公路隧道原位擴建開挖面精度控制分析

寧立宙　藍健寧

摘要：為提高隧道原位擴建工程開挖面精度的控制程度，文章結合廷心隧道原位擴建工程項目實例，基于該項目所處的地質情況和改擴建工程的特殊性，采用弱爆破配合機械開挖的擴建方式，并根據不同圍巖情況提出針對性的爆破方案。

關鍵詞：公路隧道;原位擴建;超欠挖;精度控制

中圖分類號：U455.4

0 引言

公路交通建設一直是國家基礎建設的重中之重，而隨著公路建設的不斷推進，隧道工程的建設也越來越多。據統計，21世紀以來，我國公路隧道的年增長率高達20%[1]，并且呈現出逐年加快的趨勢。我國國土面積遼闊，地形地貌多樣，隧道工程的建設面臨著艱巨的挑戰，但也因此推動了隧道工程技術的發展。目前，我國隧道工程建設在難度、數量以及規模上已居世界前列，繼續推動工程建設的空間縮小。同時，早期建設的部分工程已不能滿足日益增長的交通需求，在這一背景下，公路隧道工程的改擴建逐漸變成一種趨勢[2-4]。

原位擴建屬于常規采用的隧道擴建形式，需要將原有的隧道結構拆除，同時加大隧道斷面面積，重新對其進行支護和襯砌。既有隧道在早期開挖過程中早已遭受多次擾動，原有的巖石結構已然遭到了破壞，只能通過人工支護進行平衡。而原位擴建不僅破壞了這個平衡，同時還需要加大隧道斷面，多次的應力擾動使得開挖過程難度增大，這對開挖面的精度控制提出了更高的要求。

目前，我國在隧道原位擴建施工方面的工程實例較少，技術應用不夠成熟。廣西區內更是由于復雜的地形條件、成本技術限制等，在在建高速公路隧道原位擴建工程方面并無先例。本文基于廷心隧道單側原位擴建工程，對隧道原位擴建開挖面精度控制進行分析，以期為隧道原位擴建方面的研究提供實例支撐。

1 工程概況

既有廷心隧道位于河池市大化瑤族自治縣羌圩鄉洪籌村，為分離式隧道。隧道總體走向正北，左線長507.5 m，右線長516 m，進出口路面設計高程分別為211.781 m、208.961 m，屬中隧道，是廣西首個原位擴建的高速公路隧道工程。

廷心隧道原設計為雙向四車道高速公路，現進行擴建至雙向六車道。原隧道建筑限界：凈寬為（0.75+0.75+2×3.75+1.0+1.0=11.00） m，行車道凈高為5.0 m。擴建后隧道建筑限界：凈寬為（0.75+0.75+3×3.75+1.0+0.75=14.5） m，行車道凈高為5.0 m。

1.1 地質條件

隧道區屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大。廷心隧道穿越相同山體，地面高程在210～339 m，相對高差約為129 m。隧道洞身埋深不深，最大為109.6 m。進出口段山體斜坡自然坡角約為40°～60°。隧道所穿越山體地層巖性主要為三疊系百逢組砂巖，隧道進出口段巖石較破碎，強風化，圍巖等級Ⅴ級。洞身段巖石較完整，中等風化，圍巖等級Ⅳ級，力學強度較高，抗風化能力強，工程地質穩定性較好。

1.2 水文條件

隧道區內無大的地表水體，主要為地表溪流，具有季節性，水流量受大氣降雨影響較大。地表水沿覆蓋層中的空隙或縱向裂縫垂直下滲，隧道開挖時洞室一般以淋雨或涌流狀出水為主，局部裂隙發育。

2 開挖方案選擇

在一般的隧道開挖設計中，圍巖的破碎程度、節理裂隙發育程度以及巖石強度都是開挖技術方案選擇中需要考慮的重要條件。而在改擴建工程中，還需考慮原工程拆除難度和拆除后圍巖的擾動情況。

本改擴建工程涉及的隧道是已建成通車的隧道，仰拱、二襯、初支等結構物內有大量型鋼拱架、鋼筋網、超前導管和混凝土，強度高、體積大。同時，二襯表面光滑，表面混凝土在內部鋼筋等的結合下較堅硬，僅僅使用破錘機破除速度十分緩慢，且破除過程中易發生碎石飛濺，容易造成人員受傷，破錘的鉆頭也會加速損傷，造成額外的更換成本。

依托工程隧道圍巖以Ⅳ級、Ⅴ級為主，巖性多為中風化砂質頁巖，巖質偏軟，結構面松散或發育，膠結面一般，自穩能力差，使用少量的炸藥即可對原隧道堅硬的二襯混凝土起到很好的碎裂效果，減少機械作業時間。

因此，項目采用弱爆破配合機械開挖的方法進行原結構物破除和開挖掘進工作。進洞方式為單洞雙向掘進，以減少對另一側洞口圍巖的擾動。弱爆破碎明洞混凝土后，破錘機可輕松地將爆破后開裂松散的襯砌混凝土進行破除，配合挖機和土方運輸車將廢棄物運出。

3 爆破技術控制

原位擴建隧道圍巖經多次擾動已產生應力松弛，圍巖整體變形比新建隧道大，同時擴挖側圍巖壓力較大[5]，不適宜的爆破手段更容易造成超欠挖。因此，爆破方法和技術參數的選擇尤為重要。

依托工程廷心隧道分為Ⅴ級、Ⅳ級圍巖，結合爆破安全規程[6]，針對不同圍巖等級采取不同的開挖方法：Ⅴ級采取單側壁導坑上下臺階開挖法;Ⅳ級圍巖采取上下臺階法掘進，其中上臺階分為兩個區域爆破。

3.1 爆破參數

3.1.1 炮孔設置

項目針對不同的開挖方式制定了不同的炮孔設置方案，各開挖方式炮眼布置如圖1所示。

3.1.2 炮孔參數

（1）炮眼直徑

采用氣腿式鑿巖機YT28鉆孔，使用40 mm鉆頭，d=40 mm。

（2）循環進尺

Ⅴ級圍巖上臺階設計循環進尺L=1.3 m，下臺階L=1.5 m。Ⅳ級圍巖段設計進尺為1.5 m。

（3）炮孔深度

根據炮孔利用率計算孔深。炮孔利用率為85%，則Ⅴ級圍巖孔深L=1.3/0.85=1.5 m，Ⅳ級圍巖段設計深度為L=1.5/0.85=1.8 m。

（4）掏槽形式

Ⅴ級圍巖與Ⅳ級圍巖上臺階部分采用掏槽爆破方式開挖（見圖2），掘進中掏槽效果的好壞直接影響隧道單側壁導洞開挖的正常進行，因周邊巖石的夾制作用大，所以炮孔不宜過深。

Ⅴ級圍巖采用楔形掏槽，掏槽孔間距設計為0.6 m，排距為1.0 m，開口寬度初步定為1.0 m，掏槽孔深度為1.6 m，裝藥系數為0.60。現場可按照作業面實際情況調整掏槽角度和長度，掏槽孔比正常裝藥量多10%～20%，周邊孔則減少10%。

Ⅳ級圍巖采用直眼掏槽，掏槽眼共5個，其中空眼1個，超深20 cm，掏槽眼比正常眼裝藥量多10%～20%，周邊孔則減少10%。

結合工程經驗，輔助眼和周邊孔深度基本一致，掏槽眼深度一般超深30～50 cm。施工時根據圍巖實際情況，針對性處理并調整相關設計參數，不斷完善爆破設計，力求達到最佳的爆破效果。

（5）輔助眼參數

輔助孔設計孔距為0.7～0.9 m，排距為0.6～0.8 m。由于本區段開挖形狀不規則，采取多鉆孔少裝藥的方法，確保爆破一次成型，按大致均勻、局部適當調整的原則布置。

（6）最大單響藥量

最大單響藥量根據實際情況確定，Ⅴ級圍巖上臺階控制≤5 kg，下臺階≤3.75 kg，Ⅳ級圍巖控制≤7.5 kg。

（7）每循環裝藥量

Ⅴ級圍巖采取單側壁導坑法開挖，以機械掘進方式為主，減弱松動爆破為輔，藥量初步計算過程如下：

Q=ηqLS（1）

式中：q——單位炸藥消耗量（kg）;

L——炮眼深度（m）;

S——開挖隧道面積（m2）;

η——炮孔利用率（%）。

經計算，Ⅴ級圍巖上臺階整個斷面爆破每循環理論用藥量為：Q=0.90×0.80×1.5×14.53=15.7 kg，下臺階為：Q=0.95×0.7×1.5×15.86=15.83 kg;Ⅳ級圍巖整個斷面爆破每循環理論用藥量為：Q=1.0×0.90×1.5×8.98=12.12 kg。

（8）炮眼數確定

炮眼數量計算：

式中：N——炮孔數量（個）;

f——巖石堅固性系數;

S——開挖隧道面積（m2）。

經計算，Ⅴ級圍巖上臺階N=37個，Ⅳ級圍巖上臺階N=29個。由于本開挖斷面形狀不規則，為便于控制截面形狀，采取多鉆孔、少裝藥的方式，實際取炮孔數會略少于理論值。

（9）裝藥結構和起爆順序

需要爆破的周邊眼、掏槽孔、輔助孔均采用不耦合連續裝藥結構，所有炮孔均堵塞≥30 cm的炮泥。其裝藥結構如圖2所示。

爆破的起爆順序為：掏槽眼→輔助眼→底板眼→周邊眼。采用多段微差起爆（由內向外），微差時間為30～50 ms。同一次爆破使用同類型、同廠家的雷管。

3.2 爆破安全驗算

3.2.1 爆破振動對圍巖及支護結構的安全距離驗算

爆破地震波安全距離采用薩道夫斯基判據公式（針對隧道圍巖）：

式中：R——爆破地震波允許的安全距離（m）;

Q——單段最大裝藥量，取8 kg;

V——爆破地震安全速度（cm/s），隧道爆破洞口或明洞段時，對高壓線塔等建筑物爆破安全振動速度V按≤2.5 cm/s 控制，保護對象主要是一般的磚混結構的建筑物，取V=2.0 cm/s;

K——介質性質系數，取200;

a——地震波衰減系數，取1.6。

由表1可知，臨近爆破點位置爆破振動速度的實際值遠遠大于標準允許值。因此，一般隧道爆破對圍巖及臨近爆破點的初支結構會造成一定的影響，在施工過程必須要加強對隧道圍巖及支護結構（特別是初支結構）的檢查并及時排除險情，方可進入下一步施工。

4 圍巖地質與測量放線

4.1 圍巖地質條件

圍巖地質條件是隧道開挖造成超欠挖的主要影響條件。這里所指的地質條件主要為圍巖中存在的裂隙、節理、斷層、軟弱夾層等使圍巖結構變得脆弱的現象。一旦開挖過程中觸及到這些地質現象，就難以讓巖石照著預定的輪廓線崩落，從而造成超欠挖的情況。

圍巖地質條件屬于非主觀條件，但也能采取一定的措施減小其對開挖精度的影響。首先就是做好圍巖的地質勘察工作，為爆破參數的修改提供依據。詳實的地質勘察資料，可以提供準確的受地質構造影響的脆弱面和脆弱部位的位置，從而讓鉆孔角度、鉆孔位置等參數得到及時的更改，減小超欠挖的程度。

4.2 測量放線方面

精準的測量放線是控制超欠挖的有效手段。但由于隧道內能見度差，導致測量控制精度的困難性增大，放線誤差大時，便會造成超欠挖的現象。因此，隧道的測量放線工作應該引起現場施工人員的更多注意。對于放線的標高和中線，一定要力保準確。這兩個參數的偏差，會造成較大程度的超欠挖。同時，要做到勤測量，通過多次反復的確認，保證工作的精準程度。

5 現場施工效果

本文施工經驗得以運用在廷心隧道原位擴建工程中。首先使用弱爆破進行既有隧道的襯砌拆除，在這一過程中注意爆破參數的選擇，根據現場情況精細調整，盡可能避免產生過大震動，隨后機械開挖至隧道輪廓線。根據現場情況，該工程在施工中超欠挖程度小，初支均勻，噴混凝土用量小，取得了良好的施工效果。

6 結語

本文依托廷心隧道的工程建設，對公路隧道原位擴建開挖面的精度控制開展了研究，將開挖面精度控制技術分為多個方面進行分析：首先是開挖技術方案的選擇，項目充分考慮了工程自身的地質情況，采取了有效的開挖方式;其次是爆破技術的控制，根據不同的圍巖情況設置不同的爆破方案和技術參數，同時根據現場情況靈活調整;最后在減少圍巖超欠挖和測量放線誤差上提供了意見，最大限度地保證了開挖面的精度，使工程得以順利進行。本文研究成果可為今后類似工程的建設施工提供參考。

參考文獻

[1]《中國公路學報》編輯部.中國隧道工程學術研究綜述·2015[J].中國公路學報，2015，28（5）：1-65.

[2]張俊儒，吳 潔，嚴叢文，等.中國四車道及以上超大斷面公路隧道修建技術的發展[J].中國公路學報，2020，33（1）：14-31.

[3]林立宏，朱愛山，康三月，等.樓山隧道原位擴挖方案比選研究[J].西部探礦工程，2020，32（10）：177-180.

[4]李永山，陳良兵，黃錦春，等.特大斷面隧道原位擴建的施工力學特性分析[J].路基工程，2018（2）：201-206.

[5]胡居義，黃倫海.原位擴建隧道圍巖變形及力學特性研究[J].公路交通技術，2011（6）：83-87.

[6]GB 6722-2014，爆破安全規程[S].

作者簡介：

寧立宙（1987—），工程師，主要從事公路工程路面與隧道施工技術管理工作;

藍健寧（1996—），碩士，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作。