高地應力大斷面軟巖隧道開挖技術研究

陳 亮，陳壽根，楊家松

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.中國中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

高地應力大斷面軟巖隧道開挖技術研究

陳 亮1，陳壽根1，楊家松2

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.中國中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

以錦屏二級水電站引水隧洞工程為依托，對高地應力大斷面軟巖隧道的開挖技術進行探討，認為開挖方法的選擇、掌子面預支護的布置、弱爆破參數(shù)控制、相關監(jiān)測技術的應用這4個方面是軟巖隧道開挖必須重視的地方。錦屏引水隧洞軟巖段的開挖，證明了在采用合理的掌子面預支護措施后，可以實現(xiàn)大斷面(112 m2)開挖，其開挖進度比分塊施工快，且施工組織方便靈活、成本也相對較低。

高地應力;軟弱圍巖;大斷面隧道;掌子面預支護;弱爆破;信息化施工

軟弱圍巖的自支護能力較弱，甚至沒有自支護能力。尤其是高地應力條件下，在軟巖圍巖中開挖極易導致掌子面擠壓變形并發(fā)生塌方［1］，嚴重威脅施工人員安全并且延誤工期，據(jù)有關部門對軟巖隧道施工的不完全統(tǒng)計，軟弱圍巖隧道的安全事故中，掌子面變形塌方占達33%。主要有2個方面的原因，一是客觀上地質(zhì)環(huán)境的復雜性，二是主觀上技術措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場管理等原因［2］。近年來，軟巖隧道施工控制變形塌方一直是困擾工程界的難題，以錦屏二級水電站引水隧洞軟巖段施工為依托，就高地應力大斷面軟巖隧道的開挖技術展開探討。

1 工程概況

錦屏二級水電站(裝機容量480萬 kW，)位于四川省涼山州雅礱江的錦屏大河灣上，截彎取直，開鑿4條引水隧洞引水發(fā)電，隧洞橫穿錦屏山脈，位于已建二級水電站輔助隧洞線北側(cè)(圖1)，洞線平均長度約16.67 km，洞徑13～14.6 m，斷面形狀為三心圓馬蹄形，主要采用鉆爆法和TBM法施工。引水隧洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、洞徑大的特點［3］。

引水隧洞軟巖段主要揭露里程為引(1)1+536 m和引(2)1+613 m，該段埋深1500～1800 m，受區(qū)域地質(zhì)構造的影響，最大地應力40～50 MPa。圍巖以綠泥石片巖為主，Ⅳ～Ⅴ級，結構面結合性較差，巖石完整性較破碎。完整的綠片巖在干燥條件下單軸抗壓強度為38.8 MPa、飽和時為19.7 MPa，軟化系數(shù)小于0.5。現(xiàn)場實測強度小于5 MPa，呈松散狀，極易軟化成泥。圍巖強度應力比0.5～0.9，處于極高地應力區(qū)，屬于典型的工程軟巖［4-8］。考慮4%的預留變形量后的開挖洞徑為13.8～14.6 m，隧道開挖揭露的典型綠片巖如圖2所示。

圖1 錦屏引水隧洞布置(單位:m)

圖2 現(xiàn)場綠片巖照片

2 開挖方法

圖3 不同開挖方法時塑性區(qū)分布

目前軟巖隧道常用的開挖方法主要有:CD法、CRD法、側(cè)壁導洞法、三臺階法等，可有效保證施工安全。錦屏引水隧洞最大斷面面積172.3 m2，屬于超大斷面隧洞，隧洞的開挖方法對掌子面的穩(wěn)定性、施工工期等有著重要的影響。采用FLAC3D對上下臺階法、CD法、CRD法和雙側(cè)壁導坑法這4種方案進行了模擬，塑性區(qū)分布結果顯示如圖3所示，上下臺階法開挖后塑性區(qū)分布范圍最大，達8～10 m，且掌子面核心存在大片的受拉破壞區(qū)，CD法和CRD法開挖后塑性區(qū)半徑為6 m左右，雙側(cè)壁導坑法在掌子面開挖后塑性區(qū)半徑5～6 m。

由于軟巖洞段工程量非常大、合同工期不允許延長，同時要確保長系統(tǒng)錨桿(9m)的施工質(zhì)量，達到既安全又相對快速地組織施工。CD法、CRD法和雙側(cè)壁導坑達到了安全施工的目的，但是要求工期較長，并且需要大量的臨時支護，造價高，開挖后也無法提供足夠的作業(yè)空間以施工9 m長系統(tǒng)錨桿。盡管上下臺階法開挖對圍巖擾動較大，但其工期短、造價低，還能保證后續(xù)支護的施工質(zhì)量，因此，工程在引入“新意(大利)法”理念后確定了采用上下臺階法的開挖方案，即對掌子面實施預支護后進行開挖，同時做好相關監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時反饋以指導優(yōu)化開挖參數(shù)，通過試驗段的開挖，結果表明對掌子面前方的軟弱圍巖實施預加固措施后，仍維持臺階法大斷面開挖是完全可行的。工程實現(xiàn)上臺階開挖高度9.5 m，開挖面積達112 m2。

3 掌子面預支護

常見的超前支護措施有超前錨桿、超前小導管、管棚、注漿加固、人工凍結、玻璃纖維錨桿等，注漿加固和人工凍結常用于砂、粉土等地層，由于其造價高且見效慢，較少應用于軟巖隧道的施工。管棚施工需要另設專門的管棚室且成本較高，因此多數(shù)隧道工程僅在塌方段采取管棚措施。

針對軟巖隧道掌子面的支護分為2種，首先是拱頂范圍的超前支護，可采用超前錨桿(小導管);其次是對掌子面核心區(qū)的超前支護(也稱為預加固)［5-6］，可采用玻璃纖維錨桿。當圍巖完整性較好時可只進行拱頂?shù)某爸ёo。錦屏引水隧洞軟巖段主要采用了超前錨桿和玻璃纖維錨桿的預支護方式。預支護方案為:頂拱150°范圍布置超前錨桿或小導管，環(huán)向間距30～40 cm，搭接長度不小于 2 m，外插角 5°～10°。在局部圍巖易坍方洞段增加布置第2排超前錨桿或小導管，外插角30°～45°，環(huán)向間距30～40 cm。掌子面爆破開挖后，視正向掌子面圍巖破碎情況可噴射5～10 cm厚CF30(硅粉)鋼纖維混凝土封閉，掌子面不能保證穩(wěn)定時可增設隨機玻璃纖維錨桿，采用三臂臺車造孔，人工注漿安裝。預支護設計詳見圖4。

采用FLAC3D對超前錨桿長度進行優(yōu)化分析，如圖5所示，掌子面拱頂處沉降隨著超前錨桿長度增加相應減小，但減小速度減緩。超前錨桿長度超過10 m后對掌子面位移影響不明顯，由于長錨桿施工對造孔要求較高，在考慮耗時和成本的情況下可選擇采用6～8 m長的超前錨桿，圍巖情況較好或者進行了掌子面核心區(qū)預加固后，超前錨桿長度可適當取短，但不應小于4 m。

圖4 超前支護示意(單位:cm)

圖5 掌子面位移云圖及超前錨桿長度對拱頂位移的影響

圖6 上臺階掌子面玻璃纖維錨桿計算模型及結果

采用FLAC3D對上臺階掌子面施做不同長度和間距的玻璃纖維(GFRP)注漿錨桿進行模擬。計算模型及結果見圖6，掌子面位移隨著GFRP注漿錨桿長度增大而減小，但減小速度逐漸變緩;掌子面位移隨設置間距的增大加速增大。GFRP注漿錨桿長度小于6 m時，其間距改變對掌子面位移影響不顯著;間距大于1.5 m時，GFRP注漿錨桿長度改變對掌子面位移影響不顯著。因此GFRP注漿錨桿長度可取為4～6 m，間距1～1.5 m。下臺階開挖需注意邊墻圍巖的穩(wěn)定，防止變形過大引起上臺階二次變形，同樣采用 FLAC3D對下臺階掌子面GFRP注漿錨桿長度進行優(yōu)化分析，計算結果如圖7所示，可以看出當長度超過6 m時，邊墻最大位移不再有明顯的降低，因此，GFRP錨桿長度同樣可取為4～6 m，向外斜插角度可取30°～45°。

圖7 下臺階掌子面玻璃纖維錨桿計算結果

4 弱爆破技術

弱爆破法并不是與傳統(tǒng)爆破方式迥異的全新爆破技術，而是在具體的隧洞掘進施工中為防止擾動圍巖誘發(fā)坍方而采取的一種輕微爆破方式，即主要是以降低對圍巖擾動和減小松動圈范圍為目的的爆破方式［9，10］。軟弱圍巖對隧道爆破要求較高，規(guī)范上作了明確規(guī)定要采取弱爆破、短進尺。實際操作中需結合松動圈檢測及爆破振動監(jiān)測，從盡量減少爆破對圍巖的擾動出發(fā)，使爆破引起的振動速度盡量低及產(chǎn)生的松動圈范圍盡量小。錦屏軟巖段弱爆破設計如圖8所示，遵循弱爆破設計原則:“淺眼、多孔、多段、少藥、大時差”。

圖8 掌子面弱爆破設計(單位:cm)

淺眼——即規(guī)范要求的短進尺，一般炮孔設計控制在0.5～1.5 m，如果圍巖等級Ⅳ級可放寬到1.2～1.5 m，當圍巖等級為Ⅴ級時，孔深應控制在0.5 m。

多孔——多孔并均勻地分布在斷面上。總藥量不變，孔多分到各孔裝藥就少，再結合分段以達到降低振動之目的。孔網(wǎng)參數(shù)上主炮孔間距控制在0.8～1.2 m，周邊孔按光面爆破參數(shù)設計;掏槽孔采取斜眼掏槽時，V形掏槽夾角控制在60°～70°，掏槽孔間距控制在80～100 cm，掏槽對數(shù)控制在4～6對即可。

少藥——各孔應合理裝藥，不能過量裝藥，對軟弱圍巖原則上是以機械方式開挖，必要時才爆破作業(yè)，因此除非必須爆破，也要遵守少藥原則，以達到松動爆破為目的，嚴禁產(chǎn)生加強爆破或拋擲爆破效果。炸藥單耗控制在0.35～0.6 kg/m3。

多段——振動與齊爆裝藥量有關，從有利于減少振動出發(fā)，理論上一孔一段較好，使之產(chǎn)生的振動不疊加。但由于火工產(chǎn)品屬地管理，一般民爆公司難以就近采購到上百段雷管，故在起爆網(wǎng)路設計時，通常一個段裝入多個孔。原則上要15個段及以上，采用普通非電雷管系列。

大時差——在工程爆破中，需要做到振動波峰盡量不疊加或不能有多個波的最大值產(chǎn)生疊加，因此往往考慮段間時間拉大，通常要根據(jù)振動監(jiān)測確定，時差要大于主振周期的2.5倍能保證不疊加。如果沒有監(jiān)測資料，在爆破設計時掌握:ms10段以下按 ms1、ms3、ms5、ms7、ms9來安排，并且同段起爆孔數(shù)不宜多，尤其是ms1、ms3段，容易產(chǎn)生疊加，出現(xiàn)最大振動速度。ms1段上孔數(shù)不超過4個孔，其余段不宜超過6孔;在ms10段以上時可以連段使用，同段起爆的炮孔也可以逐漸增多，因為高段雷管有同段干擾效應——制造誤差Δt影響，即便是多個同段，通過大量監(jiān)測時程曲線表明，振動幾乎不疊加，各自獨立。

5 相關監(jiān)測技術的應用

為了保證隧洞的順利開挖，并對開挖后工程質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定性等做出準確的評估，需要采用適當?shù)臋z測、監(jiān)測及量測等輔助措施為設計和施工提供有利的指導。尤其是高地應力軟巖大斷面隧洞工程，開挖的順利與否對施工安全性、工程質(zhì)量、工期和經(jīng)濟效益等有著非常重要的影響。就開挖而言，除規(guī)范規(guī)定的必測項目外，針對軟巖隧道的施工，在條件允許的情況下應進行松動圈檢測、爆破振動監(jiān)測及斷面掃描量測。

松動圈檢測可確定地下洞室受爆破開挖的影響而形成的爆破松動區(qū)的深度，以對圍巖穩(wěn)定及開挖質(zhì)量進行評價，驗證支護參數(shù)的合理性［11］。錦屏引水隧洞軟巖段松動圈檢測采用單孔聲波法，測點布置于拱頂、左右拱肩及左右邊墻。圖9為典型松動圈檢測成果。通過爆破振動監(jiān)測，可指導優(yōu)化弱爆破參數(shù)設計，錦屏引水隧洞軟巖段采用了 Minimate Blaster型爆破振動監(jiān)測儀，圖10為典型的質(zhì)點振動監(jiān)測結果，通過對比常規(guī)爆破和弱爆破，發(fā)現(xiàn)采用弱爆破措施能明顯減低質(zhì)點振動速度，降幅達30% ～80%，對穩(wěn)定圍巖和減小松動范圍具有一定的作用。斷面掃描儀主要用于對隧洞開挖后的斷面進行量測，以確定超挖或欠挖工程量，同時，其測量結果還可用于判斷隧洞圍巖的變形程度，即通過將測量數(shù)據(jù)與設計開挖斷面對比，可確定圍巖變形是否侵限及洞周各測點侵限值的大小，并可為預留變形量的確定提供一定的參考［12］。

圖9 典型松弛深度檢測成果

圖10 質(zhì)點振動頻率

6 結語

高地應力大斷面軟巖隧道的開挖應重視開挖方法、掌子面預支護、弱爆破、信息監(jiān)測這4個方面。開挖方法應結合現(xiàn)場施工條件、對圍巖的影響程度、工期及成本等多方面進行考慮，掌子面預支護是保證順利開挖的關鍵，弱爆破是手段，同時在開挖過程中應結合多種監(jiān)測結果進行對比分析以達到優(yōu)化開挖參數(shù)與完善施工方案的目的。錦屏引水洞是非常典型的高地應力大斷面隧道(洞)工程項目，其1號、2號引水隧洞軟巖段的開挖均貫徹了“新意法”的施工理念。實踐表明，通過合理的超前預支護措施可以實現(xiàn)軟巖隧道的大斷面開挖，其開挖進度比分塊施工快，且施工組織方便靈活、成本也相對較低。錦屏引水隧洞的成功經(jīng)驗對軟巖隧道施工具有較大參考價值。

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Discussion on Excavation Technologies of Tunnel with High Ground Stress and Large Cross-section in Soft Rock

CHEN Liang1，CHEN Shou-gen1，YANG Jia-song2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.The 2nd Engineering Co.，Ltd.，China Railway NO.2 Engineering Group，Chengdu 610091，China)

Excavation technologies of tunnel with high ground stress and large cross-section in soft rock are discussed in this paper，based on the diversion tunnel of Jinping-Ⅱ hydroelectric station.The author thinks that when excavating the tunnel in soft rock，the four aspects must be paid attention to，including excavating methods，pre-supporting of working face，parameter control of weak blasting， and the utilization of relevant monitoring technology.The excavation at soft rock area of the diversion tunnel of Jinping-Ⅱhydroelectric station has proved that:after using reasonable working face pre-supporting measures，the excavation of large cross-section(112 m2)can be achieved，with the faster excavation process than that of the piecewise excavation method and with the more convenient and more flexible construction organization，at a relatively low cost.

high ground stress;soft surrounding rocks;tunnels with large cross-section;pre-supporting of working face;weak blasting;informationized construction

U455.4

A

1004-2954(2013)04-0087-05

2012-09-02;

2012-09-26

中央高校基本科研業(yè)務專項基金資助(SWJTU11ZT33);教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT0955)

陳 亮(1984—)，男，博士研究生，E-mail:clng9716@163.com。