強風化薄層圍巖隧道的開挖控制技術

馮世彪

(山西太興鐵路有限責任公司，山西太原 030013)

1 工程概況

杜交曲1號隧道地貌為典型黃土地貌，隧道洞身于里程DK68+230～DK68+420處發育兩條與線路相交的深溝，在DK68+330～DK68+550里程段內隧道洞身處于巖體破碎節理裂隙發育的全風化或強風化片麻巖層中，片麻巖層向上為粘土層，隧道拱頂距片麻巖層與黃土層分界線2 m～3 m，現場實際開挖過程中，局部拱頂已處于黃土層中。隧道洞身所處全風化片麻巖基巖呈灰黃色，手捏易碎;強風化片麻巖基巖呈灰白色，巖芯破碎，整體呈塊狀或短柱狀，沿裂面有明顯銹染，敲擊易碎。

現場出現的問題:面對隧道拱頂的薄層片麻巖，在開挖過程中很容易引起隧道塌方，要想順利施工必須要控制好開挖技術。

2 現場解決方案

結合杜交曲1號隧道的圍巖地質特征，為了更好的進行施工、管理工作，提出以下四種主要的現場解決方案:

1)做好監控量測，掌握圍巖變化。隧道開挖中，破壞了圍巖原來的穩定性，因此圍巖要產生一定量的變形，及時支護能減少這種變形。為了較準確的知道圍巖的變化規律，要進行相應的監控量測，及時反饋，有利于支護的進行。2)縮短開挖進尺，對前方圍巖進行超前小導管注漿預加固。超前注漿小導管能加固前方圍巖，同時能起到堵水的作用。3)三臺階開挖工法，這是根據現場的圍巖級別、地質條件確定的。4)采用光面爆破技術。

3 隧道開挖控制技術分析

3.1 監控量測

1)監控量測的意義。監控量測和施工同時進行，是監測地層在開挖和穩定措施條件下的真正反映。根據現場監控量測數據，隨時調整開挖進尺及支護參數，以保證隧道施工的安全順利進行。2)監控量測具體措施。本隧道通過測量隧道的水平凈空收斂以及隧道拱頂沉降來監測地層變化情況，來確定已經進行的初支情況及確定二襯的施作時間。監控量測測樁用φ6或者φ8盤條做成閉合的三角形，并且測樁要埋入圍巖長度不小于10 cm。Ⅳ級圍巖監控量測點每隔10 m布置一個斷面，Ⅴ級圍巖監控量測點每隔5 m布置一個斷面。3)監控量測的注意事項。對于應該埋設測點的里程，隧道開挖后應及時埋設，并在12 h以內完成初始讀數。測點應盡可能靠近開挖面，要求在2 m以內。測試頻率應視圍巖條件、工程結構條件及施工情況穩定，一般情況下按表1的要求而定。

表1 監控量測頻率表

3.2 縮短進尺，預加固前方圍巖

1)預加固前方圍巖的措施。采用超前小導管注漿加固前方破碎松散的圍巖，采用以下參數:a.超前小導管。φ42無縫鋼管，長度4.5 m，鋼管壁上每隔15 cm梅花形鉆孔，孔徑8 mm。小導管環向間距30 cm，整個上臺階布置，縱向間距3.0 m。b.注漿材料。采用水泥漿液注漿，水灰比為0.6∶1，加入水玻璃，其中水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.5。c.注漿壓力。注漿壓力為1.0 MPa～2.0 MPa。2)加固原理。超前小導管在開挖前，沿坑道周邊，向前方圍巖鉆孔并安裝帶孔小導管，通過小導管向圍巖壓注起膠凝作用的漿液，漿液到巖體裂隙中并硬化后，將破碎的巖塊或顆粒膠結為整體，并且填塞了裂隙，使得坑道周圍巖體形成了加固圈。

3.3 三臺階開挖工法

現場采用三臺階法施工，上臺階預留核心土。上臺階采用小藥量的松動爆破，上臺階長度控制在3 m～5 m，這樣既方便氣腿式風槍鉆眼又能保證挖機順利出渣;中下臺階長度控制在15 m～20 m，這樣既縮短了支護閉合時間，有利于控制圍巖變形，又能順利出渣，縮短出渣時間加快隧道開挖。

3.4 開挖爆破控制——光面爆破

采用光面爆破，周邊眼采用紅線控制，以減弱對圍巖的擾動，減小爆破松動圈。

1)爆破參數的選取。

a.周邊眼。周邊眼間距40 cm，最小抵抗線為50 cm，循環進尺1.0 m，炮眼利用率根據以往爆破經驗可取0.90，則炮眼深度為:

其中，l為循環進尺長度;η為炮眼利用率。

實際取炮眼深度為1.1 m。

炸藥選用2號巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長度為200 mm，每卷質量為0.15 kg，采用氣腿式風槍鉆孔，鉆頭直徑選取42 mm。

由于此段圍巖節理發育巖體破碎，故周邊眼裝藥系數取0.3，則:

其中，τ為裝藥系數。

實際取1.5卷。

b.掏槽眼。掏槽眼采用楔形掏槽，掏槽眼的深度一般在每循環炮眼的深度的基礎上加深0.2 cm，故深度為1.3 m，設置6個掏槽眼，為了保護中央核心土，掏槽眼的位置設在中央核心土左右兩側及上方，每處各兩個，裝藥系數取0.4，掏槽眼裝藥量為:

單孔裝藥卷數=0.4 ×1.3 ÷0.2=2.6 卷，實際取2.5 卷。

單孔裝藥量=2.5 ×0.15=0.375 kg。

c.輔助眼。在周邊眼以內依據最小抵抗線再設置一圈輔助眼，輔助眼間距70 cm，輔助眼裝藥系數取0.35，則輔助眼裝藥量為:

單孔裝藥卷數=0.35×1.1 ÷0.2=1.925卷，實際取2卷。

單孔裝藥量=25 ×0.15=0.3 g。

d.炮眼數目。通常可根據各炮眼平均分配炸藥量的原則來計算，公式為:

其中，N為炮眼數目;q為單位耗藥量，取1.2 kg/m3;s為開挖面積，上臺階面積為26.86 m2;τ為裝藥系數，取0.4;γ為每米藥卷的炸藥質量，取0.78 kg/m。于是:

實際取103個。

2)起爆順序。

現場采用毫秒導爆管雷管1段，3段，5段，7段，9段，11段，孔內延期起爆法。各個炮眼所使用的毫秒導爆管雷管段數分別為:掏槽眼使用1段，輔助眼使用3段，5段，7段，9段，周邊眼使用11段。采用簇聯網路，每簇采用一發瞬發導爆管雷管起爆，瞬發導爆管雷管由一發8號電雷管起爆。

4 結語

現場實踐表明，采取這些施工措施，在后續施工過程中，隧道沒有發生大的塌方，安全順利的度過了這段薄層破碎的圍巖。在軟弱破碎圍巖中，巷道的開挖不能只局限于一種方式，要多種施工工藝同時進行。對于這樣的圍巖，即使是采取短進尺開挖，開挖面和開完后的巷道也不穩定。當地下水豐富時，情況更為嚴重。在隧道工程歷史中，隧道坍方的事例并不鮮見，造成了人、財、物的大量浪費。按“圍巖控制變形分析工法”的觀點，對于不穩定的圍巖體系，要進行工作面前方的預加固和預支護，作為輔助開挖的方式。因此，對于巷道的開挖要統籌管理和安排，幾種工法同時使用，爆破的方式、預加固和預支護、監控量測、適當的開挖方法等，以保障開挖的安全。

1)采用光面爆破法可以使開挖面平整光滑，減少超欠挖，有利于后期的施工作業，同時對圍巖的破壞影響小，有利于隧道圍巖的穩定，提高隧道施工的安全系數。

2)小導管注漿對開挖前方圍巖預支護，坑道在漿液硬化后會形成具有一定厚度的加固圈，在加固圈的保護下可以安全地進行開挖作業。

3)監控量測可以及時的反映隧道圍巖的變化情況，以便于及時調整支護參數，保證隧道的施工安全和施工損失。

4)采用臺階法施工，合理的確定臺階的長度，既能保證隧道的施工安全，又能減少隧道循環進尺的時間，加快隧道施工進度，保證隧道施工質量。

［1］TB 10204-2002，鐵路隧道設計規范［S］.

［2］王海亮.工程爆破［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［3］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］王清江.隧道洞口開挖穩定技術分析研究［J］.山西建筑，2013，39(38):140-141.