隧道快速開挖及監控量測施工技術研究

楊劍鋒　文飛宇

【摘 要】甘肅省S216線平涼至華亭公路蔡胡梁隧道采用進出口端雙向相向掘進，施工作業單洞掘進1900m，采用重點工序優先、鉆爆開挖、交叉組織的施工形式。輔助導坑施工，施工正常進尺170m以上，施工中采用工序考核、方案比選、監控量測指導等方式增進施工進度，為今后類似工程提供參考。

【關鍵詞】鉆爆法；快速開挖；量測技術

在國家基礎建設快速發展的階段，鐵路、公路還有水利建設中，隧道設計越來越多，其施工中的快速開挖及監控量測技術越來越顯得重要，為項目達到縮短工期、減少管理成本的目的，起了致關重要的作用。

1 工程概述

省道S216線平涼至華亭公路工程試驗段位于甘肅省平涼市崆峒區。本項目是平涼市規劃的平涼至華亭運煤專線，連接平涼市區與華亭縣。本項目主線采用雙向四車道一級公路標準，設計時速為60Km/h，整體式路基寬度20.0m、分離式路基寬度10.25m。

試驗段路線起于K17+922（ZK17+935），以隧道穿越蔡胡梁至峽門鄉麻川村，后繼續向南布設至麻川溝（K24+690.4）。具體樁號K17+922～K24+690.4，路線總長6.778km。蔡胡梁隧道采用分離式雙線隧道，左線長3585米；右線長3700米。隧道最大埋深240余米。隧道左線進口平面線形為R=1100的圓曲線，縱坡為2.25%，隧道出口平面線形為直線，設計縱坡為-1.8%；隧道左線進口平面線形為R=1100的圓曲線，縱坡為2.25%，隧道出口平面線形為直線，設計縱坡為-2.0%。蔡胡梁隧道屬于特長隧道，是全線的控制性工程，作為試驗段先期開工。

蔡胡梁隧道地處隴東黃土高原亞區和六盤山～關山亞區，穿過黃土梁峁地貌和基巖中山地貌兩大地貌單元，該隧道屬構造剝蝕中山地貌單元，山高谷深，地形起伏較大，隧址區中線高程1731.001～1996.876m，相對高差265.875m。隧址區沖溝發育，溝谷一般為狹窄的“V”型谷，溝床縱坡較大，兩岸陡峻，高差大，植被發育。地下水類型按其賦存條件和含水層性質可分為基巖裂隙水、松散巖類孔隙水兩大類型，隧址區局部上覆第四系全新統殘坡積物（Q4el+dl）碎石、洪積物（Qpl）卵石，上更新統風積（Q3eol）黃土，分布不均勻，部分地段基巖出露，隧址出露地層巖性主要為新近系中新統咸水河組（N1x）礫巖，下白堊統六盤山群（K1）礫巖，寒武系（∈）灰巖、白云巖、板巖，震旦系（Z）白云巖等。

2 主要開挖機械設備配置

結合項目隧道單頭掘進距離較長及上下導坑斷面較大的特點，選用自卸車運輸及其配套的大型施工機械設備。項目配備了挖掘機、裝載機（可側翻）、自卸汽車、鉆孔臺車、水壓爆破設備等。

項目在鉆孔進度中對鉆孔臺車和人工風槍鉆孔進行了比選。項目施工斷面上導坑為主要進度控制施工面，每次鉆孔約150個，孔深3～3.5米，采用人工風槍鉆孔，組織13個施工，12臺風槍同時鉆孔，需鉆孔2小時；而使用鉆孔臺車（單臂），每孔成孔時間2.5分鐘，共需375分鐘，若要趕上人工速度，至少需3臂鉆孔，且設備成本太大。每個端配備一臺鉆孔臺車（單臂），配合人工對難施工的鎖腳和超前孔進行施工，降低成本，又增加開挖速度。

3 施工方案的選擇

結合本工程的地質地貌情況、設計巖性分析及工程工期要求，施工方案在前期策劃時，認為采用傳統的鉆爆法施工，加之一些先進的開挖爆破技術，采用上下導坑兩臺階法施工。在臺階法施工中，鉆爆施工技術對人工風槍鉆孔和鉆孔臺車鉆孔的比選上，大家意見不一。該項目圍巖較差，采用全段面施工條件不成熟，上下導坑平等施工是最適合的開挖方式。

本隧道設計為單線雙洞隧道，隧道開挖斷面約80.4～129.8m2。Ⅲ級圍巖段采用全斷面法施工，Ⅳ、V級圍巖段采用臺階法，V級圍巖段采用臺階開挖預留核心土法，采用裝載機裝渣，自卸運輸方式出渣。

4 施工方法

4.1 掌子面快速開挖

4.1.1 開挖方法

掌子面掘進以兩臺階開挖法組織施工，Ⅲ級圍巖每循環進尺控制在3m以內為宜，Ⅳ、V級圍巖每循環進尺控制在以1.8m以內為宜，當掌子面地質較差且不穩定時調整掘進進尺，以每循環0.8～1.2m為宜，必要時Ⅲ級圍巖調整為臺階法或采取超前加固措施后再按以上施工方法掘進。根據掌子面斷面較大，開挖施工時采用移動式作業臺架，采用風動鑿巖機鉆孔，鉆孔臺車輔助鉆孔，光面爆破的施工方法。挖裝機裝入自卸車運輸出渣。

為達到快速開挖要求，在施工工藝上采用人工風槍鉆孔為主，輔以鉆孔臺車對垂直向、鎖腳錨桿等人工難施做的爆孔進行鉆孔。鉆孔施工人員布置圖如下：

15臺風槍同時施工，2～3人為一個工作小組，相互協作，一個循環的炮眼2.5小時完成。

4.1.2 爆破工藝選擇

在對爆破工藝的選擇上，項目原來采用傳統的爆破技術，在觀摩甘肅省兩徽隧道施工爆破工藝后，決定采用水壓爆破技術。

水壓爆破是在傳統爆破技術的基礎上，在炮眼特定設計位置裝入專用水袋，使裝藥結構改變，用專用設備加工的炮泥填塞炮口，利用炸藥爆炸時的能量，在水中傳播的爆破應力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞到周圍的圍巖中，有利于巖石破碎。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應使巖石進一步破碎，炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，很大程度降低粉塵。提高巖石爆破效率的同時，減少爆破煙塵的產生，降低環境污染的爆破技術。

與常規巖石爆破效果相比，水壓爆破具有明顯的“三提高一保護”作用：提高了炸藥能量的利用率，單位體積巖石耗藥量可節約15%-20%；提高了施工效率，每循環進尺長度可提高20cm-30cm；提高了經濟效益，每延米可節約火工品材料費用250元-400元；粉塵濃度大大降低（下降67%），有利于保護施工人員身體健康，減少爆破后等待時間。另外，水壓爆破還能提高巖石破碎度，縮短爆堆長度，因而能縮短裝渣時間，加快出渣進度。水壓爆破還能提高光爆質量，隧道爆破輪廓面的半眼痕率能達到90%以上。

4.1.3 水壓爆破設計

水壓爆破設計與傳統的隧道光面爆破設計方案基本相同，只是在裝藥結構和炮孔堵塞上進行了適當的調整。

1）爆破器材

根據施工中常用的爆破器材以及水壓爆破的特殊要求，選用直徑為32的防水乳化炸藥，并采用電雷管和導爆管雷管作為起爆器材。炮孔內所用水袋及堵塞材料都由專用設備加工而成，長度約為20cm。

2）光面爆破參數的確定

（1）孔距

根據自有設備，炮眼直徑為d=40mm，所以周邊孔間距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系數與光爆層厚度

光面爆破的不耦合系數λ=d0/d（d0為裝藥直徑）在0.8～1之間變化，λ變小，孔壁上的最大切向應力減小，爆炸波作用時間延長，有利于應力疊加和應力集中，產生拉伸裂隙，不宜產生粉碎。生產實踐表明，增大不耦合系數，采用空氣間隔裝藥，可以消除壓碎破壞，控制放射狀裂隙，提高炮孔的殘留率。根據最小抵抗線與炮孔間距的關系：光爆層厚度w=a/λ。

（3）周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系數，在通常情況下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）鉆爆設計示意圖，鉆爆設計示意圖如圖3所示

圖3

1.掏槽眼；2、3.輔助眼；4.周邊眼

3）裝藥結構

（1）周邊眼采用竹片間隔、不耦合裝藥，采用導爆管起爆，炸藥均勻分布裝入炮孔內。為克服底部炮眼的阻力，將底部藥量稍微加大。在裝藥前先裝入長約20cm的一節水袋，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，最后堵塞。（如圖4）。

圖4 周邊眼裝藥結構示意圖

（2）掏槽眼、輔助眼等采用連續耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長約20cm的一節水袋，并在裝藥結束后再裝入2節水袋，最后堵塞。其結構如圖5。

圖5

4）開挖循環作業時間

（1）Ⅲ級圍巖每循環鉆孔3.5m，進尺2.8～3.0m，循環作業時間

測量（施工準備）15min+鉆孔l2Omin+裝藥爆破15min-通風10min+初噴15min+出渣60min+復噴60min=295min（5h），月進尺：336～360m。

（2）Ⅳ、V級圍巖每循環鉆孔2.0m，進尺1.2～1.5m，作業時間

測量（施工準備）15min+鉆孔120min+裝藥爆破15min+通風10min+初噴15min+出渣60min+支護100min+復噴90min=425min（7.1h），月進尺：101～127m。

4.2 勞動力及主要開挖施工機具安排

每開挖作業班16人（工班長1人、司鉆工12人、爆破工2人、普工2人），運輸班3～6人，裝渣2人，風動鑿巖機12～15臺，拼裝式作業架1臺，挖裝機1臺，自卸車4～6臺（根據掌子面距棄渣場距離調整），初期支護配套施工設備1套。

5 監控量測技術

5.1 量測的目的

5.1.1 掌握圍巖動態和支護結構的工作狀態，利用量測結果修改設計，指導施工；

5.1.2 預見事故和險情，及時采取措施，防患于未然；

5.1.3 為確定隧道安全提供可靠的信息；

5.1.4 量測數據經分析處理與必要的計算和判斷后，進行施工進度安排。

5.2 量測的要求

快速埋設測點（量測點設置在距掌子面2m范圍內，開挖后24小時、下次爆破前測取第一次讀數。）；測量讀數在隧道內要快；保證測量點不被破壞；讀數準確可靠。

5.3 必測項目：圍巖地質素描及支護狀態、地表沉降觀測、拱頂下沉量測、周邊收斂量測。測試儀器及設備：全站儀、斷面儀、精密水準儀、塔尺、鋼圈尺（測地表沉降、拱頂下沉）；周邊收斂儀（測周邊收斂）。

5.3.1 地質素描、支護狀態觀察

包括對掌子面觀察和支護結構的支護效果觀察。掌子面工程地質、水文地質情況觀察包括巖石的名稱、巖層產狀、節理、層理、斷層等結構面的分布、產狀、走向。每茬炮后觀測一次。支護狀態觀察包括初期支護狀態和已成峒支護效果觀察。如噴射砼開裂部位、寬度長度及深度。二次襯砌的整體性、防水效果等，每天觀察一次。

5.3.2 圍巖周邊位移量測

在準備設點斷面，隧道開挖爆破出渣以后，沿周邊的拱頂、拱腰和邊墻部位分別埋設測樁。測樁埋設要求一般按深度30cm，鉆孔直徑？椎42，用快凝水泥或早強錨固劑固定。

周邊收斂量測是最基本量測項目之一，布置在主測斷面。如圖6。圖6 拱頂下沉和周邊收斂測線布置圖

我們用測線BC和DE邊測量值變化來量測凈空水平收斂。

5.3.3 拱頂下沉量測

拱頂下沉，主要用于確認圍巖的穩定性。測點布設在拱頂中心位置，與周邊量測點同時布設在主量測斷面。

拱頂下沉量測最常用的方法有三種：

1）用收斂計量測

該方法操作簡單，投入較少，但用收斂計量測來獲取數據，后期的數據處理較多。

2）用水準儀量測（差值法計算）

該方法用鋼尺和高精度的水準儀配合測量。測量時把鋼尺掛在預埋的測點上，下掛1kg的垂球使鋼尺鉛直，用水準儀讀取鋼尺上的讀數，來實現數據的采集。

3）用全站儀量測

測量時在拱頂測點位置貼一個反光膜，用全站儀測量測點處的標高，來實現數據的采集。但該方法的設備投入較大（主要為全站儀的投入，但現在是最常用施工量測方法）。

5.3.4 地表下沉量測

地表下沉量測，在淺埋隧道和隧道的洞口段通常每個隧道至少2個斷面，若出現不良地質情況時，加設監測斷面。地表下沉采用閉合測量法，當閉合差超過3mm時，我們必須重新測。當地表下沉量測結果達2～4cm時我們要加強觀測，必要是給業主報告。

5.4 隧道選測項目量測

選擇項目是必測項目的拓展和補充。選測項目量測主要有：鋼筋計（測鋼支撐內力、錨桿軸力）；壓力盒（測接觸壓力）；混凝土應變計（測混凝土內部應力）；多點位移計（圍巖內部位移）

5.5 組織機構和組織管理

項目為加強量測技術的實施，成立現場監控量測小組，負責測點埋設、量測數據、資料整理、出據報告。

6 結束語

隧道快速開挖技術是隧道施工進度控制的主要工作，合理組織鉆孔工序、爆破作業、棄渣運輸的銜接時間，合理的資源配置是隧道施工開挖組織管理的重點和難點，資源配置時既要考慮滿足施工需要又不要造成資源的浪費，達到充分發揮資源配置的效益最大化，避免資源使用時松時緊，施工組織著眼于均衡生產的原則。為改善隧道施工作業環境，盡可能使用先進科技機械設備，如隧道爆破成套設備、鉆孔臺車（雙臂以上）等，以減少空氣污染，縮短爆堆時間，減少鉆孔耗時。但投入較大，本項目配備以上開挖設備投入達1000多萬元。

【參考文獻】

[1]JTG F60-2009.公路隧道施工技術規范[S].人民交通出版社.

[2]JTG/T F60-2009.公路隧道施工技術細則[S].人民交通出版社.

[責任編輯：田吉捷]