板巖隧道施工超欠挖影響因素與控制技術(shù)方案

李鵬

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

隧道穿山而建，地質(zhì)水文條件錯(cuò)綜復(fù)雜，常常會(huì)面臨公路隧道在爆破施工中超欠挖現(xiàn)象所產(chǎn)生的工程問題。近些年，伴隨著西北以及西南山區(qū)修建高速公路以及隧道公里數(shù)的提升，三疊系板巖層隧道爆破所產(chǎn)生的拱頂落石、坍塌、平頂?shù)榷喾N安全事故的問題愈發(fā)突顯。

研究表明，三疊系板巖層是隧道工程作業(yè)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)構(gòu)造，板巖的工程特性對隧道超欠挖影響較大，主要表現(xiàn)在原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造，節(jié)理、裂隙的發(fā)育，遇水強(qiáng)度變化、彈性變化幾方面[1]。同時(shí)，隧道掘進(jìn)過程中，板巖的層理結(jié)構(gòu)明顯影響了光面爆破效果，常常造成大面積超欠挖。隧道在開挖過程中，如果開挖工作面的爆破沒有達(dá)到預(yù)期，輕則直接影響隧道工作面的爆破效果，使隧道圍巖穩(wěn)定性降低，相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)量、混凝土量、工程預(yù)算增加；重則造成隧道開挖出現(xiàn)平頂、落石、坍塌等現(xiàn)象，極度危害隧道的安全性能。

綜上所述，對板巖隧道施工超欠挖影響因素進(jìn)行總結(jié)，并改進(jìn)與完善三疊系板巖高速公路隧道施工超欠挖控制技術(shù)，是確保隧道施工有效運(yùn)轉(zhuǎn)、減少隧道危害發(fā)生、節(jié)省工程預(yù)算以及減少超欠挖危害的重要手段。

1 工程概況

甘肅省鳳縣（陜西）—合作縣（甘肅）高速公路項(xiàng)目工程，包括俄和代隧道（315 m）、多合灑斯?fàn)? 號隧道（660 m）、多合灑斯?fàn)? 號隧道（1 305 m）。其中俄和代隧道屬于短隧道，隧道進(jìn)出口主要為淺黃色全風(fēng)化板巖，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本破壞，地表以薄層的第四系松散層為主，隧道洞體以變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的青灰色強(qiáng)～中風(fēng)化板巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育。多合灑斯?fàn)? 號隧道屬于中隧道，隧道進(jìn)出口主要為淺黃色全風(fēng)化板巖，巖體已風(fēng)化成土狀，隧道洞身段原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育良好。多合灑斯?fàn)? 號隧道屬于長隧道，隧道洞體以為青灰色強(qiáng)～中風(fēng)化板巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育良好。綜上，各隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀不穩(wěn)定，破碎板巖地層爆破效果較差。

2 隧道施工超欠挖影響因素

在隧道開挖建設(shè)過程中，造成隧道施工超欠挖的原因有很多，包括圍巖性質(zhì)、節(jié)理出露位置與產(chǎn)狀、出水特征、掘進(jìn)參數(shù)、施工工藝、爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、鉆孔精度等多方面。總的來說，主要為環(huán)境因素、施工技術(shù)和人為因素3 個(gè)方面。

2.1 環(huán)境因素

隧址區(qū)圍巖性質(zhì)、巖體構(gòu)造產(chǎn)生不利圍巖應(yīng)力作用導(dǎo)致超欠挖。研究表明，巖體硬度越高，完整度越好，爆破過程中荷載對巖體介質(zhì)做的功就越均勻；但是如果巖體硬度超出上限，且相關(guān)人員未及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，就會(huì)造成隧道施工欠挖[2]。該高速公路項(xiàng)目工程圍巖主要為全～強(qiáng)風(fēng)化板巖，質(zhì)地較軟，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，不利于隧道穩(wěn)定，容易產(chǎn)生隧道超欠挖現(xiàn)象。

隧址區(qū)含水特征（出水特征）對隧道掘進(jìn)過程中超欠挖的影響[3]。圍巖在地下水的長期物理化學(xué)作用下，會(huì)產(chǎn)生軟化作用，導(dǎo)致圍巖力學(xué)性質(zhì)的變化，強(qiáng)度降低，甚至產(chǎn)生破壞性的后果。高速公路隧道工程的地下水類型以在水作用下板巖表現(xiàn)出明顯軟巖特性的基巖裂隙水為主，浸水時(shí)間越長，軟巖特性越明顯，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈明顯下降趨勢，從而易于產(chǎn)生隧道超欠挖，對圍巖巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生了不良影響。

板巖節(jié)理產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等對超欠挖的影響。在節(jié)理與裂隙不發(fā)育的隧道中，爆破參數(shù)準(zhǔn)確性高，爆破過程就易于控制，不容易產(chǎn)生超欠挖現(xiàn)象。該高速公路項(xiàng)目節(jié)理與裂隙較發(fā)育。研究表明，節(jié)理與裂隙在爆破過程中會(huì)導(dǎo)致爆破能量不均勻，產(chǎn)生氣體外散，由于節(jié)理面的存在，部分能量會(huì)被反射，從而變形，破壞板巖結(jié)構(gòu)[4]。所以在節(jié)理裂隙處發(fā)育的巖塊，在上述爆破作用下容易脫落，從而引起超挖破壞。

2.2 施工技術(shù)

施工條件、工期要求、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)進(jìn)尺等因素都會(huì)對隧道超欠挖產(chǎn)生影響。

光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)對超欠挖的影響。周邊炮孔的角度、炮孔間距、周邊孔間距、最小抵抗線及裝藥密度等設(shè)計(jì)參數(shù)變化對爆破效果有顯著影響，對超欠挖也有影響。相關(guān)研究表明，若炮孔孔徑過小，孔徑空間的巖石在光面爆破過程中會(huì)發(fā)生過度破碎，超出設(shè)計(jì)效果；若炮孔孔徑過大，爆破時(shí)強(qiáng)度不夠，部分巖石破碎程度不能達(dá)到設(shè)計(jì)效果，發(fā)生欠挖；若爆破時(shí)裝藥密度和裝藥量過大，或周邊炮孔的角度和炮孔間距不合理，就會(huì)造成圍巖的掉落，發(fā)生超挖[5]。

2.3 人為因素

鉆孔精度對超欠挖的影響[6]。因?yàn)樵诎鍘r隧道開挖過程中隧道的工作面不是一個(gè)規(guī)則平整的平面，部分鉆孔的位置不能按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)確描點(diǎn)；部分鉆孔位置的巖石破碎，只能在鉆孔位置旁進(jìn)行補(bǔ)孔；部分鉆孔因鉆孔角度偏差而發(fā)生偏差。這些因精度產(chǎn)生的問題都易使板巖隧道出現(xiàn)超欠挖。

人工測量放線對超欠挖的影響。由于隧道在開挖過程中受到正前方巖壁的阻礙，鉆孔時(shí)會(huì)向外側(cè)偏出一定的角度，在開挖前進(jìn)過程中就會(huì)積累角度偏差。鉆孔角度的偏差，會(huì)使鉆孔無法達(dá)到設(shè)計(jì)效果，造成超挖現(xiàn)象，并隨著鉆孔深度的增加而產(chǎn)生越發(fā)嚴(yán)重的超挖現(xiàn)象。

隧道施工管理體系對超欠挖的影響。隧道在掘進(jìn)過程中，需要建立一個(gè)較完善、規(guī)范的體系，對項(xiàng)目工程全過程實(shí)行科學(xué)、安全的管理。但目前大多數(shù)的現(xiàn)場管理未按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，也未對掘進(jìn)過程中存在的問題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，忽視了隧道超欠挖的影響。

3 板巖狀圍巖隧道施工超欠挖控制技術(shù)方案

3.1 光面爆破施工破巖作用數(shù)值優(yōu)化

3.1.1 單孔筒狀裝藥爆炸效應(yīng)傳播研究

單孔炮筒裝藥量的大小與圍巖性質(zhì)、炮孔間距、炮孔排距、炮孔直徑等因素都有很大的關(guān)系。掌握單孔柱狀裝藥爆破基本規(guī)律，以此為基礎(chǔ)對設(shè)計(jì)初始爆破參數(shù)及炮孔布置進(jìn)行驗(yàn)證分析及調(diào)整優(yōu)化研究。

根據(jù)每一次巖石體積，計(jì)算單循環(huán)裝藥量Q[7]：

式中：V為巖石體積的數(shù)值，單位m3；S為斷面面積的數(shù)值，單位m2；L為炮孔平均深度的數(shù)值，單位m；η為炮孔利用率的數(shù)值，按照設(shè)計(jì)取最優(yōu)利用率。

在爆破參數(shù)中，確定單孔炮筒裝藥量的大小對預(yù)防超欠挖控制有重要作用。根據(jù)不同斷面計(jì)算初步估計(jì)得到不同單循環(huán)裝藥量Q，將其與圍巖性質(zhì)、炮孔間距、炮孔排距、炮孔直徑進(jìn)行擬合，掌握爆破裝藥規(guī)律，以優(yōu)化光面爆破施工。

3.1.2 掏槽眼爆破參數(shù)研究

比較掏槽眼形式的特點(diǎn)和要求，按照實(shí)際情況選擇形式，然后結(jié)合課題工程初始爆破及炮孔布置參數(shù)建立掏槽眼爆破數(shù)值模型，根據(jù)爆破數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果選取最優(yōu)的掏槽眼爆破參數(shù)。

隧道爆破一般采用的掏槽形式主要為直眼和斜眼形式，為適用于三疊系板巖，通常采用斜眼掏槽。其布置通常位于斷面的中下方。

3.1.3 輔助眼參數(shù)研究

從理論上分析輔助眼爆破（輔助眼一般排列均勻，可采用線形排列，也可采用環(huán)形排列）的特點(diǎn)和要求，然后建立輔助眼光面爆破數(shù)值模型，研究總結(jié)輔助眼間距對爆破效果的影響，結(jié)合工程掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對輔助眼爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[8]。

3.1.4 光面爆破周邊眼爆破參數(shù)研究

根據(jù)有關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算比較，擇優(yōu)選用周邊眼炮眼直徑、炮眼間距、最小抵抗線、炮眼深淺、炮眼角度等；同時(shí)為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理，應(yīng)建立光面爆破數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)算。

計(jì)算周邊眼間距通用公式一般適用于完整巖石斷面，對于層狀板巖進(jìn)行修正后，可得到巖石強(qiáng)度與周邊眼關(guān)系表[9]。根據(jù)關(guān)系表建立相應(yīng)數(shù)值模型驗(yàn)證其合理性。巖石強(qiáng)度與周邊眼關(guān)系如表1 所示。

表1 巖石強(qiáng)度與周邊眼關(guān)系表

3.1.5 基于Ansys 技術(shù)建立數(shù)值模型分析

Ansys 作為世界上最著名的通用顯示非線性動(dòng)力分析程序，能模擬各種材料非線性問題，適合求解爆破沖擊下的分析。本文可利用該項(xiàng)目多個(gè)材料參數(shù)建立有限元模型。利用數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化炮孔間距、炮孔排距、炮孔直徑、周邊眼炮眼直徑、炮眼間距、最小抵抗線、炮眼深淺、炮眼角度等對超欠挖爆破有影響的參數(shù)。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)段超欠挖控制效果優(yōu)化

依據(jù)初始參數(shù)及數(shù)值驗(yàn)證調(diào)整后爆破參數(shù)及炮孔布置方案，選定試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場光面爆破試驗(yàn)，對爆炸后超欠挖效果進(jìn)行量測記錄，根據(jù)現(xiàn)場超欠挖數(shù)據(jù)反饋，對掘進(jìn)參數(shù)、爆破參數(shù)進(jìn)行二次優(yōu)化調(diào)整。一般現(xiàn)場施工控制超欠挖措施如下，具體措施依據(jù)工程地質(zhì)情況進(jìn)行適應(yīng)性改良：①提高裝藥質(zhì)量和爆破技術(shù)；②提高人工測量精度，減少角度偏差；③加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高鉆孔精度；④建立合格的施工管理制度，增強(qiáng)施工管理人員的安全意識和科學(xué)意識。

3.3 隧道超欠挖施工技術(shù)

通過上述已提及板巖隧道超欠挖的原因，結(jié)合依托工程地質(zhì)環(huán)境及設(shè)計(jì)總說明對可能影響超欠挖的因素提出改善措施。對設(shè)計(jì)提供爆破初始參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證其合理性，結(jié)合工程概況進(jìn)行一次調(diào)整優(yōu)化，選定試驗(yàn)段進(jìn)行超欠挖控制現(xiàn)場試驗(yàn)。

現(xiàn)場施工超欠挖效果反饋結(jié)合施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)信息、機(jī)械設(shè)備更新、施工工法優(yōu)化等進(jìn)行爆破參數(shù)及炮孔布置二次優(yōu)化、現(xiàn)場施工管理調(diào)整控制超欠挖方案。

3.4 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)隧道超欠挖檢測技術(shù)方案

目前在公路隧道常采用的超欠挖檢測裝置為全站儀、水準(zhǔn)儀等監(jiān)測儀器，檢測方式通常是隧道爆破后，人工進(jìn)入隧道布置監(jiān)測點(diǎn)，通過全站儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)儀器測量點(diǎn)位坐標(biāo)。但在隧道復(fù)雜環(huán)境下，全站儀、水準(zhǔn)儀所測數(shù)據(jù)太過龐大，采集每個(gè)斷面的坐標(biāo)花費(fèi)的時(shí)間較多，同時(shí)施工人員生命安全得不到保證。

為應(yīng)對以上情況[10]，現(xiàn)如今有學(xué)者已提出了基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)隧道超欠挖技術(shù)的分析與應(yīng)用。該技術(shù)利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道超欠挖檢測，從而將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用在實(shí)際隧道開挖工程中。具體方法為先利用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道開挖后斷面的快速數(shù)據(jù)采集，在對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、曲面重建之后，再將隧道實(shí)際開挖后斷面與隧道設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對比，計(jì)算分析得出隧道的超欠挖情況。

目前，三維激光掃描技術(shù)作為一種新興技術(shù)，大大提高了超欠挖監(jiān)測效率，克服了耗時(shí)、效率低、安全性差的缺點(diǎn)。根據(jù)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行施工調(diào)整后，可達(dá)到控制隧道超欠挖的目的。

4 結(jié)束語

板巖隧道施工是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的整體工程，一旦發(fā)生超欠挖，輕則直接影響隧道工作面的爆破效果，使隧道圍巖穩(wěn)定性降低，相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)量、混凝土量、工程預(yù)算增加；重則造成隧道開挖出現(xiàn)平頂、落石、坍塌等現(xiàn)象，極度危害隧道的安全性能。本文通過研究甘肅省鳳縣（陜西）—合作縣（甘肅）高速公路項(xiàng)目工程，現(xiàn)將有關(guān)情況總結(jié)如下：①造成板巖隧道超欠挖的原因有很多，在實(shí)際工程中要綜合圍巖性質(zhì)、含水特征、節(jié)理、施工技術(shù)、人為活動(dòng)等多個(gè)方面的因素進(jìn)行分析考慮；②為控制板巖隧道超欠挖的產(chǎn)生，現(xiàn)提出了改進(jìn)與完善三疊系板巖高速公路隧道施工超欠挖控制技術(shù)的方案，可采取光面爆破施工破巖作用數(shù)值優(yōu)化、現(xiàn)場試驗(yàn)段超欠挖控制效果優(yōu)化、隧道施工超欠挖控制技術(shù)整理總結(jié)等措施，減少超欠挖現(xiàn)象；③為時(shí)刻監(jiān)測隧道超欠挖的情況，可采用基于激光的超欠挖檢測技術(shù)。