無中隔墻連拱隧道后行洞開挖優(yōu)化控制技術(shù)*

劉志義，徐金峰，張 華，葉明果

1.云南楚姚高速公路建設(shè)指揮部，云南 昆明 650228

2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092

1 工程概況

1.1 背景

楚雄至大姚高速公路是《滇中城市經(jīng)濟(jì)圈高速公路網(wǎng)規(guī)劃》新建高速公路聯(lián)絡(luò)線的二段，即楚雄—牟定—姚安—大姚線，起于楚雄市，止于大姚縣，規(guī)劃里程78km。

楚姚高速陳家沖隧道設(shè)計布置形式為無中隔墻連拱隧道。陳家沖隧道起點(diǎn)里程K9+745，止點(diǎn)里程K10+170，全長425m，Ⅴ級圍巖共145m，隧道最大埋深約為54.22m。洞內(nèi)Ⅳ級圍巖設(shè)計斷面示意如圖1所示。

圖1 陳家沖連拱隧道橫斷面設(shè)計示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)高程在1912.46～1973.98m范圍，相對高差61.25m，隧道圍巖上覆以第四系殘坡積（Qel+dl）粉質(zhì)黏土及侏羅系上統(tǒng)妥甸組（J3t）泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖為主，如表1所示。

表1 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 開挖方式

隧道由單頭掘進(jìn)施工，洞口施工方法采用明挖方式；洞身施工Ⅴ級圍巖段，先行洞一幅采用三臺階法，上臺階弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖。后行洞一幅采用二臺階法，上臺階弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖。Ⅳ級圍巖，先行洞一幅采用二臺階法開挖。后進(jìn)洞一幅采用二臺階法，上臺階弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土開挖。隧道斷面寬11.49m、高7.1m。

1.4 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計施工分析

陳家沖隧道為無中隔墻式連拱隧道，左右幅壓力均集中于中間部位。因此，需要對隧道測中線頂部三角區(qū)及基底巖體的加固；嚴(yán)控隧道后行洞爆破對先行洞初支、二襯的振動；后行洞鋼拱架與先行洞初支準(zhǔn)確結(jié)合是結(jié)構(gòu)成型的關(guān)鍵步驟。

針對上述情況，在施工過程中著重把控隧道測中線頂部三角區(qū)域和拱腳底部的基地注漿措施，用以加強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力和基地承載力，減少隧道頂部巖體對隧道的壓力。隧道仰拱部位及時跟進(jìn)，做到早封閉，及時成環(huán)，以分擔(dān)局部集中荷載。

2 后行洞開挖施工

2.1 后行洞進(jìn)洞開挖難點(diǎn)

因?yàn)樗淼肋M(jìn)出口受自然箐溝影響存在淺埋偏壓情況，所以洞口淺埋段Ⅴ2級圍巖可采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖，結(jié)合鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土形成錨噴支護(hù)，Ⅳ級圍巖破碎帶采用臺階法開挖，支護(hù)采用可工字鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土等形成初期支護(hù)，仰拱超前施作及時閉合形成穩(wěn)固的初期支護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)隧道周圍圍巖的天然承載能力，有效控制圍巖變形，使開挖支護(hù)過程圍巖受力及局部失穩(wěn)和破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定和平衡的過程。經(jīng)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)施工，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和襯砌混凝土?xí)r間。

2.2 后行洞洞身開挖難點(diǎn)

為了將后行洞的開挖對先行洞襯砌乃至整個連拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響降至最低，在開挖前制訂爆破施工方案，再根據(jù)施工現(xiàn)場在先行洞襯砌的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋確定最終爆破施工方案。

爆破開挖施工方案一：后行洞洞身爆破采用微差控制爆破技術(shù)，掏槽采取楔形掏槽，每循環(huán)進(jìn)尺1m，周邊眼采用光面爆破，上臺階一次性爆破完畢。

爆破開挖施工方案二：后行洞洞身爆破時采用微差爆破技術(shù)，采取后行洞遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)先行起爆方式，使其產(chǎn)生凌空面以減少爆破產(chǎn)生的沖擊向先行洞方向的傳遞。同時，減少后行洞靠近中夾巖側(cè)的炸藥裝填量，因藥量不足產(chǎn)生的隧道欠挖部分采用機(jī)械開挖方式補(bǔ)足，每循環(huán)進(jìn)尺1m。

世界歷史不是歷史學(xué)中的概念，它不是對世界范圍內(nèi)的歷史事實(shí)進(jìn)行澄清和研究，而是建立在普遍聯(lián)系的基礎(chǔ)上，用理性的抽象的思維去把握世界歷史的本質(zhì)和價值，從而為其發(fā)展趨勢提供一種科學(xué)的研究方法。在前資本主義社會真正的世界歷史并未形成，這一概念只是存在于理論的抽象中，在資本主義興起確立并在世界范圍內(nèi)取得統(tǒng)治權(quán)后，世界歷史終于變成了經(jīng)驗(yàn)性的事實(shí)。因此，世界歷史是人類歷史不斷發(fā)展過程中的階段性產(chǎn)物，勞動作為它產(chǎn)生與發(fā)展的深層原因，為其奠定歷史的起點(diǎn)，推動歷史的轉(zhuǎn)變，預(yù)示歷史的未來。

爆破開挖施工方案三：后行洞洞身開挖采用微差爆破技術(shù)，在靠近先行洞一側(cè)預(yù)留部分區(qū)域不裝藥爆破，其余區(qū)域同方案一。對于預(yù)留非爆破開挖區(qū)域采用人工機(jī)械開挖方式補(bǔ)足，每循環(huán)進(jìn)尺1m。

同時，對于地質(zhì)條件較差的地段或區(qū)域以機(jī)械施工為主，局部用風(fēng)鎬破除，小范圍采用控制松動爆破法施工。根據(jù)圍巖類別及開挖部位不同，采用不同的炸藥單耗，對于軟巖采取松動爆破技術(shù)，炸藥單耗控制為0.35～1.8kg/m3，爆破施工中根據(jù)實(shí)施爆破效果進(jìn)行調(diào)整。

2.3 后行洞爆破振動監(jiān)測

在后行洞爆破時，采用ISV320型號的三軸振動智能傳感器固定安裝在先行洞二襯上，以獲取先行洞二襯質(zhì)點(diǎn)的振動速度、爆破振動持續(xù)時間、爆破地震波的主振頻率信號等數(shù)據(jù)。

儀器底端通過L型平面角鐵與側(cè)壁剛性連接，可以確保爆破振速監(jiān)測點(diǎn)真實(shí)、有效地反映出爆破施工產(chǎn)生的振動對周邊環(huán)境的影響。

ISV320測振儀工作原理如下：當(dāng)爆破振動信號傳來時，系統(tǒng)會自動記錄下整個動態(tài)波形，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲，測試人員在遠(yuǎn)離爆破現(xiàn)場處通過終端測控軟件，即可將數(shù)據(jù)文件傳回本地進(jìn)行操作分析，并實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)。

每次爆破后檢查爆破效果，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析原因及時修正爆破參數(shù)，強(qiáng)化爆破效果，優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。根據(jù)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性軟硬情況，修正眼距、用藥量，特別是周邊眼，周邊眼卸壓空孔在爆破前必須打好；根據(jù)爆破后石渣的塊度大小修正裝藥參數(shù)；根據(jù)開挖面凹凸情況修正鉆眼深度，使爆破眼底基本落在同一斷面上。

3 后行洞開挖實(shí)施過程

3.1 后行洞進(jìn)洞開挖施工過程

3.2 后行洞洞身開挖施工過程

后行洞洞身上臺階開挖施工工藝：施工準(zhǔn)備→超前地質(zhì)預(yù)報→爆破設(shè)計→上臺階測量放線→上臺階鉆眼→裝藥爆破→通風(fēng)→初噴后出渣→裝渣運(yùn)輸→斷面檢查、爆破效果分析→初期支護(hù)。其中，某次后行洞上臺階鉆爆炮孔設(shè)計斷面圖[1]如圖2所示，進(jìn)尺1m。

圖2 后行洞上臺階爆破施工炮孔布置圖（單位：m）

3.3 后行洞洞身開挖效果

將爆破施工前制訂的3種爆破開挖方案在現(xiàn)場實(shí)施后，對每次爆破開挖進(jìn)行振動監(jiān)測。根據(jù)每次爆破監(jiān)測的振動數(shù)據(jù)反饋綜合分析3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

對于爆破開挖施工方案一，經(jīng)過兩次現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，在先行洞襯砌由測振儀測得最大振速（PPV）分別為27.8cm/s和30.7cm/s，每次進(jìn)尺1m，裝藥量相同，為31kg。根據(jù)我國《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）[2]的規(guī)定，公路交通隧道爆破震動速度控制標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不超過15cm/s。由此可見，按照方案一的爆破設(shè)計施工對先行洞襯砌產(chǎn)生的振動峰值遠(yuǎn)超規(guī)范設(shè)計值。但是，采用該方案只需要爆破一次，工序簡單，操作簡便，進(jìn)度快，可操作性強(qiáng)。

對于爆破開挖施工方案二，同樣經(jīng)過兩次現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，在先行洞襯砌測得PPV分別為11.1cm/s和13.7cm/s，進(jìn)尺1m，裝藥量為27kg。按照方案二的開挖方式對先行洞襯砌產(chǎn)生的振動峰值在規(guī)范值以下，因?yàn)椴扇『笮卸催h(yuǎn)離中夾巖側(cè)先行起爆方式，產(chǎn)生的凌空面顯著減少，爆破產(chǎn)生的沖擊向先行洞方向傳遞。該方案工序繁多，實(shí)際操作過程中需要多次起爆，操作復(fù)雜，進(jìn)度慢，危險系數(shù)高。

對于爆破開挖施工方案三，同樣經(jīng)過兩次現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，每次預(yù)留了3m未爆破開挖，在爆破開挖后進(jìn)行了人工機(jī)械開挖。最終在先行洞襯砌測得PPV分別為16.7cm/s和20.8cm/s，進(jìn)尺1m，裝藥量為29kg。據(jù)此，按照方案三的開挖方式對先行洞襯砌產(chǎn)生的振動峰值在略超過規(guī)范值，而根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況反饋以及相關(guān)研究文獻(xiàn)[3]可知，PPV閾值略大于15cm/s在可接受范圍內(nèi)，并且在先行洞襯砌未發(fā)現(xiàn)有新裂縫產(chǎn)生。方案三相較于方案一多一道工序，需要人工機(jī)械破除靠近先行洞襯砌的部分區(qū)域。

綜合來看，方案一按照傳統(tǒng)單洞爆破方式進(jìn)行開挖，對先行洞造成了較大振動影響；方案二過于保守，工序繁多復(fù)雜，進(jìn)度緩慢，導(dǎo)致成本劇增；方案三相對較好，符合現(xiàn)場施工情況，相較于方案一，將對先行洞襯砌影響降低至可接受范圍，相較于方案二，施工工序簡單，成本較低，進(jìn)度也可接受。因此，后續(xù)后行洞開挖施工方案采取方案三。

4 后行洞開挖優(yōu)化控制

在采取方案三進(jìn)行后行洞開挖施工的基礎(chǔ)上，對無中隔墻連拱隧道后行洞開挖技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 傳統(tǒng)爆破開挖控制技術(shù)

沿用傳統(tǒng)隧道開挖爆破控制優(yōu)化方法，陳家沖隧道后行洞爆破開挖時通過減小掏槽藥量、減少單孔裝藥量、分段掏槽方法來降低對先行洞襯砌的振動影響。通過現(xiàn)場多次開挖爆破試驗(yàn)的振動反饋結(jié)果分析得出，上臺階開挖爆破的裝藥量當(dāng)開挖面是V級圍巖時不得超過31kg，當(dāng)開挖面是IV級圍巖時不得超過42kg。

4.2 預(yù)留非爆破開挖區(qū)域

結(jié)合陳家沖隧道施工現(xiàn)場實(shí)際情況，由于靠近先行洞一側(cè)的拱腰處，存在先行洞超挖時，用注漿填充了超挖部分，部分過多的注漿對后行洞造成了侵限問題；再加上距離先行洞襯砌很近的區(qū)域若用爆破開挖的方式，將對先行洞已有襯砌造成震裂的風(fēng)險。

因此，在后行洞爆破施工時，建議在距離先行洞最近界限至少預(yù)留部分區(qū)域不進(jìn)行裝藥，其中注漿侵限部分寬度約為1.5～3m，此部分區(qū)域也必須根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況確定，尤其是有注漿侵限部分不能進(jìn)行爆破開挖，陳家沖隧道施工現(xiàn)場采用人工機(jī)械結(jié)合的開挖方式，以確保先行洞襯砌安全。預(yù)留3m區(qū)域的示意圖如圖3所示。

圖3 后行洞非爆破開挖預(yù)留區(qū)域示意圖

4.3 先行洞減震措施

首先，在結(jié)構(gòu)層面，為了防止后行洞爆破時先行洞右側(cè)拱、墻部初支噴射混凝土開裂，并確保噴射混凝土施工質(zhì)量，提高其整體性，采取在先行洞初支噴射混凝土右側(cè)拱、墻內(nèi)側(cè)設(shè)置φ16鋼筋網(wǎng)，中間位置鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋網(wǎng)，上述兩層鋼筋網(wǎng)可結(jié)合定位筋進(jìn)行布設(shè)，將其與鋼拱架相連接。

其次，在材料層面，為了減小后行洞開挖對先行洞二襯的影響，在緊貼先行洞初期支護(hù)混凝土的表面布設(shè)EVA泡沫減震材料，布設(shè)范圍從先行洞靠近中夾巖側(cè)拱腰位置至墻角位置；φ6鋼筋網(wǎng)緊貼先行洞二襯外側(cè)環(huán)向主筋焊接布設(shè)。其中，EVA泡沫減震材料具有材料輕質(zhì)、富彈性、隔聲效果佳、防震性能好等特點(diǎn)，增設(shè)EVA材料能起到減震的作用，有利于保護(hù)先行洞剛性的二襯結(jié)構(gòu)。陳家沖隧道現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖4 陳家沖隧道先行洞減震布置圖

最后，在空間層面，施工過程中必須保證先行洞二襯與后行洞掌子面距離不得小于40m。

5 結(jié)束語

在陳家沖隧道后行洞開挖掘進(jìn)施工過程中，結(jié)合無中隔墻連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，利用先進(jìn)的振動監(jiān)測技術(shù)手段，因地制宜，在確保先行洞襯砌結(jié)構(gòu)安全的情況下對后行洞開挖進(jìn)行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)連拱隧道和以往無中隔墻連拱隧道的施工開挖相比，該工程取得了以下改進(jìn)技術(shù)成果：

（1）在陳家沖隧道取消了繁雜的CD法，減少了施工工序，縮短了預(yù)計施工工期，降低了施工成本；

（2）通過采用傳統(tǒng)爆破開挖控制技術(shù)，利用適合陳家沖隧道現(xiàn)場人工機(jī)械開挖結(jié)合的方式控制爆破振動影響，從結(jié)構(gòu)、材料、空間層面上提高了先行洞對振動的抵抗效應(yīng)等，降低了后行洞爆破開挖帶來的振動影響；

（3）通過降低每次爆破掏槽眼炸藥量等傳統(tǒng)減震方法以外，在無中隔墻連拱隧道后行洞開挖時，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐，需要在距離先行洞界限處預(yù)留1.5～3m的寬度，以防止先行洞襯砌被震裂。

無中隔墻連拱隧道后行洞開挖優(yōu)化控制技術(shù)在陳家沖隧道施工現(xiàn)場取得了良好效果，提高了工程質(zhì)量，保證了后行洞的安全順利掘進(jìn)，給各個單位帶來了顯著的工程效益。