段杰(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司)

大跨度隧道全斷面開挖施工

段杰
(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司)

摘要:通過(guò)大瑤山隧道施工，詳細(xì)介紹了隧道里程長(zhǎng)、斷面大的施工方法。

關(guān)鍵詞:隧道;里程長(zhǎng);斷面大;施工

中圖分類號(hào):U445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

文章編號(hào):1008－3383(2015)07－0137－02

收稿日期:2014－11－03

作者簡(jiǎn)介:段杰(1980－)，男，山西陽(yáng)曲人，工程師。

1　工程概況

大瑤山隧道長(zhǎng)14.295 km，圍巖Ⅲ－Ⅳ類，開挖斷面80 ～120 m2，針對(duì)此隧道里程長(zhǎng)、斷面大、工期短，在施工中打破常規(guī)應(yīng)用十項(xiàng)科研關(guān)鍵技術(shù)成果，做出了許多新的嘗試和突破，發(fā)展、改變了近百年來(lái)修建隧道的傳統(tǒng)方法。全面應(yīng)用新奧法原理指導(dǎo)施工;成功地進(jìn)行了硬巖深孔爆破和軟巖全斷一次成型爆破;首次運(yùn)用了光電測(cè)距導(dǎo)線和光電三角高程控制測(cè)量新技術(shù)進(jìn)行隧道控制和豎井投點(diǎn);成功的進(jìn)行了27.6 km獨(dú)頭巷道的施工通風(fēng);第一次大規(guī)模的應(yīng)用帶塑料板的復(fù)合襯砌技術(shù)，發(fā)揮了圍巖的承載能力，創(chuàng)造了大的施工空間，解決了隧道漏水問題;全面采用大型機(jī)械化進(jìn)行全斷面施工，形成了破巖裝運(yùn)、支護(hù)、襯砌三條卓有成效的機(jī)械化作業(yè)線，創(chuàng)造了較高的施工速度，最高單口月成洞217雙線米，全隧道平均單口月成洞99.2雙線米，通過(guò)地質(zhì)惡劣的長(zhǎng)465m的F9斷層帶，單口月平均開挖19.75雙線米;施工中采用各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào);多種注漿加固圍巖及堵水;全面進(jìn)行施工監(jiān)控量測(cè)，信息反饋技術(shù)。從而，大大改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，為安全快速施工，提高工程質(zhì)量提供了技術(shù)保證。使該隧道施工技術(shù)成為我國(guó)隧道建設(shè)史上一個(gè)新舊方法的轉(zhuǎn)折，開創(chuàng)了隧道施工采用新方法、新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的成功模式，并制定了各種施工工藝操作細(xì)則及標(biāo)準(zhǔn)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2　施工方法

2.1全面應(yīng)用新奧法原理指導(dǎo)施工

(1)采用五米深孔光面爆破，解決了深孔掏槽、克服管道效應(yīng)、非電起爆、爆破振動(dòng)監(jiān)控量測(cè)、周邊預(yù)裂光爆等系列技術(shù)問題;通過(guò)優(yōu)選爆破器材和選擇合理爆破參數(shù)等，使炮眼利用率平均95%以上，炮眼痕跡保存率達(dá)70%左右。

(2)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法和信息反饋的判斷準(zhǔn)則技術(shù)用于施工，使一切施工管理、施工方法用數(shù)據(jù)說(shuō)話，保證了隧道施工的安全作業(yè)。

(3)初始應(yīng)力場(chǎng)及二次應(yīng)力場(chǎng)的量測(cè)技術(shù)，超前15 m聲波探測(cè)光譜顯微構(gòu)造分析，結(jié)合洞內(nèi)素描，赤平極射投影技術(shù)，進(jìn)行了準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)，其準(zhǔn)確率達(dá)80%左右。

(4)采用噴錨支護(hù)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，其外層用錨桿噴射混凝土初期支護(hù)，內(nèi)層模注混凝土作二次襯砌，兩層間設(shè)置塑料防水層。

(5)大型機(jī)械化快速配套施工，成功地建立了鑿巖裝碴運(yùn)輸、混凝土錨噴支護(hù)和二次襯砌三條機(jī)械化作業(yè)線，使單口開挖月進(jìn)尺最高達(dá)到203 m，平均月進(jìn)尺187 m，混凝土襯砌施工最高達(dá)300 m/月進(jìn)尺。

(6)隧道長(zhǎng)距離(2 763 m)獨(dú)頭無(wú)軌運(yùn)輸施工通風(fēng)的成功，可減少一條平行導(dǎo)坑的工程。

(7)通過(guò)F9斷層嚴(yán)重地層破碎帶，采用的周邊淺孔預(yù)注漿堵水、加固地層技術(shù)。

(8)控制精密測(cè)量技術(shù)，使14.295 km隧道貫通誤差精度橫向17.3 mm(限制±400 mm)，僅為限差的4.4%，高程誤差4.6 mm(限差±50 mm)，僅為限差的9.2%。

(9)隧道做到安全施工，死亡率為0.57人/km。

3　施工要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

3.1深孔掏槽技術(shù)

(1)隧道掘進(jìn)深孔爆破主要取決于大直徑深孔掏槽是否成功，本工法采用直眼掏槽，掏槽面積1 100 mm×1 100 mm，掏槽形式有以下幾種。

①單臨空孔掏槽，適用于3.0 m以下淺孔爆破。

②雙臨空孔掏槽，適用于3.0～3.5 m爆破效果最佳。

③三臨空孔掏槽，適用于3.5～5.15 m爆破中應(yīng)用。

(2)當(dāng)臨空孔直徑為102 mm，孔間距在70～150 mm掏槽拋擲效果最好，臨空孔與裝藥炮眼間距150～180 mm(裂隙發(fā)育時(shí)采用250～300 mm)。

(3)裝藥參數(shù):使用大藥卷Ф= 42 mm一號(hào)抗水硝銨炸藥或Ф=40 mm乳膠炸藥集中裝藥，掏槽效果良好。

(4)掏槽炮眼起爆的合理間隔時(shí)間:在深孔爆破中，掏槽孔起爆間隔50～75 mm，采用段數(shù)越多越好，讓每一炮段都單獨(dú)順序起爆，槽腔逐漸擴(kuò)大，一掏到底。

(5)掏槽位置:一般設(shè)在隧道中心線偏左或偏右位置。如設(shè)在中心線上最理想，但當(dāng)鉆孔臺(tái)車在隧道中間鉆孔時(shí)，其左右兩臂工作的界限位置在隧道中心線上，掏槽在隧道橫斷面中間，就需要兩臂共同完成掏槽鉆孔，操作困難，布眼不易準(zhǔn)確。

3.2全斷面深孔預(yù)裂爆破

(1)Ⅳ～Ⅵ類圍巖5 m預(yù)裂爆破中，采用三臨空孔直眼掏槽，臨空直徑ψ102 mm。

(2)周邊眼間距E =45～50 cm，相對(duì)距離E/W取0.6－0.7(W為周邊最小抵抗線長(zhǎng)度)，裝藥結(jié)構(gòu)用Ф35 mm，長(zhǎng)165 mm藥卷，裝藥集中度為0.3～0.35 kg/m，不偶合間隔裝藥，不偶合系數(shù)1.37，為克服管道效應(yīng)可用高爆速(5 000～6 000 m/s)炸藥，并在各卷炸藥間串聯(lián)傳爆線，讓藥卷架空于鉆孔中間。另外適當(dāng)采用底集中裝藥2～4卷，每隔3～5個(gè)炮眼布置一個(gè)崩落眼集中裝藥。周邊眼起爆時(shí)間采用即發(fā)雷管或段毫秒雷管首先起爆與段掏槽起爆相配合。

3.3全斷面深孔光面爆破

(1)掏槽眼:采用三臨空孔直眼掏槽，直徑為Ф102 mm。

(2)周邊眼:周邊眼間距50～65 mm，一般按相對(duì)距離E/W =0.8，用Ф35 mm小藥卷間隔裝藥，裝藥集中度為0.20 ～0.25 kg/m。

(3)起爆順序:由里向外層層爆破，掏槽眼起爆雷管段，擴(kuò)槽眼為輔助段，周邊眼為最后起爆段。

3.4全斷面深孔鉆爆作業(yè)

(1)鉆孔前，測(cè)量中線水平，將拱頂兩側(cè)起拱線及軌面

線位置控制準(zhǔn)確，將設(shè)計(jì)炮孔布置在開挖面上。

(2)鉆孔:鉆孔臺(tái)車軸線與隧道中線平等，要求精確就位，按設(shè)計(jì)畫定的位置和炮眼順序進(jìn)行鉆孔，避免漏鉆和臺(tái)車臂互相干擾，鉆孔深度5.15 mm，直徑Ф48 mm，掏槽臨空孔三個(gè)Ф102 mm(由Ф48 mm擴(kuò)大為Ф102 mm，有條件也可一次鉆成直徑Ф102 mm的底孔)。

(3)裝藥爆破。

①備足計(jì)劃裝藥量和各種爆破器材，周邊眼在洞外加工好竹片，串裝藥串。

②裝藥前先用高壓風(fēng)裝孔中巖粉吹凈。

③人工裝藥先上后下，先兩側(cè)后中間。每孔裝藥后用炮泥堵好，炮泥長(zhǎng)不少于20 cm。

④連線起爆:整個(gè)掌子面導(dǎo)爆管分六束，分別捆綁于同段雷管上(為保險(xiǎn)起見每束安兩個(gè)同段雷管最好)，最后再把六束導(dǎo)爆管并聯(lián)捆扎在一個(gè)雷管上，留足導(dǎo)爆索長(zhǎng)度，檢查好安全再行起爆。

(4)通風(fēng)找頂。

①當(dāng)隧道進(jìn)出口采用無(wú)軌運(yùn)輸，初期階段(掘進(jìn)1 370 m)用兩臺(tái)MFA100P－SC型風(fēng)機(jī)分散串聯(lián)在Ф1 200 mm鐵風(fēng)管上進(jìn)行壓入式通風(fēng)，后期增加一根Ф1 200 mm鐵風(fēng)管至模板臺(tái)車處，同時(shí)向洞內(nèi)壓風(fēng)。

②在有平導(dǎo)地段，用巷道式通風(fēng)(平導(dǎo)進(jìn)風(fēng)，正洞出風(fēng))。平導(dǎo)以后地段仍然采用風(fēng)管壓入式通風(fēng)。

③斜、豎井到達(dá)井底后，采用上半斷面開挖，有軌運(yùn)輸，可用壓入式混合式通風(fēng)，風(fēng)管直徑Ф1 000 mm鐵皮風(fēng)管。

④通風(fēng)管理。

a當(dāng)施工方法發(fā)生改變或兩工區(qū)之間貫通，對(duì)原通風(fēng)布局及時(shí)進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)。

b當(dāng)風(fēng)管有效范圍達(dá)不到掘進(jìn)工作面時(shí)，應(yīng)按長(zhǎng)風(fēng)管，使掌子面一帶通風(fēng)良好。

c襯砌臺(tái)車移動(dòng)前，拆除前后風(fēng)管，移動(dòng)后及時(shí)接通前后風(fēng)管。

d維護(hù)好風(fēng)管，處理漏風(fēng)，保養(yǎng)、維修風(fēng)機(jī)，定期進(jìn)行通風(fēng)檢測(cè)。可用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法查明炸藥在雙線隧道中爆破時(shí)的拋擲長(zhǎng)度，CO發(fā)生量及沿隧道縱向分布規(guī)律，測(cè)定無(wú)軌運(yùn)輸柴油機(jī)廢氣的分布規(guī)律和無(wú)軌運(yùn)輸時(shí)通風(fēng)量指標(biāo)。

⑤爆破后先通風(fēng)，掌子面基本沒有炮煙，人員才能進(jìn)入掌子面把危石撬掉，再用高壓水沖選開挖面除塵。

(5)噴混凝土支護(hù):隧道噴射混凝土采用雙水環(huán)噴頭國(guó)產(chǎn)PH－30型或轉(zhuǎn)子型噴射機(jī)，人工對(duì)開挖面拱部進(jìn)行一次噴射混凝土。RODOT－75噴射機(jī)械手和B1.5－4.0噴射三聯(lián)機(jī)配套用于出碴后，拱部二次復(fù)噴和邊墻的混凝土噴射作業(yè)。

(6)用側(cè)卸式2.6～2.8 m3斗的裝載機(jī)裝碴，12～20 t自卸汽車運(yùn)輸出碴。

3.5二次混凝土襯砌施工

(1)要求混凝土工廠和混凝土輸送車的輸送能力與混凝土泵的灌注能力相匹配。

(2)混凝土自進(jìn)入攪拌輸送車至卸料時(shí)間不超過(guò)初凝時(shí)間，混凝土輸送過(guò)程中要保證不發(fā)生離析，若運(yùn)至灌注地點(diǎn)的混凝土有離析現(xiàn)象時(shí)，在灌注前須進(jìn)行二次攪拌。

(3)模板臺(tái)車每次移位前，在準(zhǔn)備襯砌部位的兩側(cè)邊墻下方須預(yù)先灌注墻基混凝土，高度為700 mm，并沿隧道方向每隔1 500 mm，預(yù)埋地腳螺栓，以便固定鋼模板的最低邊緣。實(shí)施中常因預(yù)埋地腳螺栓位置偏移，很難與模板最下邊緣孔對(duì)好，為防模板走動(dòng)用加設(shè)橫撐辦法解決。

(4)隧道襯砌封頂采用鋼管壓注法，選擇合適的混凝土塌落度，仍從拱部的灌注口壓注封頂。

(5)混凝土脫模強(qiáng)度必須達(dá)到2.5 MPa，一般情況下需養(yǎng)擴(kuò)17 h以上方準(zhǔn)拆模。

3.6量測(cè)項(xiàng)目的確定和布置

(1)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表1。

表1　監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

(2)量測(cè)布點(diǎn)見表2。

表2　量測(cè)布點(diǎn)

(3)量測(cè)頻率見表3。

表3　量測(cè)頻率

(4)圍巖穩(wěn)定性判別。

①根據(jù)實(shí)測(cè)位移值或預(yù)測(cè)最終位移來(lái)判別，見表4。

表4　

②根據(jù)位移變化速率判別:當(dāng)凈空變化速率大于10 mm/d時(shí)，需加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)凈空變化速率小于0.2 mm/d時(shí)，則認(rèn)為基本穩(wěn)定。

③根據(jù)位移－時(shí)間曲線的形態(tài)判斷:當(dāng)圍巖變化速率下降時(shí)，圍巖趨于穩(wěn)定。若變化速率保持不變時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)變形速率不斷上升時(shí)，表示已進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)。

3.7控制測(cè)量

(1)光電測(cè)距精密導(dǎo)線網(wǎng)取代傳統(tǒng)的三角網(wǎng)作為洞內(nèi)外的平面控制。

(2)沿導(dǎo)線點(diǎn)采用光電測(cè)距三角高程方法控制隧道高程。

(3)在豎井聯(lián)系測(cè)量中，利用光學(xué)投點(diǎn)，光電測(cè)距儀導(dǎo)入高程和運(yùn)用GAK－I型陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量井上下聯(lián)系邊的空間投影，幾何平面角傳遞坐標(biāo)方位。

(4)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4　結(jié)論

大瑤山隧道的施工模式，合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和型式，適用不同地質(zhì)條件的施工方法、施工工藝和施工設(shè)備的選型配套等，已形成一套工法。這套工法已在類似隧道中全面推廣應(yīng)用。