王 衡

(中鐵十八局集團(tuán) 第四工程有限公司,天津 300350)

當(dāng)前,我國各地正在加大交通設(shè)施建設(shè)力度,在開展隧道工程施工時(shí),常會(huì)遇到地質(zhì)條件較差的情況,如軟弱圍巖隧道就是具有一定施工難度的隧道工程,此類工程由于圍巖情況不佳,在鉆爆開挖過程中很容易出現(xiàn)超挖問題。所謂超挖問題指的是開挖的深度超過了設(shè)計(jì)允許的范圍。對隧道工程而言,一旦發(fā)生超挖問題,就會(huì)影響到最終施工工藝參數(shù)的合理性,進(jìn)而影響隧道工程質(zhì)量,降低圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,甚至可能會(huì)誘發(fā)安全事故。因此,在隧道施工過程中必須控制好隧道超挖這一問題。際豐隧道工程在鉆爆開挖施工中,根據(jù)此類工程的特殊性,分別從控制爆破循環(huán)進(jìn)尺、改進(jìn)掏槽方式、加強(qiáng)施工監(jiān)測及合理設(shè)置鉆爆參數(shù)等方面,對鉆爆開挖施工進(jìn)行改進(jìn),取得了顯著的施工成果,有效解決了軟弱圍巖的開挖超挖問題,可供同類工程參考。

1 工程概述

南平聯(lián)絡(luò)線高速公路工程際豐隧道全長293 m,位于福建省南平市南山鎮(zhèn)際豐村,隧道左右洞為小凈距布置,屬短隧道。隧道縱坡坡率為2.5%,坡長為293 m。隧道進(jìn)、出口設(shè)計(jì)樁號(hào)分別為ZK28+211(YK28+208)、ZK28+504(YK28+501);進(jìn)、出口設(shè)計(jì)高程分別為240.622,248.290 m,進(jìn)、出口高差為7.668 m。

際豐隧道左洞通過地質(zhì)巖性為全風(fēng)化—弱風(fēng)化云母花崗巖,Ⅲ級圍巖為200 m,Ⅳ級圍巖為40 m,Ⅴ級圍巖為53 m。際豐隧道右洞通過地質(zhì)巖性為全風(fēng)化～弱風(fēng)化云母花崗巖,Ⅲ級圍巖為205 m,Ⅳ級圍巖為35 m,Ⅴ級圍巖為53 m。隧道地表水為溝谷匯水,不發(fā)育;地下水為基巖裂隙水,較發(fā)育。隧道區(qū)地下水最大總涌水量約為94.80 m3/d。

該隧道采用鉆爆法施工。由于地質(zhì)條件復(fù)雜,包括圍巖等級的大幅度變化、巖體完整性差及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,導(dǎo)致在隧道施工過程中常常出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。為了保證施工質(zhì)量和施工安全,必須對超挖現(xiàn)象進(jìn)行控制。

2 引起隧道超挖的主要原因

大量工程實(shí)例和研究表明應(yīng)用鉆爆法進(jìn)行施工時(shí),軟弱圍巖是引起超挖的主要原因。

2.1 薄層狀板巖和片巖

板巖是一種由變質(zhì)巖或沉積巖經(jīng)過高溫高壓作用形成的巖石。它通常具有灰色、綠色、紅色、棕色或黑色的外觀,質(zhì)地堅(jiān)硬,脆性較小,不易磨損和腐蝕。單軸飽和抗壓強(qiáng)度通常不足15 MPa,屬于典型的軟巖。鉆爆開挖施工中容易引起隧道輪廓線之外保留區(qū)域巖體的損傷,特別是邊墻位置,在機(jī)械排險(xiǎn)清渣時(shí)容易發(fā)生大塊掉落。通常情況下,板巖超挖超限的尺寸有60～100 cm。工程薄層狀板巖現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 薄層狀板巖現(xiàn)場圖

片巖具有明顯的片理結(jié)構(gòu),屬于區(qū)域動(dòng)力片質(zhì)巖。片質(zhì)巖主要由片狀、粒狀、柱狀礦物組成,單軸飽和強(qiáng)度比較低,也屬于軟巖,容易在邊墻等部位產(chǎn)生較大超挖。

2.2 節(jié)理裂隙發(fā)育的Ⅳ級圍巖

受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響,在地應(yīng)力的作用下,隧道巖體在多組節(jié)理面的共同切割下,形成碎塊狀結(jié)構(gòu),從而降低巖體的完整性。隧道開挖中采用鉆爆法會(huì)在隧道拱部、拱腰、邊墻等位置出現(xiàn)掉塊問題,從而引起較大的超挖。節(jié)理裂隙發(fā)育現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 節(jié)理裂隙發(fā)育圖

2.3 脈狀侵入發(fā)育的巖體

在凝灰質(zhì)板巖形成過程中,若遇到石英、方解石的侵入,會(huì)導(dǎo)致巖體從整體上被切割成碎塊狀。隧道施工中應(yīng)用鉆爆法施工時(shí),在隧道掌子面上能夠清楚看到灰黑色巖體被大量枝脈狀礦物分割[1]。采用鉆爆法開挖隧道時(shí),使用少量的炸藥就能完成爆破開挖,但爆破會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng),破壞開挖輪廓線之外的保留巖體。爆破后形成的堆放渣塊直徑小于10 cm的數(shù)量超過95%,在進(jìn)行機(jī)械清渣的過程中,隧道拱部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的掉塊問題,進(jìn)而引起超挖。情況嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)鹁植克健７浇馐}侵入的凝灰質(zhì)板巖現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 方解石脈侵入的凝灰質(zhì)板巖

3 隧道鉆爆法超挖控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 軟弱圍巖超挖控制方法

在本工程鉆爆開挖施工中遇到了大量含水量大、穩(wěn)定性差的軟弱圍巖。若不采取有效的控制方法,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的超挖問題,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至?xí)饑?yán)重的安全問題。按照類似工程的施工經(jīng)驗(yàn),可采取如下控制方法:

1) 根據(jù)設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場實(shí)際情況,結(jié)合地質(zhì)條件,確定合理的爆破參數(shù)。隧道爆破時(shí),應(yīng)根據(jù)圍巖類型和地質(zhì)條件選擇合適的炸藥單耗、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥數(shù)量和裝藥線長度。

2) 選擇合適的掏槽形式。在爆破前,應(yīng)對掏槽眼進(jìn)行預(yù)鉆孔,并根據(jù)圍巖情況選擇合適的掏槽眼深度、間距和數(shù)量[2]。

3) 確定合理的裝藥量。根據(jù)圍巖情況選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量,在保證炸藥能量得到充分利用的前提下,盡可能降低單位炸藥的消耗量。對于淺孔爆破,應(yīng)減少裝藥量和裝藥時(shí)間;對于深孔爆破,應(yīng)增加炸藥能量密度。

4) 嚴(yán)格控制裝藥質(zhì)量。對炮眼進(jìn)行詳細(xì)的檢查和測量,確保炮眼裝藥質(zhì)量。采用小孔徑藥卷時(shí),應(yīng)在炮孔內(nèi)注滿水或砂漿,以保證裝藥過程中不堵塞炮孔。

5) 及時(shí)初噴。鉆爆開挖結(jié)束后,需要及時(shí)采用5～8 cm厚的噴射混凝土進(jìn)行初噴,以便封閉開挖面,避免發(fā)生掉塊問題。尤其是對局部節(jié)理裂隙發(fā)育嚴(yán)重的拱部巖體,需要采用隨機(jī)錨桿進(jìn)行有效加固[3]。

3.2 改進(jìn)鉆爆工藝

在采用鉆爆法時(shí),鉆爆工藝的不合理也是引起超挖問題的主要原因。因此,在具體施工中需要嚴(yán)格按照隧道超前預(yù)測的結(jié)果,對鉆爆施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1) 控制爆破循環(huán)進(jìn)尺。根據(jù)爆破設(shè)計(jì)文件中的循環(huán)進(jìn)尺,確定隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺和每循環(huán)進(jìn)尺的最大允許裝藥數(shù)量。首先,合理確定爆破參數(shù),提高爆破效率,減少超挖;其次,按照設(shè)計(jì)文件和地質(zhì)條件選擇合適的掏槽形式、掏槽眼位置;再次,合理選擇裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量,適當(dāng)提高裝藥量;最后,嚴(yán)格控制裝藥密度[4]。

2) 改進(jìn)掏槽方式。目前,在隧道開挖中鉆爆采用的掏槽方式多為楔形掏槽。此種掏槽方式具有效率高、效果好等優(yōu)勢,比較適用于大斷面開挖;缺點(diǎn)是飛石距離比較遠(yuǎn),容易對掌子面前方的被保護(hù)物造成影響和破壞。為解決這一問題,需要按照隧道掘進(jìn)進(jìn)尺、巖石特性、斷面幾何形狀等相關(guān)因素進(jìn)行科學(xué)有效的改進(jìn)[5]。比如:可繼續(xù)使用楔形掏槽眼,由于炮眼需要沿著掌子面隧道中心線進(jìn)行對稱布置,尤其是在進(jìn)行槽口開眼施工中,要盡量擴(kuò)大距離,減少輔助眼布置的數(shù)目?？捎谡谱用嬷行木€兩側(cè)各布置一排(圖4),若遇到硬巖,則可以采用二階楔形槽眼(圖5)。

圖4 楔形掏槽圖

圖5 硬巖時(shí)楔形掏槽眼布置

3) 加強(qiáng)施工監(jiān)測。根據(jù)隧道周邊圍巖的變化情況及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù);采用非電毫秒延期雷管和低密度微震毫秒雷管同時(shí)起爆;通過監(jiān)控量測實(shí)時(shí)掌握隧道開挖輪廓線和超挖情況,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整;在施工過程中采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整[6]。

4) 加強(qiáng)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測。在隧道開挖過程中,應(yīng)根據(jù)圍巖情況和爆破效果對圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。在拱頂沉降監(jiān)測過程中,應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定,將拱頂沉降變形量控制在不超過0.2 mm/d的范圍內(nèi);在收斂變形監(jiān)測過程中,收斂變形量應(yīng)不超過0.1 mm/d[7]。

3.3 選擇合理的鉆爆參數(shù)

3.3.1 周邊孔光爆參數(shù)選擇

周邊孔光爆參數(shù)的選擇直接關(guān)系到爆破施工的成敗。為有效控制鉆爆引起的超挖問題,在選擇周邊孔光爆參數(shù)時(shí),需要嚴(yán)格按照TZ 204—2008《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》中對光爆參數(shù)的規(guī)定進(jìn)行合理選擇(表1)。

表1中所列的參數(shù),適用于炮眼深度為1.0～3.5 m,炮眼直徑為40～50 mm,藥卷直徑為20～35 mm的情況。在斷面比較小,或圍巖為軟弱巖,對開挖質(zhì)量要求比較高的情況下,E應(yīng)取最小值,W應(yīng)大于周邊眼間距E。若在軟巖鉆爆施工中E選擇了較小值,則W需要適當(dāng)增大,E/W在軟巖鉆爆施工中取小值,硬巖和小斷面爆破施工中則取大值。

3.3.2 輔助眼參數(shù)選擇

輔助眼主要布置在掏槽眼和周邊眼之間。結(jié)合案例工程的地質(zhì)條件和圍巖特點(diǎn),為有效控制超挖問題,在進(jìn)行輔助眼布置時(shí)要控制相鄰輔助眼之間的距離為0.6～0.8 m,并細(xì)分為若干排,盡量成環(huán)布置,排距應(yīng)控制在0.8 m以下[8]。且最外排輔助眼到周邊眼之間的距離應(yīng)為最小抵抗線,控制在0.4～0.6 m,若遇到硬巖則要取大值。輔助眼裝藥量計(jì)算式為

Q=L×η

(1)

式(1)中:Q為輔助眼的鉆孔裝藥量,kg;L為輔助眼的深度,m;η為裝藥長度系數(shù),即裝藥長度與炮孔深度的比值,通常為0.45～0.65,軟巖取小值,硬巖取大值。

3.3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

為有效控制鉆爆法施工中引起的超挖和欠挖問題,還要結(jié)合炮眼種類的不同,選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)。比如:掏槽眼和輔助眼要采用從孔底裝藥的連續(xù)式裝藥結(jié)構(gòu),帶有雷管的起爆藥包盡量要安裝在孔底,選擇孔底反向起爆的方式[9]。

周邊眼則要盡量采用不耦合間隔的裝藥方式,選擇專用藥卷,或者直徑為25 mm的小直徑藥卷。間隔裝藥是控制隧道鉆爆超挖的關(guān)鍵環(huán)節(jié),須嚴(yán)格按照圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝藥。

圖6 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)圖

4 超挖控制效果

在隧道施工中,為保證施工質(zhì)量,需要盡量減少超挖量。不同圍巖條件下,超挖控制應(yīng)符合表2中的相關(guān)規(guī)定,平均超值開挖計(jì)算式為

表2 平均和最大超挖控制表

(2)

式(2)中:L為隧道開挖施工中平均超挖值,mm;S表示超挖面積,mm2;D為鉆爆設(shè)計(jì)開挖斷面周長(不包括隧底),mm。

本工程在鉆爆法開挖時(shí),采用了以上控制方法,隧道拱部破碎巖和土圍巖超挖量為98 mm,中硬巖和軟巖為148 mm,硬巖為102 mm。邊墻每側(cè)超挖量為101 mm,全寬超挖量為195 mm。仰拱和隧底的超挖量為110 mm,全部滿足施工要求,取得了良好效果,可為類似工程施工提供借鑒和參考。

5 結(jié) 語

綜上所述,結(jié)合實(shí)際案例分析了隧道鉆爆法開挖的超挖控制方式,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:1) 在隧道爆破開挖過程中要嚴(yán)格控制裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序、藥量和爆破時(shí)間。只有合理選擇裝藥結(jié)構(gòu)和起爆順序,才能有效控制超挖量。2) 在隧道施工過程中,要嚴(yán)格控制超挖,并及時(shí)對超挖部位進(jìn)行處理。根據(jù)工程實(shí)際情況,對于不超過設(shè)計(jì)規(guī)定的超挖部分采取加強(qiáng)支護(hù)、及時(shí)支護(hù)或拆除等措施。如果出現(xiàn)超挖問題,應(yīng)及時(shí)對超挖部位進(jìn)行處理。3) 在隧道工程施工過程中,要加強(qiáng)對爆破參數(shù)的檢測和控制。對爆破參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)整,及時(shí)修正,可有效控制隧道出現(xiàn)超挖問題。