花石溝炭質片巖隧道弱爆破與機械聯合開挖法

姜 貴，馬建軍，蔡路軍

(武漢科技大學理學院，湖北 武漢，430065)

花石溝炭質片巖隧道弱爆破與機械聯合開挖法

姜 貴，馬建軍，蔡路軍

(武漢科技大學理學院，湖北 武漢，430065)

在十白高速花石溝隧道的施工過程中，遇到了大面積的炭質片巖，其強度低、風化快、易吸濕、變形大，采用普通隧道爆破技術和開挖施工工藝時，超挖現象普遍，支護變形嚴重。本文應用FLAC3D軟件進行炭質片巖隧道拱頂沉降數值模擬，得出其流變變形規律，為支護設計和施工工藝優化提供了依據。根據花石溝隧道的實際情況，提出了弱爆破與機械聯合開挖方法，其主要技術措施包括：下臺階分區作業；小進尺，快初支；預留吸水軟化層；減弱爆破設計；縮短二襯間隔。工程實踐證明，該方法有效控制了炭質片巖隧道施工中的超挖現象和支護變形。

隧道施工；炭質片巖；爆破開挖；弱爆破；支護；巖體流變；數值模擬

1 問題的提出

花石溝隧道是十白高速(湖北十堰至陜西白河)眾多大斷面公路隧道之一，其出、入口均位于湖北省十堰市鄖縣境內。隧道穿越秦巴山區的大巴山和秦嶺擠壓帶、斷裂帶，地質狀況極為復雜，特別是在隧道施工中出現的連續幾百米的炭質片巖段，給整個工程帶來了新的難題。花石溝炭質片巖的巖性差，巖體強度低，炭化、片理化現象明顯，其軟弱破碎、變形大的特性在國內隧道工程中也屬少見[1]。該巖段采用普通爆破法開挖時，超挖現象普遍，嚴重時甚至發生大塊整體垮落的塌方事故。此外，由于炭質片巖變形持續時間長，圍巖穩定性差，開挖后盡管按常規進行了較強的初期支護和二襯，隧道仍會出現較大變形，部分區域初支開裂，鋼架扭曲、變形、侵限，不得不反復進行大量拆換加固，嚴重影響了隧道施工安全和施工效率。為解決這一問題，需尋求適合炭質片巖特性的隧道開挖方法。

2 炭質片巖特性對隧道施工的影響

花石溝隧道為平行左右雙洞，長兩千多米，巖性復雜多變，從硬質到軟質各級圍巖均有，其中III級圍巖占68.6%，IV級圍巖占23.6%，V級圍巖占7.8%。炭質片主要賦存于IV級軟巖中，基本成分為石英和云母，其強度低、性脆，為片狀構造，開挖并與空氣接觸后風化速度快，親水性較強，透水性弱，在浸水后極易發生塑性變形，甚至產生流變。花石溝炭質片巖的主要物理力學參數如表1所示。該隧道普通IV級圍巖為強～弱風化中元古武當山群片巖，主要為輝綠巖和片麻巖，裂隙較發育，其主要物理力學參數見表2。

比較表1和表2可知，與普通IV級軟巖相比，炭質片巖的力學性能要差很多，其特有的巖性以及對隧道施工的直接影響主要包括以下幾點[2-4]。

(1)密度大、強度低。花石溝隧道炭質片巖的測試強度雖然較低，但在高地應力和封閉條件下其密度大、整體性好，抵抗外力破壞的能力仍然很強。隧道開挖工作面小，炭質片巖暴露面積少，應力釋放十分有限，因此直接采用機械設備開挖的難度大、效率低，仍需要用爆破方法開挖。但如果爆破強度太大，又會對圍巖造成一定的破壞而影響隧道的穩定性。

(2)易吸濕、軟化快。在炭質片巖中開挖隧道，應力得到釋放，隧道周邊形成一定厚度的卸載松動圈，裂隙、微裂隙充分發育，圍巖強度急劇降低，遇水或吸收空氣中的水分后膨脹并快速軟化變形，甚至出現崩解垮落，致使隧道邊墻內擠、拱頂開裂下沉。吸水膨脹巖塊在自重作用下掉落，造成超挖，嚴重的甚至發生大面積整體垮落的塌方事故。即使有后續支護，持續、較大的圍巖膨脹壓力也會作用于初支系統，使其產生變形，甚至被破壞。

(3)分布不均、軟硬并存。炭質片巖生成形態無規律，出露面積不定，有時占整個掌子面面積的90%以上，有時只占20%左右，因此在一個掌子面上軟、硬巖并存。用爆破法開挖時，如果按非炭質片巖進行爆破設計，爆破作用太強，會使炭質片巖部分的隧道周邊圍巖受到較大破壞，易產生超挖；而按炭質片巖進行爆破設計，爆破作用又可能太弱，會使非炭質片巖部分無法崩掉，出現欠挖。

3 炭質片巖隧道的流變模擬

本文采用FLAC3D軟件進行數值計算[5-7]，模擬炭質片巖隧道開挖一段時間后拱頂沉降位移的變化，以獲得隧道的流變變形規律，為開挖支護方案制定、爆破進尺設計、各工序工期安排等提供依據。根據花石溝隧道的現場監測數據，選擇反映巖石流變特性的西原本構模型進行數值模擬計算。依據現場地質資料和相關文獻[1，8-9]，得到炭質片巖的西原模型力學計算參數，如表3所示。初支和二襯混凝土的強度等級分別為C25和C30，其性能參數見表4。

考慮兩種工況進行建模計算：

(1)隧道全斷面開挖，無支護。圖1為此工況下60 d內隧道拱頂沉降位移曲線。由圖1可見，在無支護情況下，隧道開挖后拱頂2 d沉降近30 mm，10d累計沉降約128mm，日均沉降約12.8mm；14 d后，隧道拱頂進入穩定蠕變期，日均下沉量約為4.39 mm。隨著時間的推移，拱頂沉降量仍不斷增大，隧道圍巖可能進入不可控的加速變形階段，直至出現垮落塌方。

Fig.1 Subsidence displacement curve of unsupported vault

(2)隧道臺階法開挖，依次上初支、二襯。根據現場工序安排和工期，模擬設定為：上臺階開挖后隨即初支，2 d后發揮作用；接著下臺階開挖，分區進行，5 d完成，隨即初支，3 d后發揮作用；然后再上二次襯砌，20 d后二襯發揮作用。圖2為此工況下60 d內隧道拱頂沉降位移曲線。

由圖2可見，臺階法開挖前兩天隧道無支護，拱頂變形很快；兩天后加上初支，拱頂沉降趨緩，表明初支很好地抑制了隧道拱頂變形；第7 天，下臺階開挖完成，初支合圍封閉，第10天起作用，拱頂變形進一步明顯趨緩；二襯在第20天發揮作用后，再次抑制了隧道變形，使拱頂沉降逐漸趨于收斂。60 d內拱頂沉降量最大為157 mm，日均下沉量約為2.6 mm。

通過模擬結果比較可知：①初支對炭質片巖隧道流變變形起到了很好的約束作用，越早初支越有利于隧道變形控制；②下臺階初支未完成前，拱頂沉降速率再次增大，當上、下臺階初支閉合成環并發揮作用后，拱頂沉降速率明顯減小，因此采用臺階法開挖時應盡早完成環形封閉支護；③二襯后，拱頂沉降速率又得到降低，沉降變形趨于收斂，可見二襯進一步抑制了圍巖的流變變形，同時對初支起到了加強與保護作用。

4 炭質片巖隧道的開挖方法

根據上述分析，炭質片巖隧道一旦開挖，初支和二襯都要盡快跟上，盡量縮短炭質片巖在空氣中的暴露時間，及時形成封閉成環的支護系統，以利于抑制隧道變形。同時，普通法爆破對炭質片巖隧道周邊保留圍巖的作用太強、擾動太大，削弱了其自承載能力，且開挖量過大、清渣時間長，也遲滯了后續工藝的跟進，不利于抑制圍巖和支護的變形。

為適應炭質片巖特性，經過研究和現場試驗，提出了弱爆破與機械聯合開挖法。在已實施的普通IV級圍巖隧道爆破設計基礎上，先后進行了兩個改進方案的現場試驗。各方案的主要參數見表5。

方案一：減弱裝藥，小進尺，半斷面上、下臺階開挖。

方案二：預留軟化層，下臺階分區作業，爆破與機械聯合開挖。

方案一主要以減弱爆破和減少一次爆破量為設計思路。爆后觀察可見，隧道輪廓不平整，有部分欠挖現象，分析其原因為周邊孔間距過大。此外，清渣結束立即進行初支，此時隧道周邊圍巖已明顯出現一定深度的受潮膨脹巖層，尤其下臺階清挖完成后，由于地下滲水作用，下臺階比上臺階受潮深度明顯增大，使初支質量受損。為此提出改進方案二。

方案二采用弱爆破與機械聯合開挖法。由于周邊孔增多，爆后基本沿炮孔連心線貫通形成開挖輪廓。設置吸水軟化預留層，挖機清挖后幾乎是在新鮮巖面上噴錨初支，尤其下臺階分兩區作業，縮短了下臺階初支時間，使初支質量明顯改善。但本次試驗預留層過厚，挖機清挖效率太低，使初支巖面暴露時間仍然過長。

經試驗結果分析比較，確定修正后的花石溝隧道弱爆破與機械聯合開挖法的主要施工技術為：

(1)下臺階兩作業區開挖。將開挖斷面分為上下兩部分(花石溝隧道凈寬10.25 m，凈高5 m)，上臺階高度3 m，下臺階高度2 m，開挖順序為先上后下；上臺階全斷面推進，下臺階左右兩側分開進行，軸向錯開間距大于2 m，單側掘進長度小于2 m；上、下臺階開挖間距控制在10～15 m。這樣可減小炭質片巖暴露面積，縮短清渣工期，加快初支。

(2)小進尺，快初支。花石溝隧道普通IV級圍巖一次爆破循環進尺為1.5 m, 在此基礎上炭質片巖隧道爆破開挖進尺減小20%，為1.2 m，從而可以減少一次爆破用藥量，減輕爆破對保留圍巖的擾動與破壞，同時可減少一次爆破的破巖量，以便快速清渣。

(3)預留吸水軟化層。周邊孔內退，距設計輪廓線20～30 cm布孔，預留吸收空氣水分的軟化層，留待爆后挖機挖掘到位，同時也減少了爆破破巖量。

(4)減弱爆破設計。在普通IV級軟巖隧道爆破設計基礎上，減小爆破強度。主要調整參數包括：①炸藥單耗減小20%～40%，以降低爆破作用強度；②周邊光面孔間距減小到25 cm，加密周邊孔，減少每孔裝藥量，減弱爆破作用，強化孔間導向和貫通作用，以減少超挖，其他部位的布孔方案不變；③光面層厚度隨光面孔間距減小，取為35 cm。

(5)分區設計，各有適應。當掌子面出現既有炭質片巖也有非炭質片巖的情況時，應分別設計。首先在隧道斷面圖上將炭質片巖區域和非炭質片巖區域標出，各區域按不同要求分別進行爆破設計；在兩區域交界處，炮孔裝藥按炭質片巖減弱爆破設計，即減少裝藥量。炮孔布局如圖3和圖4所示。

(6)挖機修邊，隨即初支。爆破后，預留層受到損傷，在爆堆挖運時易吸收空氣中的水分而軟化。挖機清完爆堆后，從正面沿設計輪廓線用鏟齒切入挖掉預留層，形成隧道設計周邊輪廓。兩邊墻低矮處，可人工用鏟清挖到位。修整完后立即噴混凝土，初支封閉新挖面。

(7)隧道完成一個循環進尺的開挖、初支后，及時進行仰拱封閉。仰拱與開挖掌子面距離不超過10 m，仰拱及仰拱填充砼須架設棧橋全幅澆注。二襯也必須及時跟上，二襯與開挖掌子面距離不超過30 m。凡是仰拱及二襯沒跟進的隧道，必須停止掘進。

在花石溝炭質片巖隧道開挖過程中，弱爆破與機械聯合開挖法取得了比較好的應用效果，控制了圍巖變形，減少了初期支護開裂，保證了工程進度，為炭質片巖隧道的施工提供了一種新的技術方案。

5 結論

(1)通過對炭質片巖隧道的流變規律模擬計算得出：①隧道開挖后的及時初支對隧道流變變形的約束作用十分明顯；②采用臺階法開挖時應盡早完成環形封閉支護；③及時的二次襯砌進一步抑制了隧道的流變變形，同時對初支起到了加強與保護作用，使得拱頂沉降趨于收斂。

(2)針對炭質片巖特性，采用弱爆破與機械聯合開挖法進行隧道施工，可有效減少超、欠挖現象并能抑制支護隧道的變形。

(3)采用挖機清挖預留層時，對挖機操作技術要求較高，實際作業有一定難度。

(4)小進尺、快初支的施工技術要求使生產組織的難度加大。

[1] 中國科學院武漢巖土力學研究所.十白高速花石溝隧道炭質片巖區域地質情況及監控量測[R].十堰：湖北十白高速公路建設指揮部，2011.

[2] 邵大鵬.軟巖大變形隧道成因分析及控制施工技術[J].四川建材，2013，39(3)：136-138.

[3] 陳花順.新蜀河隧道炭質片巖變形特性與支護設計[J].中國鐵路，2010(5)：34-36,59.

[4] 杜雁鵬.軟質板巖隧道大變形力學行為與控制技術研究[D].長沙：中南大學，2011.

[5] 王芝銀，李云鵬.巖體流變理論及其數值模擬[M].北京：科學出版社，2008.

[6] 陳育明，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[7] 孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[8] 賈偉.佛嶺隧道破碎帶圍巖蠕變變形規律研究[D].北京:北京交通大學,2010.

[9] 劉欽.炭質頁巖隧道軟弱破碎圍巖大變形機理與控制對策及其應用研究[D].濟南:山東大學,2011.

[責任編輯 尚 晶]

Weak blasting combined with machine excavation for construction ofHuashigou Tunnel with carbonaceous schist

JiangGui，MaJianjun，CaiLujun

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

A large area of carbonaceous schist was met with in the construction of Huashigou Tunnel on Shiyan-Baihe Expressway. Carbonaceous schist has the properties of low strength,rapid weathering,high hygroscopicity and large deformation. The common construction technology of tunnel blasting and excavation would cause the overbreaking of the tunnel and serious deformation of the supports. This paper uses FLAC3D software to simulate the vault subsidence of carbonaceous schist tunnel and obtains its rheological deformation law, which provides a basis for the supporting design and the optimization of construction technology. According to the actual situation of Huashigou Tunnel, it puts forward a method of weak blasting combined with machine excavation. The main technical measures are as follows: partition constructing in the lower section of the tunnel; small digging length, rapid preliminary supporting; reserved water-absorbing softened layer; weak blasting; shortening the time interval of the secondary concrete lining. The construction practice proves that the proposed method can effectively control the overbreaking of tunnel with carbonaceous schist and the deformation of supports.

tunnel construction; carbonaceous schist; blasting excavation; weak blasting; support; rock mass rheology; numerical simulation

2015-06-08

湖北省教育廳科學研究計劃重點項目(D20151105).

姜 貴(1988-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail:1025963187@qq.com

馬建軍(1957-)，男，武漢科技大學教授，博士生導師.E-mail:wkdmjj@163.com

TD235.1

A

1674-3644(2015)05-0396-05