陳 亮，陳壽根，楊家松

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.中國中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

高地應(yīng)力大斷面軟巖隧道開挖技術(shù)研究

陳 亮1，陳壽根1，楊家松2

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.中國中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

以錦屏二級水電站引水隧洞工程為依托，對高地應(yīng)力大斷面軟巖隧道的開挖技術(shù)進(jìn)行探討，認(rèn)為開挖方法的選擇、掌子面預(yù)支護(hù)的布置、弱爆破參數(shù)控制、相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用這4個(gè)方面是軟巖隧道開挖必須重視的地方。錦屏引水隧洞軟巖段的開挖，證明了在采用合理的掌子面預(yù)支護(hù)措施后，可以實(shí)現(xiàn)大斷面(112 m2)開挖，其開挖進(jìn)度比分塊施工快，且施工組織方便靈活、成本也相對較低。

高地應(yīng)力;軟弱圍巖;大斷面隧道;掌子面預(yù)支護(hù);弱爆破;信息化施工

軟弱圍巖的自支護(hù)能力較弱，甚至沒有自支護(hù)能力。尤其是高地應(yīng)力條件下，在軟巖圍巖中開挖極易導(dǎo)致掌子面擠壓變形并發(fā)生塌方［1］，嚴(yán)重威脅施工人員安全并且延誤工期，據(jù)有關(guān)部門對軟巖隧道施工的不完全統(tǒng)計(jì)，軟弱圍巖隧道的安全事故中，掌子面變形塌方占達(dá)33%。主要有2個(gè)方面的原因，一是客觀上地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，二是主觀上技術(shù)措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場管理等原因［2］。近年來，軟巖隧道施工控制變形塌方一直是困擾工程界的難題，以錦屏二級水電站引水隧洞軟巖段施工為依托，就高地應(yīng)力大斷面軟巖隧道的開挖技術(shù)展開探討。

1 工程概況

錦屏二級水電站(裝機(jī)容量480萬 kW，)位于四川省涼山州雅礱江的錦屏大河灣上，截彎取直，開鑿4條引水隧洞引水發(fā)電，隧洞橫穿錦屏山脈，位于已建二級水電站輔助隧洞線北側(cè)(圖1)，洞線平均長度約16.67 km，洞徑13～14.6 m，斷面形狀為三心圓馬蹄形，主要采用鉆爆法和TBM法施工。引水隧洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、洞徑大的特點(diǎn)［3］。

引水隧洞軟巖段主要揭露里程為引(1)1+536 m和引(2)1+613 m，該段埋深1500～1800 m，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，最大地應(yīng)力40～50 MPa。圍巖以綠泥石片巖為主，Ⅳ～Ⅴ級，結(jié)構(gòu)面結(jié)合性較差，巖石完整性較破碎。完整的綠片巖在干燥條件下單軸抗壓強(qiáng)度為38.8 MPa、飽和時(shí)為19.7 MPa，軟化系數(shù)小于0.5?，F(xiàn)場實(shí)測強(qiáng)度小于5 MPa，呈松散狀，極易軟化成泥。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比0.5～0.9，處于極高地應(yīng)力區(qū)，屬于典型的工程軟巖［4-8］?？紤]4%的預(yù)留變形量后的開挖洞徑為13.8～14.6 m，隧道開挖揭露的典型綠片巖如圖2所示。

圖1 錦屏引水隧洞布置(單位:m)

圖2 現(xiàn)場綠片巖照片

2 開挖方法

圖3 不同開挖方法時(shí)塑性區(qū)分布

目前軟巖隧道常用的開挖方法主要有:CD法、CRD法、側(cè)壁導(dǎo)洞法、三臺階法等，可有效保證施工安全。錦屏引水隧洞最大斷面面積172.3 m2，屬于超大斷面隧洞，隧洞的開挖方法對掌子面的穩(wěn)定性、施工工期等有著重要的影響。采用FLAC3D對上下臺階法、CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法這4種方案進(jìn)行了模擬，塑性區(qū)分布結(jié)果顯示如圖3所示，上下臺階法開挖后塑性區(qū)分布范圍最大，達(dá)8～10 m，且掌子面核心存在大片的受拉破壞區(qū)，CD法和CRD法開挖后塑性區(qū)半徑為6 m左右，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在掌子面開挖后塑性區(qū)半徑5～6 m。

由于軟巖洞段工程量非常大、合同工期不允許延長，同時(shí)要確保長系統(tǒng)錨桿(9m)的施工質(zhì)量，達(dá)到既安全又相對快速地組織施工。CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑達(dá)到了安全施工的目的，但是要求工期較長，并且需要大量的臨時(shí)支護(hù)，造價(jià)高，開挖后也無法提供足夠的作業(yè)空間以施工9 m長系統(tǒng)錨桿。盡管上下臺階法開挖對圍巖擾動較大，但其工期短、造價(jià)低，還能保證后續(xù)支護(hù)的施工質(zhì)量，因此，工程在引入“新意(大利)法”理念后確定了采用上下臺階法的開挖方案，即對掌子面實(shí)施預(yù)支護(hù)后進(jìn)行開挖，同時(shí)做好相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋以指導(dǎo)優(yōu)化開挖參數(shù)，通過試驗(yàn)段的開挖，結(jié)果表明對掌子面前方的軟弱圍巖實(shí)施預(yù)加固措施后，仍維持臺階法大斷面開挖是完全可行的。工程實(shí)現(xiàn)上臺階開挖高度9.5 m，開挖面積達(dá)112 m2。

3 掌子面預(yù)支護(hù)

常見的超前支護(hù)措施有超前錨桿、超前小導(dǎo)管、管棚、注漿加固、人工凍結(jié)、玻璃纖維錨桿等，注漿加固和人工凍結(jié)常用于砂、粉土等地層，由于其造價(jià)高且見效慢，較少應(yīng)用于軟巖隧道的施工。管棚施工需要另設(shè)專門的管棚室且成本較高，因此多數(shù)隧道工程僅在塌方段采取管棚措施。

針對軟巖隧道掌子面的支護(hù)分為2種，首先是拱頂范圍的超前支護(hù)，可采用超前錨桿(小導(dǎo)管);其次是對掌子面核心區(qū)的超前支護(hù)(也稱為預(yù)加固)［5-6］，可采用玻璃纖維錨桿。當(dāng)圍巖完整性較好時(shí)可只進(jìn)行拱頂?shù)某爸ёo(hù)。錦屏引水隧洞軟巖段主要采用了超前錨桿和玻璃纖維錨桿的預(yù)支護(hù)方式。預(yù)支護(hù)方案為:頂拱150°范圍布置超前錨桿或小導(dǎo)管，環(huán)向間距30～40 cm，搭接長度不小于 2 m，外插角 5°～10°。在局部圍巖易坍方洞段增加布置第2排超前錨桿或小導(dǎo)管，外插角30°～45°，環(huán)向間距30～40 cm。掌子面爆破開挖后，視正向掌子面圍巖破碎情況可噴射5～10 cm厚CF30(硅粉)鋼纖維混凝土封閉，掌子面不能保證穩(wěn)定時(shí)可增設(shè)隨機(jī)玻璃纖維錨桿，采用三臂臺車造孔，人工注漿安裝。預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)詳見圖4。

采用FLAC3D對超前錨桿長度進(jìn)行優(yōu)化分析，如圖5所示，掌子面拱頂處沉降隨著超前錨桿長度增加相應(yīng)減小，但減小速度減緩。超前錨桿長度超過10 m后對掌子面位移影響不明顯，由于長錨桿施工對造孔要求較高，在考慮耗時(shí)和成本的情況下可選擇采用6～8 m長的超前錨桿，圍巖情況較好或者進(jìn)行了掌子面核心區(qū)預(yù)加固后，超前錨桿長度可適當(dāng)取短，但不應(yīng)小于4 m。

圖4 超前支護(hù)示意(單位:cm)

圖5 掌子面位移云圖及超前錨桿長度對拱頂位移的影響

圖6 上臺階掌子面玻璃纖維錨桿計(jì)算模型及結(jié)果

采用FLAC3D對上臺階掌子面施做不同長度和間距的玻璃纖維(GFRP)注漿錨桿進(jìn)行模擬。計(jì)算模型及結(jié)果見圖6，掌子面位移隨著GFRP注漿錨桿長度增大而減小，但減小速度逐漸變緩;掌子面位移隨設(shè)置間距的增大加速增大。GFRP注漿錨桿長度小于6 m時(shí)，其間距改變對掌子面位移影響不顯著;間距大于1.5 m時(shí)，GFRP注漿錨桿長度改變對掌子面位移影響不顯著。因此GFRP注漿錨桿長度可取為4～6 m，間距1～1.5 m。下臺階開挖需注意邊墻圍巖的穩(wěn)定，防止變形過大引起上臺階二次變形，同樣采用 FLAC3D對下臺階掌子面GFRP注漿錨桿長度進(jìn)行優(yōu)化分析，計(jì)算結(jié)果如圖7所示，可以看出當(dāng)長度超過6 m時(shí)，邊墻最大位移不再有明顯的降低，因此，GFRP錨桿長度同樣可取為4～6 m，向外斜插角度可取30°～45°。

圖7 下臺階掌子面玻璃纖維錨桿計(jì)算結(jié)果

4 弱爆破技術(shù)

弱爆破法并不是與傳統(tǒng)爆破方式迥異的全新爆破技術(shù)，而是在具體的隧洞掘進(jìn)施工中為防止擾動圍巖誘發(fā)坍方而采取的一種輕微爆破方式，即主要是以降低對圍巖擾動和減小松動圈范圍為目的的爆破方式［9，10］。軟弱圍巖對隧道爆破要求較高，規(guī)范上作了明確規(guī)定要采取弱爆破、短進(jìn)尺。實(shí)際操作中需結(jié)合松動圈檢測及爆破振動監(jiān)測，從盡量減少爆破對圍巖的擾動出發(fā)，使爆破引起的振動速度盡量低及產(chǎn)生的松動圈范圍盡量小。錦屏軟巖段弱爆破設(shè)計(jì)如圖8所示，遵循弱爆破設(shè)計(jì)原則:“淺眼、多孔、多段、少藥、大時(shí)差”。

圖8 掌子面弱爆破設(shè)計(jì)(單位:cm)

淺眼——即規(guī)范要求的短進(jìn)尺，一般炮孔設(shè)計(jì)控制在0.5～1.5 m，如果圍巖等級Ⅳ級可放寬到1.2～1.5 m，當(dāng)圍巖等級為Ⅴ級時(shí)，孔深應(yīng)控制在0.5 m。

多孔——多孔并均勻地分布在斷面上。總藥量不變，孔多分到各孔裝藥就少，再結(jié)合分段以達(dá)到降低振動之目的?？拙W(wǎng)參數(shù)上主炮孔間距控制在0.8～1.2 m，周邊孔按光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì);掏槽孔采取斜眼掏槽時(shí)，V形掏槽夾角控制在60°～70°，掏槽孔間距控制在80～100 cm，掏槽對數(shù)控制在4～6對即可。

少藥——各孔應(yīng)合理裝藥，不能過量裝藥，對軟弱圍巖原則上是以機(jī)械方式開挖，必要時(shí)才爆破作業(yè)，因此除非必須爆破，也要遵守少藥原則，以達(dá)到松動爆破為目的，嚴(yán)禁產(chǎn)生加強(qiáng)爆破或拋擲爆破效果。炸藥單耗控制在0.35～0.6 kg/m3。

多段——振動與齊爆裝藥量有關(guān)，從有利于減少振動出發(fā)，理論上一孔一段較好，使之產(chǎn)生的振動不疊加。但由于火工產(chǎn)品屬地管理，一般民爆公司難以就近采購到上百段雷管，故在起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)時(shí)，通常一個(gè)段裝入多個(gè)孔。原則上要15個(gè)段及以上，采用普通非電雷管系列。

大時(shí)差——在工程爆破中，需要做到振動波峰盡量不疊加或不能有多個(gè)波的最大值產(chǎn)生疊加，因此往往考慮段間時(shí)間拉大，通常要根據(jù)振動監(jiān)測確定，時(shí)差要大于主振周期的2.5倍能保證不疊加。如果沒有監(jiān)測資料，在爆破設(shè)計(jì)時(shí)掌握:ms10段以下按 ms1、ms3、ms5、ms7、ms9來安排，并且同段起爆孔數(shù)不宜多，尤其是ms1、ms3段，容易產(chǎn)生疊加，出現(xiàn)最大振動速度。ms1段上孔數(shù)不超過4個(gè)孔，其余段不宜超過6孔;在ms10段以上時(shí)可以連段使用，同段起爆的炮孔也可以逐漸增多，因?yàn)楦叨卫坠苡型胃蓴_效應(yīng)——制造誤差Δt影響，即便是多個(gè)同段，通過大量監(jiān)測時(shí)程曲線表明，振動幾乎不疊加，各自獨(dú)立。

5 相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

為了保證隧洞的順利開挖，并對開挖后工程質(zhì)量和圍巖穩(wěn)定性等做出準(zhǔn)確的評估，需要采用適當(dāng)?shù)臋z測、監(jiān)測及量測等輔助措施為設(shè)計(jì)和施工提供有利的指導(dǎo)。尤其是高地應(yīng)力軟巖大斷面隧洞工程，開挖的順利與否對施工安全性、工程質(zhì)量、工期和經(jīng)濟(jì)效益等有著非常重要的影響。就開挖而言，除規(guī)范規(guī)定的必測項(xiàng)目外，針對軟巖隧道的施工，在條件允許的情況下應(yīng)進(jìn)行松動圈檢測、爆破振動監(jiān)測及斷面掃描量測。

松動圈檢測可確定地下洞室受爆破開挖的影響而形成的爆破松動區(qū)的深度，以對圍巖穩(wěn)定及開挖質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)的合理性［11］。錦屏引水隧洞軟巖段松動圈檢測采用單孔聲波法，測點(diǎn)布置于拱頂、左右拱肩及左右邊墻。圖9為典型松動圈檢測成果。通過爆破振動監(jiān)測，可指導(dǎo)優(yōu)化弱爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，錦屏引水隧洞軟巖段采用了 Minimate Blaster型爆破振動監(jiān)測儀，圖10為典型的質(zhì)點(diǎn)振動監(jiān)測結(jié)果，通過對比常規(guī)爆破和弱爆破，發(fā)現(xiàn)采用弱爆破措施能明顯減低質(zhì)點(diǎn)振動速度，降幅達(dá)30% ～80%，對穩(wěn)定圍巖和減小松動范圍具有一定的作用。斷面掃描儀主要用于對隧洞開挖后的斷面進(jìn)行量測，以確定超挖或欠挖工程量，同時(shí)，其測量結(jié)果還可用于判斷隧洞圍巖的變形程度，即通過將測量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)開挖斷面對比，可確定圍巖變形是否侵限及洞周各測點(diǎn)侵限值的大小，并可為預(yù)留變形量的確定提供一定的參考［12］。

圖9 典型松弛深度檢測成果

圖10 質(zhì)點(diǎn)振動頻率

6 結(jié)語

高地應(yīng)力大斷面軟巖隧道的開挖應(yīng)重視開挖方法、掌子面預(yù)支護(hù)、弱爆破、信息監(jiān)測這4個(gè)方面。開挖方法應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場施工條件、對圍巖的影響程度、工期及成本等多方面進(jìn)行考慮，掌子面預(yù)支護(hù)是保證順利開挖的關(guān)鍵，弱爆破是手段，同時(shí)在開挖過程中應(yīng)結(jié)合多種監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析以達(dá)到優(yōu)化開挖參數(shù)與完善施工方案的目的。錦屏引水洞是非常典型的高地應(yīng)力大斷面隧道(洞)工程項(xiàng)目，其1號、2號引水隧洞軟巖段的開挖均貫徹了“新意法”的施工理念。實(shí)踐表明，通過合理的超前預(yù)支護(hù)措施可以實(shí)現(xiàn)軟巖隧道的大斷面開挖，其開挖進(jìn)度比分塊施工快，且施工組織方便靈活、成本也相對較低。錦屏引水隧洞的成功經(jīng)驗(yàn)對軟巖隧道施工具有較大參考價(jià)值。

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Discussion on Excavation Technologies of Tunnel with High Ground Stress and Large Cross-section in Soft Rock

CHEN Liang1，CHEN Shou-gen1，YANG Jia-song2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.The 2nd Engineering Co.，Ltd.，China Railway NO.2 Engineering Group，Chengdu 610091，China)

Excavation technologies of tunnel with high ground stress and large cross-section in soft rock are discussed in this paper，based on the diversion tunnel of Jinping-Ⅱ hydroelectric station.The author thinks that when excavating the tunnel in soft rock，the four aspects must be paid attention to，including excavating methods，pre-supporting of working face，parameter control of weak blasting， and the utilization of relevant monitoring technology.The excavation at soft rock area of the diversion tunnel of Jinping-Ⅱhydroelectric station has proved that:after using reasonable working face pre-supporting measures，the excavation of large cross-section(112 m2)can be achieved，with the faster excavation process than that of the piecewise excavation method and with the more convenient and more flexible construction organization，at a relatively low cost.

high ground stress;soft surrounding rocks;tunnels with large cross-section;pre-supporting of working face;weak blasting;informationized construction

U455.4

A

1004-2954(2013)04-0087-05

2012-09-02;

2012-09-26

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金資助(SWJTU11ZT33);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT0955)

陳 亮(1984—)，男，博士研究生，E-mail:clng9716@163.com。