榆社隧道淺埋段膨脹劑非爆破施工技術研究

摘? 要：榆社隧道淺埋段圍巖整體性差，極易發生坍塌危害，尤其是地表河溝常年明流水，施工難度大、危險性高。基于此，本文對開挖施工中可能存在的風險進行分析，并從安全性、環保性、經濟性角度出發，為保證開挖后洞身的穩定性，針對淺埋段，采用膨脹劑非爆破開挖與常規鉆爆相結合的三臺階開挖方式。實踐證明結合有效措施，能夠順利通過淺埋段的施工。

關鍵詞：榆社隧道;淺埋;管棚;膨脹劑非爆破;措施

中圖分類號：TU974? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2021）01-0000-00

0引言

隧道施工過程中，需要綜合考慮工程地址條件和工程重難點等問題制定一套符合現場行之有效的施工方案。本文以榆社隧道為例，施工前對淺埋段的工程地質、氣候水文、自然環境等不利因素，結合超前地質預報所獲得的資料，進行全面分析，視情況可在洞外采用地表注漿、漿砌片石等措施，洞內可以管棚與超前小導管相結合的超前固結注漿、格柵鋼拱架等一種或多種措施聯合支護，開挖視圍巖條件可以分臺階，DC法、CRD法等，或可以改良具體的一種開采挖方式。例如本文所述的用膨脹劑非爆破開挖和鉆爆法相結合的三臺階開挖方式，輔以有效的監控量測數據，動態銜接各施工工序，并嚴格執行各項安全技術措施，保障隧道施工安全、高效的通過淺埋段[1]。

1工程概況

榆社隧道位于山西省晉中市榆社縣境內，成南北走向，進口里程為DK70+700;出口里程為DK81+370;隧道全長10670m，淺埋段里程為DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，最淺埋深只有12m，位于DK80+015處，隧道上方發育一條沖溝，有明水流動。

隧道穿過地質層主要為新黃土、砂巖、泥巖，其中砂巖為較硬巖，而泥巖和泥質砂巖為軟巖～較軟巖。榆社隧道區位于太岳山隆起帶，經歷過新華夏構造和南北構造體的復合作用，所以構造比較復雜，構造類型和形式也多種多樣，大多構造特征均呈南北走向或北東走向。隧道通過該構造中的多處向、背斜和多條斷層，并且隧道區斷裂構造較發育，榆社隧道有發育斷層22條，分實測斷層9條，而物探推測斷層13條。淺埋段DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，位于斷層段分布，圍巖級別差，設計為Ⅴ級圍巖[2]。

2 施工關鍵技術

2.1 施工方案

由于此兩段巖層結構比較破碎松散、而且埋深淺，隧道在開挖施工擾動后很難形成自承體系，巖體失穩，易造成巖石松弛，因張力導致巖石破壞，如果施工工法和支護措施處理不妥，很容易造成坍塌甚至冒頂事件。結合類似淺埋段隧道施工經驗，嚴格按照“管超前、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的原則組織施工，結合設計圖紙和規范標準、要求，采用洞內、洞外措施相結合的方式保障隧道圍巖的整體性[3]。

2.1.1洞外

DK80+015～DK80+030、DK80+965～DK80+995段隧道上方發育一條河流沖溝，并且常年明水流動，為防止地表水下滲，隧道中線左右側各30m采用50cm厚M10漿砌片石，按沖溝排水坡度進行鋪砌并過渡順接以利排水。

DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道采用地表注漿固結圍巖。

2.1.2洞內

掌子面采取108mm大管棚與超前小導管相結合超前固結注漿支護，由于此段圍巖松散破碎，采取膨脹劑非爆破開挖和鉆爆法相結合三臺階加臨時仰拱法開挖，并且加設鎖角錨管保障支護的穩定[4]。

2.2 超前地質預報

對于隧道掌子面開挖，要求準確預報施工前方的工程地質和水文地質條件。施工前地質預報采用掌子面地質素描和地面地質調查，結合地震波反射法（TSP）進行預測預報。預報開挖作業面前方的地質情況、圍巖級別Ⅴ級，與設計相同。根據勘測設計成果和施工階段的超前地質預報觀測結果，此段為淺埋自穩性差的軟弱破碎地層、斷層破碎帶，以及大面積淋水，因此極有可能出現大量涌水危害，綜合分析，本段采取Φ108大管棚超前注漿固結止水支護，使隧道施工淺埋段的安全性得到保障，確保施工人員、機械設備的安全，使隧道開挖作業能順利開展[5]。

2.3 超前支護

2.3.1地表注漿

榆社隧道DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道上方發育一條河流沖溝，并且常年明水流動，為防止地表水下滲，在全段范圍內以3m間距，深入隧底梅花形布設地表注漿孔，孔口位置布置見圖1地表注漿孔位布置示意圖，水泥漿液水灰比1﹕1（重量比），注漿壓力：0.5～1.0MPa，壓注水泥漿液固結圍巖。

2.3.2管棚施作

（1）管棚施工。管棚管采用Φ108mm，管壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，長度為30m，布置在拱頂120°范圍內，環向布設間距40cm，距離隧道開挖輪廓線35cm，傾斜向外插角為3～5°。管棚管上梅花形鉆設注漿孔，孔半徑5mm，孔間距50cm，鋼管后尾部1m范圍內不設注漿孔作為止漿段。管棚管角度平行于線路縱坡，方向平行于線路中線。管棚管施作的誤差徑向數值20cm以內，隧道縱向同一段面內的接頭數量不大于總數的1/2，相鄰鋼管的接頭錯開布設，距離不小于2m[6]。

（2）注漿材料。此段為淺埋的軟弱破碎地層、斷層破碎帶，以及大面積富水，自穩性差，適量采用雙夜漿、化學注漿用料（馬麗散、高分子等）進行注漿堵水，注漿采用分段式注漿，注漿壓力為0.5～2MPa，注漿參數：水泥與水玻璃相結合的雙液漿，水玻璃濃度：35Be'：水泥漿與水玻璃體積比為1：1;緩凝劑摻量：水泥用量的2%;注漿終壓不小于2MPa;擴散半徑：1m;

2.3.3超前小導管施

本段采用雙層小導管超前支護方法，施作小導管型號采用φ42，壁為3.5mm厚的熱軋無縫鋼管，小導管前段做成尖錐狀，在末端焊設箍筋;沿環向布設間距33cm/根，線路方向每2榀鋼架施做一環，相鄰兩排的鋼管水平投影長度搭接不小于150cm;小導管外插傾斜角分別采用10°～15°交叉布設;水泥漿液水灰比1﹕1（重量比）或根據現場確定，注漿壓力：0.5～1.0MPa[7]。

2.4 開挖

2.4.1 三臺階法施工

Ⅴ級圍巖采取膨脹劑非爆破和鉆爆法相結合的三臺階加設臨時仰拱法開挖[8]。三臺階施工開挖示意圖2。

步驟一：（1）借用上一循環施作的鋼拱架為基點施作隧道超前支護。（2）膨脹劑非爆破開挖①部，嚴格執行每循環進尺0.6m，掌子面初噴5cm厚混凝土封閉。（3）分部施工①部上臺階巖面的初期支護，即初期噴護4cm厚混凝土，安設型鋼拱架。（4）鎖腳錨管，布設系統錨桿。⑸復噴砼至設計厚度。

步驟二：（1）在①部施作一定距離后，利用弱爆破左右幅前后交錯開挖②、③部。（2）噴護5cm厚砼封閉掌子面。（3）中下臺階外側部分初期噴護4cm厚砼，施作鋼架。（4）鎖腳鋼管施作，根據設計布設系統錨桿。（5）復噴砼至設計厚度。

步驟三：（1）開挖④部。（2）隧道底部仰拱部分進行初期噴護4cm厚混凝土，施作仰拱鋼架。（3）復噴砼至設計厚度。

步驟四：施作④部隧底仰拱及仰拱填充砼（隧底仰拱及仰拱填充砼應分次施作）。

步驟五：利用監控量測，收集監測數據并分析，確認初期支護收斂穩定后，利用可移動式襯砌模板臺車一次性澆筑上部襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

2.4.2 隧道爆破控制

（1）難點分析。隧道的施工工法普遍為鉆爆法，因為本段落為淺埋段，下穿常年流水河流，整個掘進過程必須保證上層河床圍巖不受破壞，防止河水下灌隧道內。因為作業面離河床距離很近，最小距離小于洞徑尺寸，因掌子面爆破所引發的不良反應極有可能對上層河床基巖造成影響，因此，爆破過程必須經過嚴密的數據計算與結果分析，制定切實可行的爆破方案。根據以往經驗，因爆破產生的震動是對隧道附近事物造成傷害的主要因素。施工過程中必須對爆破所產生的震動進行綜合分析，不斷優化調整爆破設計參數，確保把爆破振動的影響效果控制在合理的范圍內。本段采用三臺階開挖，上臺階采用膨脹劑非爆破開挖，中下臺階開挖采用常規的短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測原則[9]。

（2）上臺階膨脹劑非爆破開挖。淺埋段下穿河流，由于埋深淺，最小12m，為避免河床圍巖破壞，上臺階采用膨脹劑非爆破法開挖。經過現場試驗，制定膨脹劑非爆破開挖施工參數。具體開挖流程為：中線及開挖輪廓線測量放樣→根據上臺階開挖斷面情況確定掏槽及孔位布設方式→孔位測量放樣→引孔→施作孔眼→孔眼灌裝（膨脹劑）→膨脹劑反應→劈裂機劈裂（破碎機破碎）→機械開挖→出渣。

注意事項：由于上臺階沒有臨空面，為保證膨脹劑膨脹效果，必須人為制造臨空面，需用引孔機引孔來創造臨空面，掏槽眼設置直徑10cm，孔與孔之間以相切形式布設，形成一個類似于郵票洞一樣的直線，分析巖層軟硬特點，在上臺階巖石下部布設掏槽孔，掏槽以水平形式布置。

根據多次試驗，鉆孔孔徑選擇50mm，膨脹效果最佳，選擇高效的膨脹劑進行施工，在灌膨脹劑時，膨脹眼由周邊眼和輔助眼組成，輔助眼布設間距為30cm～40cm，本文周邊眼的布設間距為35cm，并傾斜向外5～10°，周邊眼比輔助眼深25cm左右，孔位布置圖詳見圖3上臺階膨脹孔布置示意圖。便于現場膨脹劑灌裝操作，把孔眼施作成傾斜向下的楔形膨脹孔?，F場根據臨空面的位置，有近及遠，分層破碎的原則，效果比較理想。

膨脹劑灌注程序：

1）準備：本工程采用HSCA無聲混凝土膨脹劑，所需材料膨脹劑、潔凈冷水、塑料拌和桶、木質桶竿、防護眼鏡、膠質手套、頭盔、防護面罩、封口器等。

2）攪拌：HSCA是一種粉狀材料，使用前須與潔凈冷水充分混合。膨脹劑規格為5Kg一包，每包配備1.5～1.7升水，先將潔凈水倒入攪拌容器中，再緩緩倒入5Kg膨脹劑，用木質桶竿攪拌成具有流動性的均勻漿體。

3）裝填：應從臨空面附近開始，由下往上，由內往外，逐排裝填，裝填之前，必須將鉆孔內清理干凈，保證孔內無雜物、積水，裝填傾斜向下的鉆孔時，將拌制好的膨脹劑快速裝入孔內，裝孔要求密實，孔口可以不需賭賽。裝填水平方向和傾斜向上的鉆孔時，把干稠的膠泥狀膨脹劑搓成條狀充填孔中，并搗實。攪拌后的膨脹劑必須在10分鐘內填塞完成，否則，流動性和破碎效果降低[10]。

水平方向和傾斜向上的鉆孔，也可把膨脹劑裝入用比鉆孔直徑略小的高強長纖維紙袋內，通過計算，確定一個操作循環所需要的破碎卷數量，放置空桶內，然后加入潔凈水完全浸泡，破碎卷充分濕潤30～50s左右、待破碎卷內氣泡完全排除時，把破碎卷從清過孔的孔底開始逐條裝入并捅緊，密實地裝填到孔口。即“統一浸泡，完全浸透，逐條裝填，分段搗實”。為保證水分和膨脹劑不流出，用黃泥封堵孔口五厘米。

4）裂開：巖石剛開裂后，為獲得更好劈裂效果，可向裂縫中加水，支持無聲膨脹劑持續反應。

裝填膨脹劑注意事項：

1）在拌制或填塞時作業人員必須戴橡膠手套和防護眼鏡。

2）裝填操作中，作業人員不可將面部直接近距離對著已裝膨脹劑的鉆孔。孔內膨脹劑裝填完成后，應及時打入封口器，遠離裝灌點。

3）作業現場準備好清水和毛巾，從開始灌漿到巖面裂紋發展前時間段，作業員必須正確佩戴防護眼鏡且不可直視炮孔，以防眼睛因噴漿而受傷害，漿體不慎碰到皮膚或濺入眼睛要立即用大量清水沖洗，現場簡單處理后立即到院就醫診治。

（3）中下臺階爆破控制。為避免中下臺階爆破振動影響洞頂圍巖，破壞河床基巖穩定，首先，充分利用分段延時爆破技術，從而最大限度的降低振動速度;其次，為了防止因爆破雷管延時誤差或者延時時間不足而造成地震波疊加，造成爆破振動反而增強，在對雷管段別選擇時，需要考慮加大炮孔之間的延時時長，選擇跳段布設雷管的方式，可以有效分離臨近相鄰的兩個振動主震，避免振動的相互疊加，進而為鄰排的爆破創造臨空面;最后，采取減小爆破進尺，縮短鉆孔深度，減小單孔裝藥量等方式，有效降低爆破所產生的強震動。

2.4.3 三臺階臨時仰拱法施工

開挖步驟：

步驟一：用鉆孔臺車施工上臺階超前小導管→小導管注漿→開挖→拱部錨桿及噴錨支護→底部設臨時支撐。

步驟二：中臺階拉開適當距離后，用錨桿鉆機施工兩側墻部超前小導管并注漿，同時中部豎向鉆孔→清砟→兩側墻開挖→接安鋼架→加臨時仰拱。

步驟三：開挖下部臺階→接安鋼架與仰拱鋼架形成封閉環→進行初期支護→安設隧底防水板→灌筑該段內仰拱→施做仰拱填充→鋪設拱墻防水板→臺車就位→澆筑拱墻混凝土。

步驟四：對全封閉防水段，先鋪設防水板→綁扎隧底鋼筋→澆筑仰拱→仰拱填充→鋪拱墻防水板→綁扎拱墻鋼筋→臺車就位→澆筑拱墻混凝土→養護。

2.5 圍巖監控量測

隧道淺埋段必須在掌子面開挖前布設地表沉降觀測點，提前采集原始數據，做好施工過程中監控量測，分析數據變化情況，反饋與洞內施工。地表布設的沉降觀測點與隧道內監控測點應在同一斷面里程。地表沉降觀測點縱向間距可按表1的要求布置。

（1）每次開挖后，專人負責對掌子面情況觀察工作;如果出現巖層條件惡化情況，必須采取對應處理措施;完成觀察應及時繪制掌子面的地質素描圖、并編寫掌子面地質性狀記錄表和施工階段圍巖級別判定標識。

（2）每天對已施工地段觀察一次;主要查看初期支護砼、錨桿、初支拱架和二次襯砌砼等的工作狀態。

3 結語

榆社隧道斷層淺埋段經過綜合分析，洞外采用地表注漿和河床表層鋪設漿砌片石相結合的方式，洞內采用頂部120°范圍內設108mm大管棚與超前小導管相結合超前注漿固結圍巖的措施，掌子面采用膨脹劑非爆破開挖上臺階與常規鉆爆中下臺階開挖相結合的三臺階臨時仰拱的施工工藝，該工藝很好的解決了淺埋段破碎圍巖施工時存在的冒頂、坍塌和突泥涌水風險。隧道施工從經濟性、安全性、環保性方面得到有力保障。在以后的隧道施工中，如遇到類似地質情況，結合本文取得的施工經驗，可采取更合理的施工方案，保障隧道施工的綜合效益。

參考文獻

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收稿日期：2020-12-05

作者簡介：梁建民（1982—），男，山東巨野人，本科，工程師，研究方向：隧道工程。

Study on Non-blasting Construction Technology of Expansive Agent in Shallow Section of Yushe Tunnel

LIANG? Jianmin

（China Railway Sixteenth Group No.1 Engineering Co.， Ltd.，Beijing? 101300）

Abstract：The shallow-buried section of the Yushe Tunnel has poor integrity of surrounding rocks and is extremely prone to collapse hazards， especially in surface rivers with perennial open water， which is difficult and dangerous for construction. Based on this， this article analyzes the possible risks in the excavation construction， and from the perspectives of safety， environmental protection， and economy， in order to ensure the stability of the tunnel body after excavation， the expansion agent is used for non-blasting in the shallow buried section. A three-step excavation method combining excavation and conventional drilling and blasting. Practice has proved that combined with effective measures， it can smoothly pass the construction of the shallow buried section.

Key words： The Yushe Tunnel; Shallow burial;Pipe shed; Expansion agent non-blasting;Measures