖機施工。但鑿巖機在施工過程中始終存在角度、空間等問題的限制，致使邊墻位置施工不到位，嚴重影響了施工進度，所以在接下來的施工中采用了光面爆破法進行施工。

2 施工方案的確定

2.1 圍巖的分層分析

按照圍巖情況及施工順序，把圍巖分成3個臺階施工。上臺階為失陷性黃土層，具體特性是孔隙發育，高角度節理發育，圍巖容易坍塌；下臺階范圍為上臺階底面至仰拱面，該段為強風化砂巖，裂隙較發育，土巖交界面附近容易發生滲水現象，無支護時易發生較大坍塌；隧底開挖即仰拱位置開挖，為最后一個臺階，該部分為中風化砂巖，裂隙較發育，無支護時易發生較大坍塌。

2.2 開挖支護方案

遵循“管超前、短進尺、少擾動、強支護、早成環、勤量測”的黃土隧道施工原則施工。

2.2.1 步距控制

上臺階長度控制在5～7 m，為了減少爆破對土體穩定性的影響，上臺階步距可適量加長，但不能超過10 m；下臺階與仰拱間距控制在5～10 m；下臺階與二次襯砌間距控制在30～40 m；左右洞施工作業錯開距離25 m以上；先行洞二次襯砌作業面領先后行洞掌子面距離20～30 m.

2.2.2 上臺階開挖支護方法

機械配合人工開挖，預留核心土，核心土到下臺階的距離要大于1.5倍的炮眼深度，開挖完成后及時支護，鋼架間距控制在0.8 m以內。

由于下臺階要放炮開挖，上臺階為土質圍巖，所以上臺階支護參數可作如下調整：鋼筋網網格尺寸在10～15 cm之間；徑向錨桿采用藥包錨桿或中空注漿錨桿，長度為3.5～4 m；鋼架間距60～80 cm；鎖腳錨桿采用Φ42注漿管，注漿管的端部與鋼架焊接牢固，鎖腳錨桿角度向下傾斜，前端部打入巖層內為宜，依照沉降觀測數據分析如果沉降較大，可在拱腳位置增加一組鎖腳錨桿，水平方向呈八字形打入圍巖，長度為4 m；拱架拱腳必須放置在堅實的巖層或者土層上，嚴禁立好拱架后再在拱腳回填土石支墊，上臺階噴射混凝土完成后2 h內不得放炮。

2.2.3 下臺階開挖支護方法

下臺階爆破掘進，爆破采用光面爆破或欲裂爆破，如圖1所示。

圖1 上、下臺階及隧底分布示意圖

下臺階開挖分兩步開挖，即左右側錯開掘進。先爆破開挖支護右側，掘進兩個循環以后，再開挖支護左側，如此循環施工。始終要保持兩側錯開兩個循環進尺，只有這樣爆破對相鄰一側的影響才會減小。下臺階分兩部分爆破開挖后爆破體積大幅度減少，臨空面成倍增加，降低了爆破難度與爆破破壞力度，對上臺階土質圍巖的穩定也起到一定的作用，其炮眼布置可以取消掏槽眼，用周邊眼與輔助眼即可完成該部分爆破任務，如圖2所示。鉆爆參數是一動態的參數，應根據圍巖變化及時調整，進行動態管理。先行洞的測試數據除了用于控制本隧道開挖的爆破震動符合規范外，還可用于對后行洞的爆破藥量進行估算。但根據計算和眾多測試表明，在先行洞同一斷面、同一位置處，同等藥量在距此斷面相同距離處在先行洞和后行洞的巖體中引爆，測得的震速有較大差異。由于先行洞已開挖，后行洞引起的爆破震動將是先行洞開挖時引起的震動的2～6倍，最大可達12倍。因此，利用先行洞開挖時測定的震動數據對后行洞的爆破參數進行調整，尤其是這種土石結合隧道，爆破參數要在實際施工中驗證、完善。

由于同一圍巖類別段的巖體中常存在局部的段落或局部區域出現巖質相對較差現象，為確保工程安全，應根據這些局部的圍巖狀況進行震動控制。

根據多座隧道爆破震動測試結果，預裂爆破、光面爆破與普通爆破相比，爆破引起的（質點）震動速度可降低10%～50%.因此，小凈距隧道施工中應盡量采用預裂爆破和光面爆破技術。

根據已建成的小凈距隧道施工經驗，在藥量較為集中的情況下，爆破時，在靠近已開挖隧道一側設置預裂爆破減震帶，也可有效減小已開挖隧道壁的震動速度。下臺階鋼架要及時與上臺階鋼架連接。由于下臺階鋼架拱角是支墊在中風化砂巖上，承載力高，所以無需設置鎖腳錨桿，但是拱架之間的連接鋼筋要焊接牢固，使各鋼架連接成整體，共同承擔圍巖壓力以及爆破震動。

2.2.4 隧底開挖支護

隧底采用光面爆破開挖方法，在下臺階至仰拱距離超過10 m時，爆破開挖隧底石方。隧底是仰拱施工的第一步，也是隧道沉降趨于穩定的關鍵一步，施工不當容易造成沉降反彈。這種土石結合的特殊類型隧道，隧底施工也是很重要的一步。首先是炮眼布置如圖2所示，一次爆破鉆眼深度、裝藥量等都要比下臺階大，但是不能超過2.4 m，中間位置需設置掏槽眼，否則容易欠挖，爆破完成后及時封閉成環。一般公路隧道隧底鋼架與下臺階鋼架銜接處會對接不到位，原因是有些廠家定做的彎曲機半徑達不到設計要求，所以在開工之前一定要考慮到這個問題，使隧道型鋼支護成一個圓順的環，避免應力集中產生不均勻沉降。

2.2.5 仰拱、二襯及沉降觀測

隧底開挖支護完成后要及時澆筑仰拱及填充混凝土，仰拱和填充分開澆筑，按照前面所列步長關系緊跟二襯。

土石結合類隧道沉降觀測尤其重要，上臺階完成噴射混凝土支護以后，在拱頂以及拱腰位置設置3個沉降觀測點，點間距2.5 m且必須在同一里程段上。在拱腳位置設置一對收斂觀測點，根據沉降量大小安排觀測次數，但是每天不能少于一次；下臺階開挖支護完成后在下臺階中間位置再設置一對收斂觀測點。根據有限元分析顯示，這幾個位置都是隧道壓力最大的位置，也是最容易發生變形的位置，所以需加強在這幾個位置的沉降觀測。

3 施工中的注意事項

坡頭隧道巖層出現在隧道下臺階以及仰拱位置，土石結合隧道，爆破容易對上層黃土造成影響，上臺階掌子面黃土在爆破當中有可能會被震動，破壞原有的穩定結構，造成裂縫或掉塊現象。

在具體施工時候一定要注意以下幾點：①隧道左右洞掌子面以及仰拱位置要錯開一定距離，大于25 m.②先前施工的鋼架一定要打好超前支護，系統錨桿、鎖腳錨桿一定要加強，在拱腳位置可以增加鎖腳錨桿數量。③拱腳一定要放在堅實的基礎上，禁止拱腳懸空。④鋼架縱向連接鋼筋一定要按照設計焊接牢固，把每一榀鋼架連接成一整體。⑤每次放炮完成后必須檢查上臺階以及其他初期支護是否穩定。⑥洞內爆破必須統一指揮，爆破時所有人員撤到不會受有害氣體、震動和飛石損傷的地點，其安全距離為不小于200 m.⑦裝藥前應檢查爆破工作面附近支護是否牢固，必要時應先進行加固。⑧爆破后必須經過通風排煙，15 min后檢查人員方可進入工作面檢查，檢查內容為：有無瞎炮，有無殘余炸藥或雷管，有無松動石塊，支護有無松動或變形。如發現瞎炮，必須由原裝炮人員按規定進行處理。如果是孔外的導爆管損壞引起的瞎炮，則切去損壞部分重新連接導爆管即可。如果是其他原因，可平行于該眼30 cm鉆眼，裝藥后引爆該瞎炮，嚴禁用鎬拋或用高壓風吹，要仔細收集未爆的藥卷，當檢查確認危險因素已經排除后，才可以撤出警戒。

4 結束語

我國黃土隧道施工經過多年的實踐與理論結合已經達到了相當高的水平，但是在實際施工中總是會發生諸多不確定因素。土石相結合的隧道出現的情況比較少見，其中有機械開挖、爆破開挖等多種施工方法并存，這就要求在施工技術管理人員做好工序協調配合，更要做好安全管理工作。

根據現場施工經驗以及多方資料查證，得出結論：①按照圍巖分層情況對隧道進行了分臺階開挖；②加強了土質圍巖的支護，調整了支護參數，增強了土石交接處上臺階拱架鎖腳力度；③對炮眼布置作好有效的調整，并闡述了土石結合類隧道的圍巖監控的重點。