高速公路隧道淺埋下穿建筑物變形控制研究

劉 宇，巫雅杰，杜憲武，楊玉平，李晨子

(中鐵北京工程局集團(天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

在隧道采用新奧法進行爆破開挖[1]之后，初期支護[2]、二次襯砌[3]的施工至關重要。王遠忠[4]以某工程為例,列舉了新奧法在隧道施工中的應用與可能產生的風險因素,并提出相應的改進措施,從而為類似的施工工藝提供借鑒。孫龍等[5]對其他隧道初期支護沉陷開裂過程及發生原因進行了系統分析,探討了使初支結構發生變化的原因和對應的處治措施。李先進等[6]研究了隧道拱部拼裝式二次襯砌施工方法及對應的施工臺車設計方案，提出了不同的模板臺車設計方案。因此，為了隧道施工安全，施工人員應嚴格按照規范要求施作，在符合標準的前提下，對爆破方案、初支以及二襯的施工工藝進行分析研究，從而確保隧道整體穩定性，提高工程效率。

1 工程概況

隧道設計為分離式隧道，全長4 019 m，最淺埋深56 m(居民區)，最大埋深346 m。左右兩洞門基本齊平，左洞身平面線形為直線，出口段平面線形為R-1 811.19圓曲線，右洞身平面線形為直線，出口段平面線形為R-1 800圓曲線。隧道洞口段左洞ZK65+703至ZK66+190與右洞K65+700至K66+181為一般小凈距隧道。左右洞分先后進洞，左洞為先行洞，與后行洞右洞掌子面錯開距離大于2倍隧道開挖寬度。

2 爆破施工工藝

2.1 施工技術要求

(1)在施工過程中，嚴格執行《爆破安全規程》(GB 6722—2014)標準及規范操作，確保周邊人員、工地施工人員的安全和設備設施的安全，并采取有效的措施，防止施工區附近建筑物和財產遭受損害。同時要保護周圍環境免受施工引起的過度污染，兼顧在建施工區及周圍群眾的生產和生活免受爆破的干擾，確保人身安全和財產安全。

(2)工程施工區處于城郊區附近地區，周邊涉及單位較多，現場應成立專門協調小組，爆破前與政府一道共同對周邊建構筑物設施等進行調查并取證，留取影像資料；同時爆破中應嚴格控制爆破作業時間，采取有效措施降低施工噪音、粉塵等有害效應，防止出現擾民現象等情況。

(3)為防止爆破施工過程中對周邊建筑物和設施造成危害，確保安全及周邊民眾穩定工作，根據現場實際情況及《爆破安全規程》相關規定，約請具有相應資格的評審單位及相關部門進行會審，對該設計區域采用控制爆破方式進行，以滿足施工安全和工期要求。

(4)在爆破施工過程中，實時進行爆破振動監測，嚴格控制振速，根據振動監測反饋數據，及時優化爆破參數指導施工。

2.2 洞口施工

隧道進、出口處為自然斜坡，隧道軸線與等高線近似正交，故采用接長明洞的削竹式洞門。

隧道洞口施工時必須保證洞口的穩定性。根據現場情況，首先確保防排水措施，在洞頂布置洞頂水溝，并根據地形地貌、匯水面積等，設置洞外截水溝，同時還應防止地表水流入施工場地范圍內，在此范圍內可進行地表預注漿加固，保證洞口的穩定性和整體性。

洞口還應及時進行明洞回填，首先清理施工范圍內的殘渣，如鋼筋頭、木屑等；接著采用吊機及人工的方法，將碎石土運至洞口上方進行回填，注意及時按設計要求進行防護。洞口的邊仰拱均采用植草皮、掛網植草、種灌木等生態防護形式，減少人工痕跡的影響。

2.3 洞身施工

(1)隧道洞身段主要為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，采用臺階法進行開挖，對于Ⅴ級圍巖還須分布超前強支護，采用機械配合人工的辦法進行掘進開挖，同時采用復合式襯砌，初期支護以噴、錨、網為主，二次襯砌為模筑混凝土。

(2)隧道施工的基本工藝流程為：布設施工測量控制網→測量放樣→打孔→裝藥→聯線→警戒→起爆→通風、排煙→找頂→安鋼架、初噴砼→監控量測→出碴→完成初期支護及輔助措施。

2.4 爆破方案設計

隧道爆破開挖前，必須根據開挖段圍巖的地質條件、開挖斷面、開挖方法、掘進循環進尺、爆破材料等因素編制詳細的鉆爆設計。鉆爆設計的主要內容包括炮眼布置、數目、深度和角度、裝藥量和裝藥結構、起爆方法和爆破順序等。

隧道爆破的效果主要在于爆破參數的采取，如鉆孔炮眼數量、裝藥量等。采用風鉆鉆孔、光面爆破，同時爆破人員應根據爆破設計圖表及說明嚴格施工，并根據爆破效果及時修正有關參數，以達到理想的爆破效果。

2.5 盲炮的處理

盲炮在爆破技術負責人的指導下，由有豐富經驗的爆破人員當場處理，盲炮地點應設立明顯標志，其周圍5 m范圍內嚴禁人員通行。

盲炮處理注意事項：由原裝藥人員當班處埋，如有特殊情況需換人處理，裝藥人員應在現場將裝藥情況、炮孔方向、裝藥數量交代給處埋人員；接著拉起警戒線，進行盲炮處理的工作準備；處理完之后應檢查驗收并解除警戒；最后進行原因分析及制定措施并記錄存檔。

盲炮處理的方法視具體情況決定，可采用下列幾種辦法。

(1)對盲炮孔內的爆破網路進行仔細檢查后，若起爆網路完好，可將引線重新接通再行起爆。

(2)距盲炮孔0.6 m鉆一平行炮眼進行誘爆，但需注意巖層節理情況，在鉆孔地點不得有連通盲炮之裂紋。

(3)能安全妥善地取出堵塞物時，可重新裝塞起爆藥包進行起爆。

2.6 超欠挖的控制

(1)采用合適的鉆孔機械方法，保證炮眼的質量，制定合適的裝藥量，減少人為因素對爆破質量的影響。

(2)提高鉆孔的精度，其中周邊眼的精度是直接影響超欠挖的主要因素，因此要認真測畫中線高程，準確畫出開挖輪廓線。

(3)隧道開挖采用光面爆破技術，嚴禁盲目放大炮，避免過分震動周邊圍巖，造成掉塊嚴重、變形、初支開裂甚至塌方等，繼而引起支護加強變更。初期支護須緊貼掌子面。嚴格控制超挖，禁止欠挖。超挖部分采用噴射混凝土回填密實，不留空洞，防止引起初支開裂變形。嚴格控制仰拱開挖深度和混凝土回填質量。

(4)施工中應加強監控量測工作，出現異常情況時，及時調整鉆爆參數，防止出現塌方等危險[7]。

3 爆破施工危險因素及預防措施

(1)鉆孔機械傷害：規范地使用機械器材，持證上崗；機械的連接處采用合適的螺栓固定，防止脫落；操作人員需穿勞保服，戴手套，防止機械的直接傷害。

(2)高處墜落的措施：加強人員安全教育，經常提醒施工人員注意防范；鉆孔作業時，保持鉆機的孔邊距大于設計規定距離，鉆機不能太靠近臺階邊側位置，不能冒險作業；檢查圍巖穩定情況，尤其是巖層的地質結構變化，是否有弱面或斷層形成三角滑落體的可能性；鉆孔應照明良好。

(3)早爆事故：嚴禁吸煙，禁止出現明火；炸藥和雷管分批次進入隧道，防止在運輸的過程中發生意外；無關人員禁止入場，消除靜電等的影響。

(4)爆破飛石事故措施：認真組織清場警戒工作，警戒人員布崗合理，并堅守崗位，嚴防無關人員和車輛進入爆破危險區；警戒時通過口哨傳遞信號，同時通過對講機報險，聯絡信號清楚明白；清場工作干凈徹底，人員未全部清理不放炮，移動設備不全部撤離不放炮，壞設備不便退出應與機主聯系，明確責任后再放炮；發生工傷事故后，應及時報告公司領導和有關部門，保護好現場，并進行搶救。

(5)盲炮事故措施：盲炮識別→警戒→盲炮處理工作準備→盲炮處理→檢查驗收→解除警戒→原因分析及制定措施→記錄存檔。

(6)火災事故：進行安全教育，提高施工人員的防火安全意識，加強對現場規章制度的學習，自覺遵守各種防火規則。同時在重要的地方配備滅火器，熟悉滅火器的使用，落實防火措施。

(7)中毒和窒息事故：在隧道內安裝監控有害氣體的監測裝置，有不良情況時及時報警，撤離人員；備好一般常用的救援工具，如擔架等，出現意外時，能夠及時救助。

(8)粉塵傷害事故措施：作業施工過程中，必須正確佩戴口罩，減少粉塵直接對人體的傷害；通風管道應及時開啟，置換隧道中的不良空氣，保持新鮮空氣的流通；盡量改善工法，采用濕式作業，降低粉塵的含量，加強揚塵控制，加強隧道內空氣檢測，創造良好的施工環境，確保施工人員的健康安全。

(9)預防其他傷害的措施：加強人員安全意識，定期組織人員安全教育培訓，每日施工前，進行班前講話教育，向作業人員講明施工風險。項目部管理人員每日巡查，發現危險作業行為及時制止，并對違規作業人員進行安全教育。

4 隧道初期支護、襯砌施工工藝

隧道的支護系統主要由圍巖與支護兩部分組成。開挖時，圍巖的平衡狀態遭到破壞，應及時施作支護，使其與圍巖共同達到一個新的平衡。因此，初期支護和襯砌的施工至關重要。

4.1 初期支護

對開挖后的圍巖進行及時封閉，防止圍巖暴露時間過長，控制圍巖的變形和松弛，充分發揮圍巖自身的承載能力，并和二襯共同形成結構承載荷載，在二襯施作前，初期支護是確保隧道施工安全的關鍵。

(1)錨桿[8]：作為初期支護的主要構件，在設計施工中是必不可少的，特別是在軟弱圍巖中，其對圍巖的加固作用十分明顯。錨桿的設置應沿隧道輪廓法線方向，錨桿施工時應根據錨桿設置及圍巖實際情況及時調整錨孔角度，采用合適的鉆桿和鉆進方法。

(2)噴射混凝土：能及時、有效地防止開挖面巖層的松散、離層和掉落，是有效保護圍巖、防止塌方的重要手段。噴混凝土與圍巖的黏附是發揮噴混凝土支護效果的保證，也是噴混凝土最主要的力學作用。噴射混凝土是以混凝土高速噴射到受噴面上，依靠高速噴射時集料的反復連續撞擊壓密混凝土硬化而成的支護方式，其噴射的混凝土能夠在幾分鐘內終凝，且強度增長快，并與錨桿、鋼筋網、鋼拱架聯合形成支護整體，抑制圍巖變形，達到圍巖快速穩定。

(3)鋼架：當圍巖軟弱、破碎嚴重且自穩性差時，隧道開挖后，需要及時提供足夠強的支護約束圍巖變形。在初期支護內設置鋼拱架將增大支護結構早期的剛度，阻止圍巖的過度變形并承受部分的松弛荷載。鋼拱架施工流程：超欠挖處理→初噴砼→測定鋼架位置→清除拱腳浮渣→鋪設鋼筋網、架立鋼架→安裝縱向鋼筋連接筋→錨桿固定、打鎖腳錨桿→復噴砼。當鋼架侵入限界需要更換時，應采取逐榀更換、先立新鋼架后拆除廢鋼架的方法，嚴禁先拆廢鋼架后立新鋼架或同時更換相鄰的多榀鋼架。

(4)鋼筋網：噴射混凝土之前，在巖面上掛設鋼筋網，然后再噴射混凝土。鋼筋網通常作環向和縱向布置，環向筋一般為受力筋，縱向筋一般為構造筋，網格尺寸一般為20 cm×20 cm。搭接長度應為1～2個網格間距(不小于24 cm)，搭接方式為焊接。使用前要除銹和擦去油跡和浮土，且鋼筋網在初噴混凝土后安裝，鋼筋網與錨桿連接牢固。Ⅴ級圍巖采用雙層鋼筋網，Ⅳ級圍巖采用單層鋼筋網。

4.2 二次襯砌

二次襯砌是主要承載結構，與初期支護共同承擔較大的后期圍巖變形壓力，應適時施作，原則上仰拱超前、墻拱整體襯砌。

(1)隧道邊墻及仰拱二次襯砌的澆筑應采用移動液壓模板臺車和泵送混凝土整體澆筑，以保證二次襯砌的密實，超挖部分采用同級混凝土回填。隧道進洞前，模板臺車應裝配到位，每模襯砌應連續澆筑，一次完成。

(2)二次襯砌施作時必須先澆筑仰拱，然后立模進行拱部混凝土澆筑。仰拱必須整體澆筑，不得分幅澆筑。

(3)二次襯砌澆筑時，應采取措施保證隧道拱部混凝土灌注密實，必要時應在拱部預留注漿孔，以便二次襯砌背后進行充填注漿。

(4)無仰拱地段二次襯砌應一次澆筑成形，盡量避免先澆筑矮邊墻再澆筑拱圈。有仰拱段二襯鋼筋應在邊墻與仰拱交界位置，按相關規范保證主筋接頭質量。

(5)二襯混凝土澆筑時，拱頂必須預留注漿孔，注漿孔間距應不大于3 m，且每模板臺車范圍內的預留孔不得少于4個。

4.3 施工常見安全隱患問題

(1)支護不及時，封閉不及時，仰拱、二襯滯后。

(2)不能按要求施打系統錨桿。

(3)鋼筋網片漏掛、網片之間搭接不到位、鋼筋網片與圍巖不密貼。

(4)拱架之間連接板螺栓連接數量不夠，連接板之間不平順或存在錯縫。

(5)噴射砼厚度不夠，拱架外露。

(6)由于超挖，在噴射砼時因噴射手的原因造成初期支護與圍巖之間存在空洞，噴錨不密實。

(7)仰拱開挖后未能及時進行初期支護，閉合成環。

(8)二襯厚度、強度不符合要求，背后有空洞。

5 結語

如今，隨著高速公路的發展，隧道工程的建設也相應增多，再加上人們安全意識的提高，特別是在隧道下穿密集居民區時，為了減少房屋的震動破壞，需要嚴格控制爆破，并及時進行初支和二襯的施作，這樣才能保證施工質量的穩定控制。施工可遵循“動態設計、信息化施工”原則。施工過程中須著重加強隧道超前地質預報和監控量測工作，腳踏實地，落到實處，杜絕流于形式，對隧道存在的不良地質，還應做好應急預案，確保施工和運營安全。