不良地質隧道超欠挖控制技術

韓義浩

中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710016

1 工程概況

1.1 工程簡介

引漢濟渭工程秦嶺隧洞（越嶺段）0-1號勘探試驗洞工程位于秦嶺嶺南中低山區，地形起伏。主洞為馬蹄形斷面，斷面尺寸為6.76×6.76m（寬×高），洞室埋深320-734m。圍巖類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖采用錨噴支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼拱架聯合支護[1]。

1.2 地層巖性與地質構造

該施工區域地層巖性主要涉及地層下元古界長角壩巖群沙壩巖組大理巖、石英片巖、片麻巖及碎裂巖。途徑斷層影響段落占全隧總長的17.6%。斷層帶物質以碎裂巖、斷層泥礫為主。

2 影響超欠挖的因素分析

2.1 斷層破碎帶及影響帶

斷層破碎帶及影響帶是指由于受到地殼運動中產生的強大的壓力和張力，巖層或巖體順破裂面發生明顯位移的構造，從而破壞了巖體的完整性和連續性，往往表現為巖石破碎、涌水、裂隙等，易備風化侵蝕。在爆破過程中，受到爆破震動及應力波的影響，易發生圍巖變形失穩、剝落掉塊等，嚴重影響超欠挖。

2.2 巖爆地段

當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖石結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆往往造成工作面的嚴重破壞、設備損壞和人員傷亡，同時巖爆產生的破碎巖石嚴重影響超欠挖。

2.3 水平成層圍巖

由于拱部圍巖節理、裂隙發育，裂隙間泥沙填充，在爆破后，圍巖應力重新分布，臨空面的圍巖松動壓力遠遠小于其自重所造成的壓力，頂板開始沉陷，并出現拉斷裂紋，受到結構面切割后，裂紋發展并張開，繼而松動掉落。待拱部圍巖相對穩定后，已經遠遠超出超挖允許范圍，不僅對安全產生影響，也大大增加了工序使用時間及施工成本。

2.4 開挖技術影響分析

（1）鉆孔技術。鉆孔技術對隧道超欠挖的影響主要表現在周邊孔的外插角θ、開口位置e和鉆孔的深度L，三者與超欠挖高度h有著如下的關系：

由式中可以看出，隨著外插角θ、開口位置e和鉆孔深度L的增大，超欠挖h增大。在施工過程中，以鋼拱架聯合支護后掌子面開挖時表現的最為明顯。

（2）爆破參數。圍巖類型變化頻繁，但周邊孔間距、抵抗線、線裝藥密度等爆破參數沒有及時得到調整，爆破后要么對圍巖擾動過大，剝落掉塊嚴重，造成超挖；要么藥量不足，圍巖侵限嚴重，造成欠挖，很難實現光面爆破。

3 不良地質超欠挖控制

3.1 超前預報

（1）在開挖前可對圍巖斷層破碎帶及影響帶進行地質超前預報，以準確掌握前方斷層破碎帶的詳細情況以及圍巖節理裂隙、破碎的發育程度。

（2）根據地質資料結合實際地質對每循環開挖掌子面地質素描，進行初步的地質分析，為后續的開挖施工提供理論依據。

（3）若隧道局部圍巖破碎、石質較差，且圍巖軟硬分解明顯，可根據巖層的走向、傾角等預測前方可能出現的斷層破碎帶，以便及時調整爆破、支護參數。

3.2 調整圍巖應力分布

（1）超前預注漿。在遇到斷層破碎帶及影響帶時，為加強圍巖的自穩能力，可采用超前管棚、超前小導管等方式進行預注漿，通過鋼管和漿液的共同作用，將掌子面的破碎圍巖提前固結，形成一個相對完整的整體，然后進行開挖作業。

（2）超前探孔。掌子面開挖前，采用長度大于開挖進尺的超長鉆桿對前方圍巖進行鉆孔，根據鉆芯和鉆進過程中的巖粉、鉆速和水質情況，判斷前方的水文、地質條件，也可以使掌子面及洞壁的自身應力提前釋放。在遇到巖爆地段，通過采取在超前探孔中注入高壓水、向巖面噴霧等措施，降低巖石強度和彈性模量，減少巖爆發生率[2]。

3.3 適當調整爆破參數

在隧道開挖過程中，巖體的地質特征是造成超欠挖的主要因素之一，從外觀上可以看出圍巖存在明顯的節理、裂隙、軟弱夾層、斷層等特征。首先應改變“同一循環中使用同一爆破參數”和“始終使用一種爆破參數”的傳統觀點，在不良地質段落，根據圍巖的軟硬程度、節理裂隙發育狀態對周邊孔的線裝藥密度進行調整，并適當采用預裂爆破，以減少爆破產生的應力波對周邊圍巖的擾動，即可在很大程度上節約炸藥用量，降低爆破成本，又可達到控制超欠挖的目的。

3.4 初期支護

質量優良的初期支護對不良地質隧道超欠挖控制而言顯得尤為重要。開挖過程中，嚴格按照“短進尺、弱爆破、勤支護”的原則進行。開挖完成后，及時施作初期支護，確保斷層破碎帶、水平成層、巖爆等圍巖的穩定性，有效避免連續塌方的可能。在遇到圍巖極為破碎、極不穩定時，需要及時施作鋼拱架聯合支護，但由于鋼拱架距掌子面較近，周邊孔外插角θ增大導致超挖h隨之增加。為減小周邊孔外插角θ，可采用長短孔結合的方法進行。短孔孔底落于掌子面前方第一榀拱架位置的開挖輪廓線上；長孔位于短孔內側，適當欠挖10cm左右，深度與進尺一致。在長孔起爆前，短孔可將長孔欠挖部分爆掉，進而實現超欠挖的控制[3]。

4 結語

引漢濟渭工程秦嶺隧洞（越嶺段）0-1號勘探試驗洞工程在施工中，采用科研課題研究為先導，施工中強調理論與實踐的對比分析，綜合采用超前地質預報、開展多次爆破試驗和監控量測等手段，克服了多項不良地質帶來的各種困難，同時在初期支護中鋼拱架聯合支護控制超欠挖方面取得了突破性進展，與傳統施工相比，在保證安全的前提下大大降低了施工成本，為同類工程施工積累了寶貴的施工經驗。