楊霽洲

(中鐵十八局集團(tuán)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(shù)分析
——以黃嶺隧道、管乙隧道為例

楊霽洲

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

隨著我國隧道建設(shè)技術(shù)的先進(jìn)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(shù)分析。

小凈距隧道；合理施工；圍巖振動；爆破參數(shù)

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(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，小凈距隧道更加符合行車的需要，達(dá)到克服高差、縮短里程、改善線性指標(biāo)以及保護(hù)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(jìn)經(jīng)濟(jì)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(shù)長，受到環(huán)境、氣候等的影響，施工難度大，在較短的時間內(nèi)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(dá)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(guān)系緊密，二者相互作用，相互影響。應(yīng)用動態(tài)施工過程力學(xué)原理和數(shù)值模擬的方法模擬隧道不同的開挖施工順序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響，研究在不同開挖順序、支護(hù)參數(shù)時，圍巖的變形、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)分布以及巖柱可能出現(xiàn)的破壞模式，提出隧道合理的施工工法和圍巖支護(hù)參數(shù)，以達(dá)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(xiàn)場監(jiān)測

隧道施工工程量大，施工中涉及到的內(nèi)容信息量多，部分地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，為確保隧道的長期安全運行，必須對隧道的圍巖和結(jié)構(gòu)的變形、受力特征進(jìn)行必要的監(jiān)測、分析工作，并修正原有的設(shè)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(yīng)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(xiàn)象嚴(yán)重，對圍巖展開位移監(jiān)測，壓力與內(nèi)應(yīng)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(shè)備主要包括：應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)6個美國基康公司產(chǎn)多點位移計，埋設(shè)方式如圖4， 共設(shè)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(chǎn)專用讀數(shù)儀讀數(shù)。精確測量位移值等是為有效施工奠定基礎(chǔ)，并弄清楚圍巖本身的徑向位移與圍巖的松弛情況，以準(zhǔn)確掌握錨桿參數(shù)的實際情況。

2.圍巖與混凝土之間用壓力盒進(jìn)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(chǎn)專用讀數(shù)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(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測。

4.圍巖聲波監(jiān)測

在所選的9個斷面處進(jìn)行一次隧道兩側(cè)、頂拱聲波速度監(jiān)測，采用武漢巖海公司產(chǎn)聲波測試傳感器和聲波儀進(jìn)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(jié)構(gòu)應(yīng)力和錨桿應(yīng)力測試

在每個監(jiān)測斷面隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)布置8個應(yīng)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(yīng)力計，每個斷面上監(jiān)測6根錨桿,錨桿應(yīng)力測量布置9個斷面。

(三) 現(xiàn)場試驗

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

2.采取現(xiàn)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(shù)分析

(一)分析不同施工順序?qū)λ淼篮鸵r砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

根據(jù)設(shè)計經(jīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行精細(xì)計算分析，并對其圍巖和襯砌進(jìn)行穩(wěn)定狀況評價。擬對5種可能的開挖方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

(二)隧道圍巖與襯砌共同作用及圍巖支護(hù)參數(shù)及優(yōu)化分析

根據(jù)選定的施工工法，研究合理的加固方案，參照國內(nèi)外在礦山、鐵路隧道小間距隧道的設(shè)計規(guī)范和工程經(jīng)驗，應(yīng)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(jié)構(gòu)之間的受力情況以及穩(wěn)定性，并詳細(xì)深入評估巖柱的厚度，與巖柱厚度對圍巖應(yīng)力、支護(hù)受力的影響。

根據(jù)黃嶺隧道、管乙隧道的工程地質(zhì)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(hù)參數(shù)，巖體的力學(xué)參數(shù)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(shù)值模擬隧道分布開挖技術(shù)并結(jié)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(biāo)與速度歷時曲線，來制定出正確、科學(xué)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(xué)參數(shù)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(yīng)特征。

(四)隧道圍巖應(yīng)力、位移監(jiān)測結(jié)果的反演分析

根據(jù)現(xiàn)場分階段的監(jiān)測結(jié)果(圍巖位移、應(yīng)力、錨桿軸力等)，開展對監(jiān)測結(jié)果的數(shù)值反演分析，提出適合黃嶺隧道、管乙隧道工程地質(zhì)條件的合理的圍巖力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)下一步的工程設(shè)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(fēng)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(shù)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(yīng)依照根據(jù)參數(shù)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(cè)壁導(dǎo)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?qū)φ{(diào)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(xiàn)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(yīng)根據(jù)自身特點采用超前導(dǎo)坑預(yù)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(hù)參數(shù)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(dāng)可觀。

(三)影響小凈距隧道施工質(zhì)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(zhì)量越好。歷年來的竣工工程都表明，采用科學(xué)、安全、可行的措施來避免施工中對中央巖的擾動，能達(dá)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(jīng)濟(jì)技術(shù)聯(lián)合與協(xié)作，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)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。

2095-4654(2015)03-0194-03

2014-11-20

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