環形開挖預留核心土法在楊柳埡隧道洞挖中的應用

楊 瑞 英， 田 艷 軍

(中國水利水電第十工程局有限公司 三分局，四川 成都 610072)

1 概 述

楊柳埡隧道為分離式雙洞隧道，位于達州市經開區境內，附近為汽車城、機電市場及農民聚居區。周邊房屋一般為4～5層且無構造柱和圈梁，房屋抗震能力弱。進口端離建筑物的最近距離為5 m，出口端離建筑物的最近距離為27 m。

隧道斷面由三心圓組成，按新奧法原理進行洞身結構設計，即以系統錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼架組成的初期支護與二次模筑混凝土相結合的復合襯砌型式。隧道開挖面積按照不同的圍巖等級分別為151.48 m2、159.4 m2、164.06 m2三種，襯砌成型后的面積為113.203 m2。隧道兩洞之間的最大間距為65.68 m，其中洞口段為小間距，最小凈距為24.24 m。隧道右線長690 m，左線長710 m，洞身埋深20～133 m。隧道的主要工程量為：土石方開挖38萬m3(其中洞身石方洞挖211 993.4 m3)，混凝土6.4萬m3，噴混凝土2萬m3，鋼筋3 040 t，型鋼1 988 t，注漿5 053 m3，各種鋼材及鋼管947 t，錨桿4.7萬根，瀝青路面25 580 m2。施工總工期為18個月。

隧址區域進洞口位于達川區南外鎮1號干道禾林汽車城西側山腳，出洞口位于南外鎮火烽山村村委會西側的坡腳，隧道穿越地段為緩坡、陡坡、陡崖、山脊、沖溝等不同的地貌單元。地表植被主要以杉樹、松樹、灌木和草片為主。

隧道線路穿越范圍內無活動斷層、地下洞室、地面塌陷等不良地質現象，主要工程地質問題為：局部地段及因線路施工形成的人工巖土體邊坡的穩定性。

2 施工方法比選

楊柳埡隧道右線YK0+443～YK0+885和左線ZK0+441～ZK0+885段的巖體為IV類圍巖，開挖斷面為151.48 m2，開挖跨度為16.13 m。隧道沿線為侏羅系中統上沙溪廟組砂質泥巖夾砂巖互層，厚～巨厚層狀，層間結合一般，砂巖平均單軸飽和抗壓強度為16.8～17.8 MPa，屬較軟巖。彈性波速為2 438～2 571 m/s，完整系數為0.53～0.54，為較破碎的單斜地層，無斷層，節理裂隙較發育，貫通度較好，巖體呈塊狀、大塊狀，局部呈碎塊狀結構。拱部無支護時可產生較大的坍塌，側壁有時會失去穩定，爆破振動過大時易坍。無有毒、有害氣體，無煤層，地下水為第四系松散堆積層孔隙水,裂隙統一含水體及層狀裂隙含水體,涌水方式為點滴、線狀～股狀，修正后的圍巖級別為IV類。鑒于此，針對軟弱大跨度圍巖的開挖選擇合理的開挖方法至關重要。

2.1 開挖方法比較

(1)臺階開挖法。臺階開挖法一般有上下臺階法和三臺階法。根據地層條件和機械配套情況，臺階法又分為正臺階法和反臺階法。正臺階法能較早地使支護閉合，有利于控制其結構變形及由此引起的地面沉降。

優點：具有足夠的作業空間和較快的施工速度，靈活多變，適用性強。

缺點：①上下部作業互有干擾，應注意下部作業時對上部穩定性的影響。②臺階開挖會增加對圍巖的擾動次數。③一次開挖面積大，若拱部開挖后圍巖暴露時間較長，支護前拱部容易出現垮塌。

(2)環形開挖預留核心土法。環形開挖預留核心土法是一種先開挖上部導坑成環并進行初期支護，再在分部開挖剩余部分的施工方法。斷面一般分成環形拱部、上部核心土、下部臺階三部分。根據斷面的大小，環形拱部又可分成幾塊交替開挖。環形開挖進尺為0.5～1 m，不宜過長。臺階長度一般控制在1D(D-般指隧道跨度)以內。

優點：①開挖過程中留有核心土作為支撐以保證開挖面的穩定。②上部導坑開挖后立即進行初期支護，故核心土和下部臺階的施工安全得以保障。③與臺階法相比，臺階長度可以適度加長，以減少上下臺階的施工干擾。④一次爆破斷面小，用藥量小，爆破震動弱，對周邊房屋擾動小。

缺點：對隧道斷面下半部圍巖強度和穩定性有一定要求；若支護結構不能及時形成全斷面封閉，容易導致圍巖變形增大。

2.2 開挖方法的選定

鑒于隧道沿線圍巖較為軟弱，同時隧道開挖斷面面積及跨度較大，項目部結合兩個開挖方案的優缺點，在綜合考慮了施工進度、安全、質量控制以及對周邊房屋擾動等方面的因素后，最終決定楊柳埡隧道IV類圍巖段采用環形開挖預留核心土法洞挖。

3 環形開挖預留核心土法的施工工藝

楊柳埡隧道洞挖施工采用光面爆破，嚴格遵循“短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的原則，嚴格控制循環進尺和爆破震動。筆者簡要闡述了環形開挖預留核心土法洞挖施工的工序及工藝。

楊柳埡隧道IV類圍巖環形開挖預留核心土法洞挖的施工分區及各區施工順序見圖1。

圖1 IV類級圍巖段施工步序橫斷面圖

楊柳埡隧道IV類圍巖環形開挖預留核心土法施工工序如下：

(1)拱部超前支護①→拱部環形開挖②→拱部初期支護③。

(2)上臺階左側超前支護④→上臺階左側開挖⑤→上臺階左側初期支護⑥。

(3)上臺階右側超前支護⑦→上臺階右側開挖⑧→上臺階右側初期支護⑨。

4 施工監控量測

監控量測作為新奧法的重要組成部分，有助于正確認識和了解掌子面開挖后圍巖的動態變化過程及趨勢，為判斷施工過程中隧道圍巖的穩定性和支護結構的安全性提供科學依據。監控量測的主要對象是圍巖的變化情況和支護結構的工作狀態，通過量測后分析處理所采集到的監測數據，對圍巖的各項指標進行反饋和預測，以保證隧道圍巖及支護結構的穩定。同時，通過對圍巖和支護的應力應變量測，合理修改支護參數，旨在保證隧道施工的安全。

根據楊柳埡隧道實際揭露的圍巖條件和隧道施工情況，項目部合理開展了有針對性、有代表性的選測項目。隧道的主要監測項目見表1。

表1 楊柳埡隧道主要監控量測項目表

5 楊柳埡隧道爆破開挖采用的主要參數及措施

楊柳埡隧道爆破開挖遵循“短進尺、弱爆破、強支護、早襯砌”的原則，加強了施工臨時監控量測，確保了施工安全。爆破參數的確定采用了理論計算、工程類比與現場試爆相結合的方式。在保證爆破震動速度符合安全規定的前提下，通過調整爆破參數，減少了爆破作業對周邊房屋的擾動，提高了隧道開挖成型的質量和施工進度。

5.1 炮孔的主要技術參數

5.1.1 隧道爆破炮孔深度

爆破設計的炮孔深度主要受爆破震動強度控制，炮孔深度的設計根據隧道施工進尺的安全要求、結合設計圖紙型鋼鋼架的間距(Ⅳ類圍巖I18型鋼全環鋼架1 m/榀，V類圍巖I20型鋼全環鋼架0.75 m/榀和0.6 m/榀)確定(表2)。

表2 楊柳埡隧道爆破炮孔深度表

5.1.2 炮孔直徑

該工程的炮孔孔徑為42 mm。

5.1.3 掏槽孔

楊柳埡隧道洞挖爆破采用楔形掏槽，掏槽孔布置在開挖斷面中部以下，以便于其上部的輔助孔獲得較好的爆破效果。

IV類圍巖掏槽孔的布置：孔距為50 cm，打孔時兩排掏槽孔向內打入，內插角為71o。上下兩排孔底間距為20 cm，其布置情況見圖2。

5.1.4 輔助孔

圖2 IV類圍巖掏槽孔布置圖

楊柳埡隧道洞挖爆破炮孔直徑d=42 mm，W=15～25d，該工程取W=80 cm，炮孔采用線形布置或環形布置且均勻布置，一般情況下，抵抗線為同排(或同環)炮孔間距的80%～100%，因此，最終將輔助孔間距取為100 cm。

5.1.5 周邊孔

根據經驗公式和工程類比法，軟巖爆破時其周邊孔間距宜控制在40 cm以內，中硬巖爆破時周邊孔間距不宜大于50 cm，間距E=8～12d；抵抗線W=1～1.5E。該工程取E=40 cm，W=60 cm。炮孔布置在距開挖斷面邊緣20 cm處，該隧道周邊孔間距取40 cm。

5.1.6 底板孔

底板孔應比隧道開挖斷面底板高20 cm，以利于鉆孔并防止灌水。為減少底板欠挖，該隧道底板孔孔距取40 cm。

5.2 隧道炮孔的布置

IV類圍巖洞挖爆破炮孔布置參數見表3，布置情況見圖3。

1.周邊孔；2.掏槽孔；3.輔助掏槽孔；4.輔助孔；5.底板孔圖3 隧道IV類圍巖炮孔布置圖

5.3 隧道爆破的藥量控制

表3 IV類圍巖洞挖爆破炮孔布置參數表

楊柳埡隧道的洞挖爆破采用2#乳化炸藥，單根藥卷一般長0.2 m，質量為0.2 kg。非電毫秒雷管(3、5、7、9段)選用7 m長導爆索；電雷管選用7 m腳線。塑料導爆索按一次安全距離為80 m計算。

炸藥單耗取決于斷面面積的大小、巖石性質、孔徑的大小、孔深等因素。根據楊柳埡隧道的巖石堅固系數，炸藥單耗按q=0.9 kg/m3控制。隧道爆破施工中，單孔與掏槽孔爆破最困難(爆破塊度較大，較分散)，裝藥量最多；底板孔爆破難易度次之，裝藥亦次之；周邊孔爆破容易，裝藥量最少；輔助孔裝藥量介于周邊孔和掏槽孔之間；各類型孔采用分配系數得出單孔裝藥量，施工過程中根據巖石情況進行適當的調整。

該工程采用藥卷直徑為32 mm的2#乳化炸藥，其規格為：單根藥卷長0.2 m，單根質量為0.2 kg。

Q=q×v

式中Q為每循環總裝藥量；q為平均單位炸藥消耗量，0.9 kg/m3;V為每循環爆破體積。

QIV=Q×V=Q×S×L=0.9×151.5×1.3

=177.255(kg)

QV=Q×V=Q×S×L=0.9×164×0.8

=118.08(kg)

每種炮孔的裝藥量如下：

(1)掏槽孔。

Q1=1.25×Q/N

式中N為每循環炮孔的數量(IV類圍巖248個， V類圍巖241個)。

Q1IV=1.25×177.255/248=0.9(kg)，取Q1IV=1 kg，5個藥卷。

Q1V=1.25×118.08/241=0.6(kg)，3個藥卷。

(2)輔助掏槽孔(取掏槽孔裝藥量)。

Q2IV=1 kg，5個藥卷。

Q2V=0.6 kg，3個藥卷。

(3)底板孔。

Q3=1.1×Q/N

Q3IV=1.1×177.225/248=0.8(kg)，4個藥卷。

Q3V=1.1×118.08/241=0.5(kg)，取Q4V=0.6 kg，3個藥卷。

(4)周邊孔。

Q4=0.8×Q/N

Q4IV=0.8×177.225/248=0.6(kg)，3個藥卷。

Q4V=0.8×118.08/241=0.4(kg)，2個藥卷。

(5)輔助孔。

Q5=(Q-Q1-Q2-Q3-Q4)/N5

式中N5為每循環輔助孔的數量。

Q5IV=79.8/113=0.7 kg，3.5個藥卷。

Q5V=61.68/122=0.5 kg，2.5個藥卷。

6 結 語

楊柳埡隧道IV類圍巖洞挖采用環形開挖預留核心土法，施工期間未發生塌方等爆破安全事故，施工安全可靠。由于施工過程中炮孔布置合理，裝藥量控制得當，洞挖爆破超挖小，洞壁平整，成型效果較好，爆破震動對周邊房屋的影響亦較小，所取得的經驗值得類似工程參考借鑒。