楊霽洲

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

小凈距隧道的合理施工工法與控制圍巖振動的爆破參數分析
——以黃嶺隧道、管乙隧道為例

楊霽洲

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

隨著我國隧道建設技術的先進化，小間距隧道以其特有的接線方便等諸多優(yōu)點，在我國得到越來越廣泛的運用。本文主要分為三個部分，第一部分是對黃嶺隧道、管乙隧道小凈距隧道的簡要概述；第二部分主要是分析小凈距隧道的合理施工工法；第三部分主要是對小凈距隧道的控制圍巖振動的爆破參數分析。

小凈距隧道；合理施工；圍巖振動；爆破參數

縱觀我國地形可知，山地與丘陵在我國版土中所占比重超過70%。在山地和丘陵地區(qū)的交通基礎設施建設中，小凈距隧道更加符合行車的需要，達到克服高差、縮短里程、改善線性指標以及保護生態(tài)環(huán)境等方面的要求。故而在我國大力發(fā)展小凈距隧道，推進經濟的快速發(fā)展可行，可觀。

一、黃嶺隧道、管乙隧道情況分析

(一)黃嶺隧道、管乙隧道簡介

黃嶺一號隧道全長2 959m，黃嶺二號隧道全長2 963m，其中IV級、V級軟弱圍巖段均占全隧長的85%以上；管乙一號隧道全長2 749m，管乙二號隧道全長2 742m。其中IV級、V級軟弱圍巖段均占全隧長的75%左右；各隧道軟弱圍巖比例高，施工難度大。我國黃嶺隧道、管乙隧道公里數長，受到環(huán)境、氣候等的影響，施工難度大，在較短的時間內需完成的工程量大，屬于重點研究、規(guī)劃與控制性工程。

(二)黃嶺隧道、管乙隧道特征

1.已竣工的黃嶺隧道、管乙隧道隧區(qū)屬低山丘陵，沖溝與山脊相間分布地貌，地表沖溝發(fā)育，沖溝深切，局部地下水位淺，鉆孔揭示地下水涌出地面。2.各隧道軟弱圍巖比例高，施工難度大。IV級、V級軟弱圍巖段占全隧長的75%以上。 3.黃嶺隧道、管乙隧道因自身斷面大、穩(wěn)定性極差的特征，使得其在整個施工中各個環(huán)節(jié)的操作都有較強的難度，黃嶺隧道、管乙隧道的施工開挖斷面總面積達到146.05m2。4.并行兩隧道橫向間距小，隧道凈距為25.62m。施工過程對震動圍巖的穩(wěn)定性影響較大。

二、小凈距隧道的合理施工工法

因小間距分離式隧道在整個施工工序中受多種因素的干擾，而隧道在整個施工中的施工環(huán)節(jié)、施工工法與隧道受力情況之間關系緊密，二者相互作用，相互影響。應用動態(tài)施工過程力學原理和數值模擬的方法模擬隧道不同的開挖施工順序對圍巖穩(wěn)定性的影響，研究在不同開挖順序、支護參數時，圍巖的變形、應力狀態(tài)、塑性區(qū)分布以及巖柱可能出現的破壞模式，提出隧道合理的施工工法和圍巖支護參數，以達到減少相互干擾和最大限度的保持圍巖穩(wěn)定性的目的。

(一)現場監(jiān)測

隧道施工工程量大，施工中涉及到的內容信息量多，部分地區(qū)地質情況復雜，為確保隧道的長期安全運行，必須對隧道的圍巖和結構的變形、受力特征進行必要的監(jiān)測、分析工作，并修正原有的設計。例如，黃嶺隧道、管乙隧道斷面大，埋深淺，在檢測的過程中，就應選擇50m實驗段，布置5個監(jiān)測斷面。主要開展隧道周邊收斂位移監(jiān)測，頂拱下沉監(jiān)測，地表沉降變形現象嚴重，對圍巖展開位移監(jiān)測，壓力與內應力監(jiān)測，小凈距隧道動工前后的聲波監(jiān)測，小凈距隧道全面監(jiān)測會用到的儀器設備主要包括：應力技、電測錨桿、水平儀等。

收斂量測測線布置如圖1，共6根測線位移收斂值。多點位移計監(jiān)測布置如圖2，每個多點位移計長12米，布置5個測點。

圖1 隧洞收斂量測示意圖 圖2 多點位移計監(jiān)測布置

(二)做好隧道和結構位移監(jiān)測工作

1.隧道表面收斂量測

每個斷面布置5個測點，共測量6條測線的位移值，測點布置和測線見圖3。多點位移計監(jiān)測每個監(jiān)測斷面埋設6個美國基康公司產多點位移計，埋設方式如圖4， 共設計9個監(jiān)測斷面，分別布置在連拱部位的鋼筋混凝土置換部位、素混凝土置換部位以及巖柱部位。采用美國基康公司產專用讀數儀讀數。精確測量位移值等是為有效施工奠定基礎，并弄清楚圍巖本身的徑向位移與圍巖的松弛情況，以準確掌握錨桿參數的實際情況。

2.圍巖與混凝土之間用壓力盒進行壓力測量

壓力盒監(jiān)測僅布置在前9個斷面。壓力測試采用美國基康公司產專用讀數儀。

3.隧道頂拱下沉測量

隧道頂拱下沉測點布置如圖3中第1點，用水準儀進行監(jiān)測。

4.圍巖聲波監(jiān)測

在所選的9個斷面處進行一次隧道兩側、頂拱聲波速度監(jiān)測，采用武漢巖海公司產聲波測試傳感器和聲波儀進行監(jiān)測。聲波測試的示意圖見圖3。

圖3 聲波測試示意圖

5.襯砌結構應力和錨桿應力測試

在每個監(jiān)測斷面隧道襯砌結構內布置8個應力計，布置位置如圖1中2，3，4，5點，每根錨桿上布置4個應力計，每個斷面上監(jiān)測6根錨桿,錨桿應力測量布置9個斷面。

(三) 現場試驗

1.通過現場巖體力學試驗，研究八字嶺隧道層狀巖體的力學特性、層理面的抗剪強度以及裂隙的力學特性(斷裂韌性)，共布置6個鉆孔，應用鉆孔彈模計每孔開展20個試驗。

2.采取現場巖塊，開展抗剪強度試驗，共開展10組試樣的試驗。

3.研究裂隙面的斷裂韌性和抗剪強度特性，共開展20組試樣的試驗。

三、小凈距隧道的控制圍巖振動的爆破參數分析

(一)分析不同施工順序對隧道和襯砌結構穩(wěn)定性的影響

根據設計經驗和工程類比，針對幾種可行的施工順序用彈塑性斷裂損傷分析方法進行三維分析，至少考慮5種可能的開挖順序。研究不同開挖方案時，圍巖的破損以及襯砌結構的受力和變形特征，提出工程切實可行的開挖方案，并對較優(yōu)的施工工法再進行精細計算分析，并對其圍巖和襯砌進行穩(wěn)定狀況評價。擬對5種可能的開挖方案進行數值模擬。

(二)隧道圍巖與襯砌共同作用及圍巖支護參數及優(yōu)化分析

根據選定的施工工法，研究合理的加固方案，參照國內外在礦山、鐵路隧道小間距隧道的設計規(guī)范和工程經驗，應用三維非線性彈塑性斷裂損傷有限元等程序，分析、評估小間距隧道圍巖與襯砌結構之間的受力情況以及穩(wěn)定性，并詳細深入評估巖柱的厚度，與巖柱厚度對圍巖應力、支護受力的影響。

根據黃嶺隧道、管乙隧道的工程地質特征，建立4個三維計算的模型(四種不同的巖柱厚度)，開展36個三維計算(三種支護參數，巖體的力學參數考慮高、中、低三種情況)。

(三)圍巖爆破振動影響分析

研究隧道小間距隧道光面爆破的裝藥量及炮孔布置方法、起爆順序等對中間巖柱穩(wěn)定性的影響。在小間距隧道施工中采用數值模擬隧道分布開挖技術并結合圍巖振動情況與爆破情況以及圍巖爆破時的振速控制指標與速度歷時曲線，來制定出正確、科學的爆破順序，并計算出精確的裝藥量。

研究Ⅲ、Ⅳ類圍巖在不同巖柱寬度時(巖體的力學參數考慮高、中、低三種情況)，不同裝藥量(3種)及隧道開挖順序時的圍巖動力相應特征。

(四)隧道圍巖應力、位移監(jiān)測結果的反演分析

根據現場分階段的監(jiān)測結果(圍巖位移、應力、錨桿軸力等)，開展對監(jiān)測結果的數值反演分析，提出適合黃嶺隧道、管乙隧道工程地質條件的合理的圍巖力學參數，指導下一步的工程設計、施工。

四、小凈距隧道的發(fā)展前景分析

小凈距隧道無論從哪方面來講都更貼近新奧法修筑隧道的風格特點和要求，小凈距隧道因具有能加固圍巖的特性，能提高自身的力度承受情況。此外，小凈距隧道在施工中對工序與參數的要求都較高，故而該隧道在施工過程的安全性要求也較高，施工中還應依照根據參數與周圍環(huán)境的實際情況制定符合要求的施工方案。

我國屬于多山國家，城市與城市之間聯(lián)系緊密，小凈距隧道的受力強、更安全等受到建筑施工行業(yè)的歡迎。小凈距隧道在受力施工方面，一般都采用單側壁導坑的開坑模式，此種開坑模式就決定了施工方案的順序為從左洞先開挖；倘若需從右洞先開挖，則只需將左、右洞的動工順序對調即可。此時需注意以下幾點：首先，小隧道施工時的光面爆破與控制爆破均屬于Ⅲ類、Ⅱ類圍巖段小凈距隧道成功的直接條件；其次，施工過程中對拉拉錨桿的施作最講究的就是時效性。一般情況下，在先行洞開挖后需立即動工操作；最后：Ⅲ類、Ⅱ類類圍巖下，絕不允許左右洞均為毛洞的情況發(fā)生。

針對小凈距隧道，其優(yōu)勢主要表現在以下幾方面：

(一)針對小凈距隧道IV、V類隧道，隧道開挖過程中還需盡量不影響周圍圍巖。最好不要利用普通分離式雙洞隧道在施工中宜采用的全斷面開挖法，小凈距隧道在施工中的最佳開挖法還應根據自身特點采用超前導坑預留光爆層開挖方式，該開挖方法因其特有的光爆性，能減弱對圍巖的驚擾，作用強、效果好。

(二)小凈距隧道與分離式雙洞隧道相比，具有支護參數高，施工工法操作簡單、方便、安全的特性，成本低，市場前景相當可觀。

(三)影響小凈距隧道施工質量的好壞的直接因素為中央巖，中央巖越穩(wěn)定，施工最終質量越好。歷年來的竣工工程都表明，采用科學、安全、可行的措施來避免施工中對中央巖的擾動，能達到加固的效果，最終確保小凈距隧道更加穩(wěn)定，為人們出行提供更多安全保障。

小凈距隧道為人們旅游和出行提供了方便，對加強中心城市與周邊城市之間的聯(lián)系，縮短城市間的時空距離，推動區(qū)域經濟技術聯(lián)合與協(xié)作，促進經濟社會發(fā)展具有重要意義。故而在施工行業(yè)中的發(fā)展前景可觀。

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2014-11-20

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