石質圍巖隧道爆破開挖施工技術

朱佳俊

（中交一公局第三工程有限公司，北京 通州 101102）

0 引言

隨著社會經濟建設的發展，對基礎設施建設的投資不斷增加。隧道工程作為交通基礎設施領域的重要內容，其應用越來越廣泛。大量的鐵路隧道和公路隧道持續開發建設[1]。因為地形地質條件以及線路的平垂水平指標等各項因素的限制，公路隧道中暴露出越來越多的支護參數難以確定、初始支護選擇困難等問題[2]。在我國隧道施工中普遍采用新奧法施工理念，施工中多采用爆破開挖法。石質圍巖隧道本身穩定性并不好，爆破沖擊帶來的荷載聯通反復擾動使得圍巖的穩定性總體偏低，再加上一些巖體因為某些原因塑性形變，更加加快巷道的變形現象[3]。施工時，假設爆破或維護參數不恰當，很有可能會造成工程事故[4]。

1 石質圍巖隧道襯砌斷面分析

依照巖石的Drucker-Prager 準則和地下結構設計，估計圍巖承載力，使用有限元方法對石質圍巖隧道襯砌在圍巖中的斷面進行分析。考慮開挖方式和順序給圍巖穩定性帶來的干擾，模擬石質圍巖隧道襯砌斷面的開挖過程[5]。

（1）圍巖地質條件。石質圍巖隧道地形為侵蝕構造，位于海拔500～900m 的低山區。鉆探資料和工程地質結果結合區域地質情況顯示，隧道中的淺層侵入巖組由巖石和巖脈的形態產生。絕大多數的山體被殘留剩余的斜坡沉積物所掩埋，基巖卻大部分都裸露在外。溝底有厚度為2～8m 的覆蓋面。隧道東北入口及隧道兩側主要為粗粒花崗巖和細粒花崗巖，可觀察到的巖石風化程度較大，大部分山體被殘余坡積物覆蓋，厚度為0.29～1.15m。

（2）圍巖的分類情況。依照地質調查結果、鉆探資料、波速相關實驗結論證明等，對石質圍巖隧道的圍巖定性特征、基本質量和數量指標做分析研究，根據《公路隧道設計規范》中的有關規定將石質圍巖隧道按四級和五級來衡量考慮。

（3）水文地質特征。降雨量會很大程度上影響到滲水量的大小，處于雨季時水分充足，非雨季時沒有水分或水分稀少。雨季有大量地表水補給，雨季施工時很可能會有基巖裂隙滲水，但水量有限，對過程的影響不會很大。

（4）隧道入口段工程地質評價。由于強風化，大部分山體被殘余坡積物覆蓋，厚度為0.29～1.13m。邊坡穩定，樹木發育良好。在施工開挖、大面積降雨等情況下，容易發生剝落和塌陷。

結果表明，有限元模擬與監測數據分析相結合對隧道圍巖穩定性判斷有較好的效果。通過對城市地下工程爆破和開挖引起的地面振動的測量和分析，研究了地面顆粒的振動特性。國內專家學者對爆破振動對圍巖的影響范圍進行了分析，振動對圍巖影響及邊坡穩定性影響范圍主要通過振動速度結合應力分布來判斷，目前尚無完善、合理的爆破沖擊評價標準；對于邊坡穩定性的判斷還停留在靜態研究上，雖然有學者提出了地震作用下邊坡平均動力安全系數的概念，但其具體應用還有待研究。

2 隧道爆破開挖施工技術

2.1 不同類型隧道(圍巖)爆破情況分析

在對施工方案進行選擇時，主要影響施工的因素包括：隧道水文地質條件；施工機械設備；施工期間的供應；項目投資后的效益和經濟；施工安全；與污染有關的環境限制。國內施工主要使用新奧法施工加固措施。針對不同圍巖等級的隧道施工，選用恰當的開挖爆破方法，制定合理的開挖爆破措施，對防止隧道冒頂甚至塌方以及其他施工安全隱患起著關鍵性作用。在制訂方案時，應考慮地質施工斷面尺寸、隧道斷面受力（是否存在偏壓）、隧道周邊環境（居民、水電、燃氣管道等）、圍巖類型、邊坡結構、氣候等一系列條件。合理處理施工與結構形式、材料質量、經濟方案、工期具體要求、應急方案等之間的關系，主要采用方法如下：

（1）全斷面開挖法是指對工程斷面進行成形的開挖施工方法，這種方法的好處在于可以減少施工對隧道的擾動頻率，圍巖天然承重拱的形成也就會更加方便，在大型機械施工進行時速度更快，施工防水工藝操作簡單。這種方法的缺點在于圍巖必須有很強的穩定性，這就要求嚴格規定地質條件。

（2）分步臺階開挖法施工是將斷面分成幾個工作面分步開挖。分步臺階開挖法具有靈活性和適應性強的優點。對于軟弱圍巖和沉積層必須采用步進法，這是各種方法中最基本的方法。工作空間大，施工速度快，適用于局部地層無水的情況。對于巖層、破碎段，可采用吊網噴錨支護施工，防止巖崩。

（3）正臺階環開挖法又稱開挖核心法，一般將斷面分為三部分。依照斷面大小，環形拱交替開挖時可以被分為很多端面，該方法適用于一般土體或易坍塌的軟圍巖。根據初支變形或施工布置情況進行二次襯砌施工。其優點在于開挖方法快速，可以第一時間搭建初始支護，因此穩定性好，施工安全性好。

（4）單側壁導軌方法是利用側壁導軌的尺寸使臺階的支撐作用最大化。單側壁導流法的應用在于每個開挖步驟的寬度小于單面墻指導方法，最初支持承載力閉式很大，所以單面墻指導方法適用于軟松散圍巖大截面跨度和難以控制地表沉陷。

（5）雙側壁導坑法是利用中間支撐鋼拱架把隧道大致按照比例豎直分為三個部分，中間連接拱頂部分最后開挖，可以保證隧道拱頂位置受力均勻，隧道兩側先行開挖，中間部分分兩次開挖，在隧道開挖完兩側并完成支護后，開挖上方核心土，然后再開挖下部，中間開挖預留臺階進行開挖。適用于隧道Ⅴ級復雜圍巖的施工。

2.2 光面爆破及施工順序

為了保證圍巖在施工時的穩定和安全，隧道采用光面爆破法，隧道施工過程中施工步驟如下：首先，建立淺埋隧道模型；其次，施加重力荷載模擬初始應力場；接下來開挖模型上段巖體單元，激活上部支撐結構單元，開挖模型下的巖體單元，激活下段支撐結構單元；最后研究計算結果。

數值計算的過程中采用荷載釋放系數模擬施工時間效應和空間隧道開挖效應，將釋放荷載的形式虛擬化，使其可以反向加載隧道輪廓線。依照相關文獻和工程參考模擬隧道，取荷載釋放系數為0.15，即開挖后釋放荷載為25%，錨桿支護釋放10%的荷載，噴涂攪拌釋放50%的荷載。具體的模型如圖1 所示。

圖1 數值模擬模型圖

模型中考慮了邊界效應。將模型的兩側和下部分別取兩倍孔徑，上部取實際表面并進行合理簡化。模型的邊界是由滾子約束的，其中兩側水平約束，底部垂直約束，上部為自由曲面。在建模過程中，加強拱110°厚度0.45m 范圍內的圍巖性質，模擬小管超前注漿支護，并考慮噴射混凝土（20cm 厚）和錨桿支護。鋼格柵以剛度貢獻的形式轉化為噴射混凝土，圍巖采用摩爾庫侖模型。

2.3 爆破振動監測

保證在隧道開挖爆破孔段施工過程中的安全問題，施工質量就有了一定的要求，施工爆破也要在可控范圍之內，堅決要對爆破開挖時的隧道進入口處所引發的爆破震動進行信息化施工監測，以及分析爆破地震波的具體規律，嚴格計劃工程爆破參數的設計以及后續的一系列施工工作。爆破振動監測主要用于地面振動監測、臨近孔洞爆破振動監測、襯砌一次結構振動監測、襯砌二次結構振動監測。當隧道埋深較淺時，隧道爆破的影響會很大，波及地表建筑物，也會對地表造成一定的影響。

為探究隧道的穩定性，對爆破時隧道地表發生的振動實施了具體嚴謹的監測。當相鄰的兩個隧道一起施工作業時，在施工的一條隧道對另一個在施工的隧道會有影響，具體表現在結構穩定性的波動上。為了分析鄰近隧道爆破施工的影響，對爆破振動進行了監測。由于一次襯砌與隧道工作面距離較近，施工完成后襯砌強度未達到標準強度，爆破振動對一次襯砌和二次襯砌影響較大。隧道洞口深度較淺，一般深度為9m 左右，因此隧道爆破施工對地表影響較大，所以在隧道洞口淺埋段應監測隧道爆破施工的地表振動。爆破振動測試一般歸屬于振動測量的領域范圍之內，但爆破振動測試和一般的振動測試還有著不一樣的地方，它總體來說更為復雜，比一般的振動測試難以掌控一些。首先，爆破振動可以在短時間內釋放出更大的能量，這就要求測試系統在施工作業時要具備更加優質的動態響應性質。除此之外，爆破振動引起的非周期脈沖信號具有較寬的連續譜，所以測試系統應具有較寬的頻率響應。

現場監測的監測點要求每一個都有一個固定的位置，要存在于自己所應該處于的具體位置之上。根據測點位置變化和工作面位置的變化，分析研究出爆破地震波所檢測到的規律變化，為第一時間準備隧道開挖施工方案和改善爆破設計參數給予了更好的條件。監測后的觀測結果表明，光面爆破能顯著降低復雜環境下淺埋隧道的爆破振動效應。在開挖隧洞入口段的時候，一定要專門關注混凝土拱的結構兩端，其反射應力波的延展破壞效應需要被重視。與此同時，爆破振動對環拱與圍巖連接處的巖體及支護結構的影響也是必須重點關注的。

2.4 區別于傳統爆破方法的優勢

研究淺埋隧道的變形規律、支護效果以及圍巖在爆破壓力的作用下應力具體變化和地表測點的速度分布，結合施工現場監測數據和數值模擬結果，研究對比位移所需時程。巖質圍巖隧道爆破開挖施工技術不同于傳統爆破方法的優勢在于：從監測數據可以看出，被開挖的隧道斷面逐漸趨于穩定狀態，地表的振動速度檢測到的數據可以看出，隧道上方巖體因為爆炸隧道所受到的影響較大，振動速度超過3.5cm/s，有的測點甚至超過12cm/s，對圍巖產生較大擾動。由于隧道頂面高程基本相同，所以沿著隧道斷面方向的振動速度也是基本一致的。可以觀察到，自形成隧道區域的地表振動速度向未開挖區域延伸，沿隧道開挖方向振速逐漸減小。隧道開挖過程中，隧道斷面埋深尺寸、施工方法以及隧道的地形地質條件都與爆破振動的變化規律有著直接的關系。若想對隧道洞口圍巖的擾動減小，就要注意爆破的準確性。在掘進基本原理的基礎上，依據“弱爆破、短開挖、快速封堵、強支護、頻繁測量”的原則施工隧道體。隧道機械開挖可以防止開挖過程中的塌方，同時可以防止安全事故的發生，保證安全。

3 結束語

本文對巖石圍巖隧道爆破施工技術進行了探討和分析，根據監測數據研究出隧道在爆破荷載壓力作用下所受到的具體影響，依靠現場監測數據分析的基礎，提出了合理的圍巖隧道施工工藝，以保證周圍環境及施工的穩定和安全。整理現場所得到的數據，確保數據準確無誤，將錯誤的數據摒除，并對監測數據進行數理統計分析，使其能夠反映隧道的實際變形情況。然而，巖巷圍巖風化破壞嚴重，應力分布復雜，在施工擾動下易發生失穩。關于石質圍巖隧道爆破開挖施工技術的探索，還有許多方面需要進一步研究和改進。