隧道開挖工程分析及控制要點(diǎn)

摘要 隧道開挖工程是公路橋梁項(xiàng)目的重要組成部分。由于隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，在工程建設(shè)過程中有許多不可控制的因素，易導(dǎo)致施工安全問題。文章結(jié)合實(shí)際工程，分析了隧道開挖爆破的難點(diǎn)，論述了隧道開挖工程建設(shè)中的施工工藝及參數(shù)，并提出了相應(yīng)的質(zhì)量保證體系與施工安全保證措施，為類似隧道工程施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞 隧道開挖；隧道工程；控制要點(diǎn)

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0125-03

0 引言

在公路橋梁建設(shè)中，隧道開挖工程的施工難度明顯高于其他工程，原因主要是隧道工程施工、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，并且存在很強(qiáng)的不確定性和突發(fā)性。分析隧道開挖工程的工藝及控制要點(diǎn)，可以保證隧道施工工程的安全、效率及質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，該文以四川寧會隧道為例，在對其爆破難點(diǎn)分析、鉆爆設(shè)計(jì)及參數(shù)的指導(dǎo)下，為其他類似隧道開挖工程提供一定參考價值。

1 工程概況

寧會隧道為G4216線寧南至攀枝花段高速公路的控制性工程，該隧道為雙線越嶺隧道，洞軸線均為弧線形，設(shè)計(jì)左線進(jìn)口里程：Z2K303+198，設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高1 852.57 m，設(shè)計(jì)左線出口里程：Z2K313+495，設(shè)計(jì)洞底標(biāo)高1 966.90 m。隧道長度為10 297 m，隧道長度為10 251 m，坡度-1.85/7 054.00，-0.50/3 197.00。洞門形式均采用端墻式，設(shè)計(jì)時速為80 km/h。前期施工方案中V級、Ⅳ級圍巖采用三臺階預(yù)留核心土法，三臺階、上下臺階法開挖，經(jīng)開挖揭露圍巖完整性較預(yù)期偏好，在采取超前支護(hù)后，在圍巖條件許可時決定補(bǔ)充采用控制進(jìn)尺全斷面開挖法。

2 地層構(gòu)造

據(jù)地面調(diào)查及鉆探揭露，隧址區(qū)地層為兩大類，第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）、第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4c+dl）；巖層巖性為中生界侏羅系（下統(tǒng)）-三疊系（上統(tǒng)）白果灣群（T3-Jibg）石英砂巖、泥質(zhì)砂巖、頁巖、泥灰?guī)r，巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀5°∠33°；古生界志留系中統(tǒng)石門坎組（S2s）灰?guī)r，巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀10°∠20°；古生界奧陶系中統(tǒng)大箐組（02d）白云巖，巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀10°∠20°；古生界奧陶系中統(tǒng)巧家組（O2q）灰?guī)r夾頁巖，巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀10°∠20°；古生界奧陶系下統(tǒng)紅石崖組（Olh）砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖，巖層優(yōu)勢產(chǎn)狀10°∠20°。巖石強(qiáng)度等級見表1所示。

3 隧道開挖爆破難點(diǎn)分析

圍巖段全部為Ⅳ、Ⅴ級，巖性以白云巖、頁巖為主；相對高差990.45 m，在部分硬巖區(qū)有中巖爆現(xiàn)象出現(xiàn)。為確保圍巖的最大完整性和穩(wěn)定性，隧道開挖爆破過程中必須采取一系列措施，以盡可能減弱爆破對圍巖的破壞和擾動。這包括使用先進(jìn)的爆破技術(shù)，精確控制炸藥的使用量和位置，以及優(yōu)化爆破參數(shù)等。同時，可以采取預(yù)裂爆破、減震爆破等爆破方法，以減少爆破對圍巖的破壞和擾動。結(jié)合地質(zhì)勘探和監(jiān)測手段，對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和評估，確保隧道開挖過程中的安全。

寧會隧道進(jìn)口暫按微瓦斯隧道設(shè)計(jì)，Z2K303+198～

Z2K304+548、K303+202～K304+502段按微瓦斯工區(qū)施工，結(jié)構(gòu)方面按三級防護(hù)設(shè)防。該段落爆破炸藥、雷管受限，爆破要求更高。隧道穿越地層以大箐組白云巖、巧家組白云質(zhì)灰?guī)r為主，上部為三疊系砂巖、頁巖地層，分析認(rèn)為施工時做好防護(hù)措施，則大部分地段發(fā)生大的涌（突）水的可能性不大。地下水主要以線狀、小股狀、泉流狀產(chǎn)出為主，局部可能有淋漓狀涌流水產(chǎn)出。受水壓力作用，裝藥困難，爆破效果不易控制。

4 開挖施工工藝及參數(shù)

4.1 施工測量

為確保測量的準(zhǔn)確性和精度，選用GPS系統(tǒng)、瑞士徠卡TS09一秒精度全站儀以及RTK（實(shí)時動態(tài)差分）方法進(jìn)行綜合測量。通過洞外已精確測量的控制點(diǎn)，將測量基準(zhǔn)引入隧道內(nèi)部。洞內(nèi)采用雙導(dǎo)線布置，形成了閉合導(dǎo)線系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了測量精度和可靠性。為精確控制隧道中線，使用全站儀和精密水準(zhǔn)儀等高端測量儀器。在洞口導(dǎo)線點(diǎn)位的埋設(shè)方面，選用Φ22鋼筋。

洞內(nèi)測量涉及將洞外控制點(diǎn)精確地引入洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)，以確保施工過程中的中線、水準(zhǔn)以及施工斷面的準(zhǔn)確性。這一過程主要包括中線測量、水準(zhǔn)測量和施工斷面測量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為確保測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)每100 m進(jìn)行一次施工中線測量、水準(zhǔn)測量以及斷面施工測量，并在關(guān)鍵位置布設(shè)控制樁。這些控制樁為施工提供了重要的參考點(diǎn)。為確保中線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，應(yīng)定期對這些點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，以防止因施工活動或其他因素導(dǎo)致的移動。在洞內(nèi)導(dǎo)線的布置上，采用閉合導(dǎo)線環(huán)的設(shè)計(jì)。控制點(diǎn)設(shè)置在路面基層的左右兩側(cè)，每6點(diǎn)形成一個閉合環(huán)。這種單洞控制策略，在兩洞之間實(shí)現(xiàn)了人通、車通的可視化校核。

外業(yè)施測時水平角的觀測采用方向觀測法，并進(jìn)行12個測回的測量，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在觀測過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵守國家大地網(wǎng)一等導(dǎo)線的各項(xiàng)限差要求，這些要求可確保觀測過程的專業(yè)性和標(biāo)準(zhǔn)化。在導(dǎo)線折角的觀測環(huán)節(jié)，以半數(shù)測回分別觀測導(dǎo)線前進(jìn)方向的左角和右角。利用奇數(shù)測回的度盤位置精確測量左角，而偶數(shù)測回的度盤位置則用于測量右角。這種測量方式有助于消除潛在的系統(tǒng)誤差，提高觀測的精確性。觀測結(jié)束后，對左、右角的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值處理，進(jìn)一步減少隨機(jī)誤差。在此基礎(chǔ)上，采用專門的公式檢查左、右角之和與圓周角的閉合差，它直接反映了觀測結(jié)果與理論值的一致性，從而驗(yàn)證整個觀測過程的有效性和準(zhǔn)確性。具體計(jì)算方法見下公式：

Δ（圓周角閉合差）=（左角）中+（右角）中-360°

所有測站中Δmaxlt;±0.5″

測量過程中，盡量減小施工干擾，如禁止噴射混凝土、長時間保持通風(fēng)等。在施工中多次進(jìn)行儀器整平置的操作。為降低對中誤差的影響，采用雙照準(zhǔn)讀數(shù)法進(jìn)行觀測，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。兩次照準(zhǔn)之間的讀數(shù)限差應(yīng)嚴(yán)格控制在±0.5″以內(nèi)，確保測量精度符合要求。

4.2 洞身開挖

為保證隧道施工的安全與質(zhì)量，該工程遵循新奧法原理進(jìn)行施工組織。在施工過程中，采用光面爆破技術(shù)，以精確控制爆破效果，減少圍巖損傷。結(jié)合錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)，通過錨桿和噴射混凝土的共同作用，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。在隧道掘進(jìn)完成后，實(shí)施拱墻一次襯砌，以提高隧道的整體承載能力。此外，采用濕噴工藝進(jìn)行噴混凝土施工，確保混凝土與圍巖緊密結(jié)合，提高支護(hù)效果。隧道開挖方式有三臺階預(yù)留核心土法（Z5a、Z5t、軟巖V）、三臺階法（硬巖V、T5、T4）、上下臺階法（Ⅳ、C4）、全斷面法（R4、硬巖V、Ⅳ），其余襯砌類型可根據(jù)巖性和斷面選擇上述合適的開挖方法。

4.3 鉆爆設(shè)計(jì)

Ⅴ級軟弱圍巖地段主要為頁巖，遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、控下沉、早成環(huán)、勤測量、緊襯砌”等施工原則，以監(jiān)控量測為主要手段。在洞口淺埋段Z5a、Z5T級圍巖地段采用三臺階預(yù)留核心土法開挖施工，采用挖掘機(jī)配合人工開挖，如遇孤石時，采用機(jī)械破碎；洞身段Ⅴ級軟弱圍巖地段采用三臺階預(yù)留核心土法開挖施工，采用挖掘機(jī)配合人工開挖，必須爆破時，在征得監(jiān)理工程師批準(zhǔn)后采取微振控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制爆破規(guī)模，把對周邊圍巖的擾動減小到最低限度，不進(jìn)行具體的鉆爆設(shè)計(jì)。

（1）Ⅴ級硬巖圍巖開挖方法

以三臺階法開挖為例：

Z5c、Z5d級圍巖完整性較差，采用三臺階法開挖，人工手風(fēng)鉆打眼，利用非電毫秒雷管進(jìn)行光面爆破。藥卷掏槽眼、掘進(jìn)眼、輔助眼、底板眼、周邊眼均為φ32 mm。結(jié)合鋼架設(shè)計(jì)圖，上、中、下臺階高度分別為2.79 m、3.97 m、3.3 m；上臺階面積為21.26 m2，中臺階（半幅）為25.26 m2，下臺階（半幅）為18.7 m2。上臺階爆破參數(shù)匯總見表2所示。

炮眼孔距為1 m，排距為0.8 m，炸藥單耗取普通臺階爆破單耗q=0.40 kg/m3，炮孔平均線裝藥密度為0.3 kg/m。對于具體的裝藥計(jì)算，當(dāng)炮眼長度為2 m時，根據(jù)平均線裝藥密度，可以裝3條標(biāo)準(zhǔn)藥卷。這意味著每條藥卷的重量是炮孔平均線裝藥密度乘以炮眼長度（2 m）再除以藥卷數(shù)量。當(dāng)炮眼長度每增加0.5 m時，便可多裝一卷炸藥。爆破拋擲朝隧道上方向，最小抵抗線及最上部的炮孔距離臺階面的距離與排距的取值一致，均為0.8 m[1]。側(cè)壁與下臺階底板采用普通光面爆破，眼距為40 cm，炮孔平均線裝藥密度為0.18 kg/m，即單孔裝藥為0.4 kg。

（2）Ⅳ級圍巖開挖方法

以全斷面法為例：

Z4b、Z4c級圍巖完整性較好段經(jīng)超前支護(hù)加強(qiáng)、光面爆破改善爆破效果后，采用全斷面法開挖，采取三臂鑿巖臺車打鉆，利用導(dǎo)爆索進(jìn)行光面爆破。開挖采用短進(jìn)尺，每2 d三個循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)尺3.0 m，每月理論進(jìn)尺150 m。藥卷掏槽眼、掘進(jìn)眼、輔助眼、底板眼、周邊眼均為φ32 mm。爆破后，開挖采用兩次出渣，第一次先施工至路面處，待仰拱施工時再實(shí)施下部出渣。

經(jīng)選擇確定炮眼利用率為94%，鉆孔深度L=320 cm（掏槽眼除外）。掏槽根據(jù)開挖臺架選用6對，角度選用60°，孔底間距選用25 cm；掏槽深度較其他眼深20 cm，計(jì)算得到掏槽眼深393 cm，開口間距為417 cm。周邊眼間距選擇100 cm，抵抗線選80 cm。炸藥單耗根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)選取炸藥單耗q=0.7 kg/m3，即一次爆破炸藥量Q=219.2 kg[2]。掏槽眼長3.93 m，裝藥系數(shù)選0.55，則裝藥長度為2 161 mm，裝10.5卷藥，裝藥量Q單=2.1 kg。掏槽眼18個，則掏槽區(qū)總裝藥量為37.8 kg。

周邊眼共26個，聚能管長度為220 cm，單孔裝藥1 100 g，總計(jì)28.6 kg。底眼間距選80 cm，共15個，裝藥系數(shù)選0.55，則裝藥長度為1 760 mm，裝9卷藥，裝藥量Q單=1.8 kg，故底眼總裝藥量為27 kg。輔助眼長度為3.2 m，裝藥系數(shù)為0.45，可算出裝藥長度為1 440 mm，可裝7卷炸藥，則單孔裝藥量為1.4 kg，則輔助眼裝藥總量為125.8 kg[3]。

5 質(zhì)量保證與施工安全等措施

施工過程中，須執(zhí)行圖紙會審制度，確保設(shè)計(jì)者的意圖得到全面準(zhǔn)確的理解。要求對圖紙進(jìn)行審查，深入理解設(shè)計(jì)的核心理念和預(yù)期目標(biāo)。同時，對施工程序的了解是施工質(zhì)量的重要保證，須熟知每個作業(yè)段的具體步驟和工序之間的銜接關(guān)系，以確保施工的連續(xù)性和高效性。在施工放樣前，對施工設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)核，確保放樣準(zhǔn)確無誤。此外，三級自檢制度的嚴(yán)格執(zhí)行也是保障施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過建立質(zhì)量監(jiān)督檢查體系，并配備專職質(zhì)檢員，能夠確保施工過程中的每一個環(huán)節(jié)都符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而全面提高施工質(zhì)量。

6 結(jié)論

寧會隧道作為沿江高速全線最長隧道及控制性工程，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，分析隧道開挖工程施工過程中的難點(diǎn)、鉆爆設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等，有利于優(yōu)化開挖進(jìn)尺、爆破工藝、初期支護(hù)等同類型隧道開挖的工藝及技術(shù)。該文著重分析了鉆爆設(shè)計(jì)的方法與數(shù)據(jù)，以及洞身的開挖工序，以期為同類型隧道項(xiàng)目提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

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