隧道快速開挖及監(jiān)控量測(cè)施工技術(shù)研究

楊劍鋒　文飛宇

【摘 要】甘肅省S216線平?jīng)鲋寥A亭公路蔡胡梁隧道采用進(jìn)出口端雙向相向掘進(jìn)，施工作業(yè)單洞掘進(jìn)1900m，采用重點(diǎn)工序優(yōu)先、鉆爆開挖、交叉組織的施工形式。輔助導(dǎo)坑施工，施工正常進(jìn)尺170m以上，施工中采用工序考核、方案比選、監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)等方式增進(jìn)施工進(jìn)度，為今后類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】鉆爆法；快速開挖；量測(cè)技術(shù)

在國家基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展的階段，鐵路、公路還有水利建設(shè)中，隧道設(shè)計(jì)越來越多，其施工中的快速開挖及監(jiān)控量測(cè)技術(shù)越來越顯得重要，為項(xiàng)目達(dá)到縮短工期、減少管理成本的目的，起了致關(guān)重要的作用。

1 工程概述

省道S216線平?jīng)鲋寥A亭公路工程試驗(yàn)段位于甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)。本項(xiàng)目是平?jīng)鍪幸?guī)劃的平?jīng)鲋寥A亭運(yùn)煤專線，連接平?jīng)鍪袇^(qū)與華亭縣。本項(xiàng)目主線采用雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速為60Km/h，整體式路基寬度20.0m、分離式路基寬度10.25m。

試驗(yàn)段路線起于K17+922（ZK17+935），以隧道穿越蔡胡梁至峽門鄉(xiāng)麻川村，后繼續(xù)向南布設(shè)至麻川溝（K24+690.4）。具體樁號(hào)K17+922～K24+690.4，路線總長(zhǎng)6.778km。蔡胡梁隧道采用分離式雙線隧道，左線長(zhǎng)3585米；右線長(zhǎng)3700米。隧道最大埋深240余米。隧道左線進(jìn)口平面線形為R=1100的圓曲線，縱坡為2.25%，隧道出口平面線形為直線，設(shè)計(jì)縱坡為-1.8%；隧道左線進(jìn)口平面線形為R=1100的圓曲線，縱坡為2.25%，隧道出口平面線形為直線，設(shè)計(jì)縱坡為-2.0%。蔡胡梁隧道屬于特長(zhǎng)隧道，是全線的控制性工程，作為試驗(yàn)段先期開工。

蔡胡梁隧道地處隴東黃土高原亞區(qū)和六盤山～關(guān)山亞區(qū)，穿過黃土梁峁地貌和基巖中山地貌兩大地貌單元，該隧道屬構(gòu)造剝蝕中山地貌單元，山高谷深，地形起伏較大，隧址區(qū)中線高程1731.001～1996.876m，相對(duì)高差265.875m。隧址區(qū)沖溝發(fā)育，溝谷一般為狹窄的“V”型谷，溝床縱坡較大，兩岸陡峻，高差大，植被發(fā)育。地下水類型按其賦存條件和含水層性質(zhì)可分為基巖裂隙水、松散巖類孔隙水兩大類型，隧址區(qū)局部上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積物（Q4el+dl）碎石、洪積物（Qpl）卵石，上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）黃土，分布不均勻，部分地段基巖出露，隧址出露地層巖性主要為新近系中新統(tǒng)咸水河組（N1x）礫巖，下白堊統(tǒng)六盤山群（K1）礫巖，寒武系（∈）灰?guī)r、白云巖、板巖，震旦系（Z）白云巖等。

2 主要開挖機(jī)械設(shè)備配置

結(jié)合項(xiàng)目隧道單頭掘進(jìn)距離較長(zhǎng)及上下導(dǎo)坑斷面較大的特點(diǎn)，選用自卸車運(yùn)輸及其配套的大型施工機(jī)械設(shè)備。項(xiàng)目配備了挖掘機(jī)、裝載機(jī)（可側(cè)翻）、自卸汽車、鉆孔臺(tái)車、水壓爆破設(shè)備等。

項(xiàng)目在鉆孔進(jìn)度中對(duì)鉆孔臺(tái)車和人工風(fēng)槍鉆孔進(jìn)行了比選。項(xiàng)目施工斷面上導(dǎo)坑為主要進(jìn)度控制施工面，每次鉆孔約150個(gè)，孔深3～3.5米，采用人工風(fēng)槍鉆孔，組織13個(gè)施工，12臺(tái)風(fēng)槍同時(shí)鉆孔，需鉆孔2小時(shí)；而使用鉆孔臺(tái)車（單臂），每孔成孔時(shí)間2.5分鐘，共需375分鐘，若要趕上人工速度，至少需3臂鉆孔，且設(shè)備成本太大。每個(gè)端配備一臺(tái)鉆孔臺(tái)車（單臂），配合人工對(duì)難施工的鎖腳和超前孔進(jìn)行施工，降低成本，又增加開挖速度。

3 施工方案的選擇

結(jié)合本工程的地質(zhì)地貌情況、設(shè)計(jì)巖性分析及工程工期要求，施工方案在前期策劃時(shí)，認(rèn)為采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，加之一些先進(jìn)的開挖爆破技術(shù)，采用上下導(dǎo)坑兩臺(tái)階法施工。在臺(tái)階法施工中，鉆爆施工技術(shù)對(duì)人工風(fēng)槍鉆孔和鉆孔臺(tái)車鉆孔的比選上，大家意見不一。該項(xiàng)目圍巖較差，采用全段面施工條件不成熟，上下導(dǎo)坑平等施工是最適合的開挖方式。

本隧道設(shè)計(jì)為單線雙洞隧道，隧道開挖斷面約80.4～129.8m2。Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法施工，Ⅳ、V級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法，V級(jí)圍巖段采用臺(tái)階開挖預(yù)留核心土法，采用裝載機(jī)裝渣，自卸運(yùn)輸方式出渣。

4 施工方法

4.1 掌子面快速開挖

4.1.1 開挖方法

掌子面掘進(jìn)以兩臺(tái)階開挖法組織施工，Ⅲ級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺控制在3m以內(nèi)為宜，Ⅳ、V級(jí)圍巖每循環(huán)進(jìn)尺控制在以1.8m以內(nèi)為宜，當(dāng)掌子面地質(zhì)較差且不穩(wěn)定時(shí)調(diào)整掘進(jìn)進(jìn)尺，以每循環(huán)0.8～1.2m為宜，必要時(shí)Ⅲ級(jí)圍巖調(diào)整為臺(tái)階法或采取超前加固措施后再按以上施工方法掘進(jìn)。根據(jù)掌子面斷面較大，開挖施工時(shí)采用移動(dòng)式作業(yè)臺(tái)架，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔臺(tái)車輔助鉆孔，光面爆破的施工方法。挖裝機(jī)裝入自卸車運(yùn)輸出渣。

為達(dá)到快速開挖要求，在施工工藝上采用人工風(fēng)槍鉆孔為主，輔以鉆孔臺(tái)車對(duì)垂直向、鎖腳錨桿等人工難施做的爆孔進(jìn)行鉆孔。鉆孔施工人員布置圖如下：

15臺(tái)風(fēng)槍同時(shí)施工，2～3人為一個(gè)工作小組，相互協(xié)作，一個(gè)循環(huán)的炮眼2.5小時(shí)完成。

4.1.2 爆破工藝選擇

在對(duì)爆破工藝的選擇上，項(xiàng)目原來采用傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，在觀摩甘肅省兩徽隧道施工爆破工藝后，決定采用水壓爆破技術(shù)。

水壓爆破是在傳統(tǒng)爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，在炮眼特定設(shè)計(jì)位置裝入專用水袋，使裝藥結(jié)構(gòu)改變，用專用設(shè)備加工的炮泥填塞炮口，利用炸藥爆炸時(shí)的能量，在水中傳播的爆破應(yīng)力波對(duì)水的不可壓縮性，使爆炸能量經(jīng)過水傳遞到周圍的圍巖中，有利于巖石破碎。同時(shí)，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)使巖石進(jìn)一步破碎，炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，很大程度降低粉塵。提高巖石爆破效率的同時(shí)，減少爆破煙塵的產(chǎn)生，降低環(huán)境污染的爆破技術(shù)。

與常規(guī)巖石爆破效果相比，水壓爆破具有明顯的“三提高一保護(hù)”作用：提高了炸藥能量的利用率，單位體積巖石耗藥量可節(jié)約15%-20%；提高了施工效率，每循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度可提高20cm-30cm；提高了經(jīng)濟(jì)效益，每延米可節(jié)約火工品材料費(fèi)用250元-400元；粉塵濃度大大降低（下降67%），有利于保護(hù)施工人員身體健康，減少爆破后等待時(shí)間。另外，水壓爆破還能提高巖石破碎度，縮短爆堆長(zhǎng)度，因而能縮短裝渣時(shí)間，加快出渣進(jìn)度。水壓爆破還能提高光爆質(zhì)量，隧道爆破輪廓面的半眼痕率能達(dá)到90%以上。

4.1.3 水壓爆破設(shè)計(jì)

水壓爆破設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的隧道光面爆破設(shè)計(jì)方案基本相同，只是在裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔堵塞上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1）爆破器材

根據(jù)施工中常用的爆破器材以及水壓爆破的特殊要求，選用直徑為32的防水乳化炸藥，并采用電雷管和導(dǎo)爆管雷管作為起爆器材。炮孔內(nèi)所用水袋及堵塞材料都由專用設(shè)備加工而成，長(zhǎng)度約為20cm。

2）光面爆破參數(shù)的確定

（1）孔距

根據(jù)自有設(shè)備，炮眼直徑為d=40mm，所以周邊孔間距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系數(shù)與光爆層厚度

光面爆破的不耦合系數(shù)λ=d0/d（d0為裝藥直徑）在0.8～1之間變化，λ變小，孔壁上的最大切向應(yīng)力減小，爆炸波作用時(shí)間延長(zhǎng)，有利于應(yīng)力疊加和應(yīng)力集中，產(chǎn)生拉伸裂隙，不宜產(chǎn)生粉碎。生產(chǎn)實(shí)踐表明，增大不耦合系數(shù)，采用空氣間隔裝藥，可以消除壓碎破壞，控制放射狀裂隙，提高炮孔的殘留率。根據(jù)最小抵抗線與炮孔間距的關(guān)系：光爆層厚度w=a/λ。

（3）周邊眼延米裝藥量

周邊眼裝藥量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系數(shù)，在通常情況下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）鉆爆設(shè)計(jì)示意圖，鉆爆設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示

圖3

1.掏槽眼；2、3.輔助眼；4.周邊眼

3）裝藥結(jié)構(gòu)

（1）周邊眼采用竹片間隔、不耦合裝藥，采用導(dǎo)爆管起爆，炸藥均勻分布裝入炮孔內(nèi)。為克服底部炮眼的阻力，將底部藥量稍微加大。在裝藥前先裝入長(zhǎng)約20cm的一節(jié)水袋，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，最后堵塞。（如圖4）。

圖4 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

（2）掏槽眼、輔助眼等采用連續(xù)耦合裝藥，雷管埋入孔底藥卷。在裝藥前先在炮眼孔底裝入長(zhǎng)約20cm的一節(jié)水袋，并在裝藥結(jié)束后再裝入2節(jié)水袋，最后堵塞。其結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5

4）開挖循環(huán)作業(yè)時(shí)間

（1）Ⅲ級(jí)圍巖每循環(huán)鉆孔3.5m，進(jìn)尺2.8～3.0m，循環(huán)作業(yè)時(shí)間

測(cè)量（施工準(zhǔn)備）15min+鉆孔l2Omin+裝藥爆破15min-通風(fēng)10min+初噴15min+出渣60min+復(fù)噴60min=295min（5h），月進(jìn)尺：336～360m。

（2）Ⅳ、V級(jí)圍巖每循環(huán)鉆孔2.0m，進(jìn)尺1.2～1.5m，作業(yè)時(shí)間

測(cè)量（施工準(zhǔn)備）15min+鉆孔120min+裝藥爆破15min+通風(fēng)10min+初噴15min+出渣60min+支護(hù)100min+復(fù)噴90min=425min（7.1h），月進(jìn)尺：101～127m。

4.2 勞動(dòng)力及主要開挖施工機(jī)具安排

每開挖作業(yè)班16人（工班長(zhǎng)1人、司鉆工12人、爆破工2人、普工2人），運(yùn)輸班3～6人，裝渣2人，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)12～15臺(tái)，拼裝式作業(yè)架1臺(tái)，挖裝機(jī)1臺(tái)，自卸車4～6臺(tái)（根據(jù)掌子面距棄渣場(chǎng)距離調(diào)整），初期支護(hù)配套施工設(shè)備1套。

5 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

5.1 量測(cè)的目的

5.1.1 掌握圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用量測(cè)結(jié)果修改設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工；

5.1.2 預(yù)見事故和險(xiǎn)情，及時(shí)采取措施，防患于未然；

5.1.3 為確定隧道安全提供可靠的信息；

5.1.4 量測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理與必要的計(jì)算和判斷后，進(jìn)行施工進(jìn)度安排。

5.2 量測(cè)的要求

快速埋設(shè)測(cè)點(diǎn)（量測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距掌子面2m范圍內(nèi)，開挖后24小時(shí)、下次爆破前測(cè)取第一次讀數(shù)。）；測(cè)量讀數(shù)在隧道內(nèi)要快；保證測(cè)量點(diǎn)不被破壞；讀數(shù)準(zhǔn)確可靠。

5.3 必測(cè)項(xiàng)目：圍巖地質(zhì)素描及支護(hù)狀態(tài)、地表沉降觀測(cè)、拱頂下沉量測(cè)、周邊收斂量測(cè)。測(cè)試儀器及設(shè)備：全站儀、斷面儀、精密水準(zhǔn)儀、塔尺、鋼圈尺（測(cè)地表沉降、拱頂下沉）；周邊收斂?jī)x（測(cè)周邊收斂）。

5.3.1 地質(zhì)素描、支護(hù)狀態(tài)觀察

包括對(duì)掌子面觀察和支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果觀察。掌子面工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況觀察包括巖石的名稱、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理、層理、斷層等結(jié)構(gòu)面的分布、產(chǎn)狀、走向。每茬炮后觀測(cè)一次。支護(hù)狀態(tài)觀察包括初期支護(hù)狀態(tài)和已成峒支護(hù)效果觀察。如噴射砼開裂部位、寬度長(zhǎng)度及深度。二次襯砌的整體性、防水效果等，每天觀察一次。

5.3.2 圍巖周邊位移量測(cè)

在準(zhǔn)備設(shè)點(diǎn)斷面，隧道開挖爆破出渣以后，沿周邊的拱頂、拱腰和邊墻部位分別埋設(shè)測(cè)樁。測(cè)樁埋設(shè)要求一般按深度30cm，鉆孔直徑？椎42，用快凝水泥或早強(qiáng)錨固劑固定。

周邊收斂量測(cè)是最基本量測(cè)項(xiàng)目之一，布置在主測(cè)斷面。如圖6。圖6 拱頂下沉和周邊收斂測(cè)線布置圖

我們用測(cè)線BC和DE邊測(cè)量值變化來量測(cè)凈空水平收斂。

5.3.3 拱頂下沉量測(cè)

拱頂下沉，主要用于確認(rèn)圍巖的穩(wěn)定性。測(cè)點(diǎn)布設(shè)在拱頂中心位置，與周邊量測(cè)點(diǎn)同時(shí)布設(shè)在主量測(cè)斷面。

拱頂下沉量測(cè)最常用的方法有三種：

1）用收斂計(jì)量測(cè)

該方法操作簡(jiǎn)單，投入較少，但用收斂計(jì)量測(cè)來獲取數(shù)據(jù)，后期的數(shù)據(jù)處理較多。

2）用水準(zhǔn)儀量測(cè)（差值法計(jì)算）

該方法用鋼尺和高精度的水準(zhǔn)儀配合測(cè)量。測(cè)量時(shí)把鋼尺掛在預(yù)埋的測(cè)點(diǎn)上，下掛1kg的垂球使鋼尺鉛直，用水準(zhǔn)儀讀取鋼尺上的讀數(shù)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

3）用全站儀量測(cè)

測(cè)量時(shí)在拱頂測(cè)點(diǎn)位置貼一個(gè)反光膜，用全站儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的標(biāo)高，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。但該方法的設(shè)備投入較大（主要為全站儀的投入，但現(xiàn)在是最常用施工量測(cè)方法）。

5.3.4 地表下沉量測(cè)

地表下沉量測(cè)，在淺埋隧道和隧道的洞口段通常每個(gè)隧道至少2個(gè)斷面，若出現(xiàn)不良地質(zhì)情況時(shí)，加設(shè)監(jiān)測(cè)斷面。地表下沉采用閉合測(cè)量法，當(dāng)閉合差超過3mm時(shí)，我們必須重新測(cè)。當(dāng)?shù)乇硐鲁亮繙y(cè)結(jié)果達(dá)2～4cm時(shí)我們要加強(qiáng)觀測(cè)，必要是給業(yè)主報(bào)告。

5.4 隧道選測(cè)項(xiàng)目量測(cè)

選擇項(xiàng)目是必測(cè)項(xiàng)目的拓展和補(bǔ)充。選測(cè)項(xiàng)目量測(cè)主要有：鋼筋計(jì)（測(cè)鋼支撐內(nèi)力、錨桿軸力）；壓力盒（測(cè)接觸壓力）；混凝土應(yīng)變計(jì)（測(cè)混凝土內(nèi)部應(yīng)力）；多點(diǎn)位移計(jì)（圍巖內(nèi)部位移）

5.5 組織機(jī)構(gòu)和組織管理

項(xiàng)目為加強(qiáng)量測(cè)技術(shù)的實(shí)施，成立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)小組，負(fù)責(zé)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)、量測(cè)數(shù)據(jù)、資料整理、出據(jù)報(bào)告。

6 結(jié)束語

隧道快速開挖技術(shù)是隧道施工進(jìn)度控制的主要工作，合理組織鉆孔工序、爆破作業(yè)、棄渣運(yùn)輸?shù)你暯訒r(shí)間，合理的資源配置是隧道施工開挖組織管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，資源配置時(shí)既要考慮滿足施工需要又不要造成資源的浪費(fèi)，達(dá)到充分發(fā)揮資源配置的效益最大化，避免資源使用時(shí)松時(shí)緊，施工組織著眼于均衡生產(chǎn)的原則。為改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，盡可能使用先進(jìn)科技機(jī)械設(shè)備，如隧道爆破成套設(shè)備、鉆孔臺(tái)車（雙臂以上）等，以減少空氣污染，縮短爆堆時(shí)間，減少鉆孔耗時(shí)。但投入較大，本項(xiàng)目配備以上開挖設(shè)備投入達(dá)1000多萬元。

【參考文獻(xiàn)】

[1]JTG F60-2009.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社.

[2]JTG/T F60-2009.公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].人民交通出版社.

[責(zé)任編輯：田吉捷]