肖 先
(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061)
隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,施工工藝不斷革新,鐵路、公路、水利中隧道工程占比越來越大,隧道工程一直是施工中的控制工程,制約著全線施工進(jìn)度,影響著全線施工成本。如何在確保安全質(zhì)量前提下加快隧道施工,是隧道施工中懸而未決的課題。地鐵及長大隧道已采用盾構(gòu)、TBM施工,地質(zhì)復(fù)雜、大斷面隧道目前仍選用鉆爆法施工,鉆爆法隧道施工控制難點(diǎn)是如何控制開挖過程中超欠挖,超挖會加大出渣工程量,加大初噴混凝土厚度,延長工期并增加施工成本,由于超挖后控制不力,初支背后容易形成空洞,造成圍巖不穩(wěn),影響安全質(zhì)量。欠挖處理需再次爆破,也會影響工程進(jìn)度及增加成本。欠挖處理不當(dāng),容易造成初支及二襯厚度不滿足要求,形成質(zhì)量隱患。超欠挖的形成有兩方面原因,一是技術(shù)方面,原有的技術(shù)有待改進(jìn),特別是大斷面隧道的爆破技術(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn);二是管理原因,現(xiàn)場施工中,既定方案不能得到有效落實(shí),孔位布置隨意、鉆孔角度不準(zhǔn),影響了爆破效果。本文以石黔高速連湖隧道工程為例,采用長短組合炮孔技術(shù)、周邊眼精確定位技術(shù),提出了隧道超欠挖控制技術(shù)。
隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
目前隧道施工中無論從設(shè)計還是監(jiān)理方均要求初期支護(hù)施工至掌子面,以確保施工安全。初期支護(hù)至掌子面后,給鉆桿鉆孔預(yù)留空間已不能滿足鉆孔要求,無法達(dá)到設(shè)計角度,特別是設(shè)計有鋼架的初期支護(hù),為了盡量減小周邊眼鉆孔角度誤差,常采用的施工方法是在拱架上預(yù)留孔洞,在拱架上預(yù)留孔洞不僅降低了拱架的強(qiáng)度,也限制了周邊眼的成孔角度,不可避免地造成超欠挖。超欠挖鉆孔見圖1。
圖1 超欠挖鉆孔示意(單位:cm)
爆破設(shè)計是根據(jù)圍巖進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計,在施工過程中由于受場地限制,臺車限制,鉆孔設(shè)備限制,不能按設(shè)計進(jìn)行鉆孔,隨意改變孔位位置及角度,最后達(dá)不到設(shè)計爆破效果。
在施工過程中,為了加快施工進(jìn)度,或者是項(xiàng)目采購原因,只有部分段別雷管、無導(dǎo)爆索、無小藥卷,裝藥結(jié)束后不堵孔,特別是孔底集中裝藥不均勻,容易造成爆破效果欠佳。
由于鉆孔偏角的影響,隨著鉆孔長度增加,孔底距設(shè)計開挖面距離越大,爆破成孔后孔底處超挖值越大;如果鉆孔向外偏角較小,會造成掌子面處欠挖值增大,角度越小,欠挖值越大。
鉆孔定位必須有很好的定位體系,如何將設(shè)計圖紙定位到現(xiàn)場,是確保超欠挖的首要條件。周邊孔孔口與開挖輪廓線距離要根據(jù)巖石軟硬程度(f值)來定[1-2],具體參數(shù)見表2。目前現(xiàn)場較多采用全站儀逐點(diǎn)放線確定鉆孔位置,此種方法也能精確定位,但效率較低,目前引進(jìn)采用激光定位監(jiān)測系統(tǒng)利用大功率激光投射方式進(jìn)行開挖輪廓線和爆破炮孔的定位[3],指導(dǎo)鉆機(jī)或者鉆孔手的操作。全程操作只需少量人工參與,自動化程度高,定位快速。
表2 周邊孔與開挖輪廓線距離要求
如何控制向外偏移角度對于隧道超欠挖至關(guān)重要,在鉆孔過程中,需要考慮圍巖級別對周邊孔與開挖輪廓線的影響,考慮掌子面欠挖與孔底位置的超挖平衡[4]。
3.2.1 采用鑿巖機(jī)精確控制
在隧道掘進(jìn)中,采用較先進(jìn)的施工設(shè)備更能精確控制鉆孔角度,在施工中落實(shí)設(shè)計意圖,比如鑿巖臺車,當(dāng)鑿巖機(jī)緊貼在已開出的輪廓面操作時,能控制住外插角的角度[5]。周邊孔對孔誤差環(huán)向不大于5 cm。
3.2.2 預(yù)留初期支護(hù)后精確控制
在施工中如果圍巖較好時,在掌子面與初期支護(hù)之間始終預(yù)留3~4 m初期支護(hù)不施工,為鉆孔提供一定的空間與角度,以確保鉆桿能貼近原爆破孔以較小角度按設(shè)計水平鉆進(jìn)。通過控制外插角角度能有效控制開挖面輪廓,減少超欠挖工程量[6]。
3.2.3 最佳鉆進(jìn)外插角確定
在施工中由于初期支護(hù)臨近掌子面,初期支護(hù)端部安裝有鋼架,鉆桿的外插角受鋼架的影響不能得到有效控制,在施工中如何確定外插角是控制超挖及欠挖的關(guān)鍵因素。
圖2 隧道超欠挖偏移計算(單位:cm)
根據(jù)圖2所示可以推導(dǎo)出隧道超挖鉆孔偏移值計算公式:
式中,S表示偏移值(cm);L代表此鉆孔循環(huán)長度(m);h表示掌子面欠挖值(cm);a表示鉆孔與設(shè)計開挖輪廓之間的角度。
根據(jù)公式計算出不同圍巖類型與外插角的偏移值見表3。
表3 L=3 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm
經(jīng)過對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得出中硬巖在初期支護(hù)臨近掌子面時,采用4°外插角效果較好,超挖量較小。硬巖在初期支護(hù)臨近掌子面時,采用5°外插角效果較好,超挖量較小。施工中存在的問題為爆破后在掌子面處存在一定欠挖需要處理。
在角度一定的情況下,循環(huán)進(jìn)尺越長,端部偏離越大,如果只控制孔底處的偏移量,則掌子面處的欠挖量又會加大,反之亦然。如何確保掌子面不欠挖,孔底處少超挖,提出長短孔控制技術(shù),對隧道的超欠挖能起到很好的控制作用。
3.3.1 短炮孔設(shè)置
根據(jù)表3計算數(shù)據(jù),短孔的鉆孔長度應(yīng)超過長孔與開挖輪廓線的交點(diǎn)才能確保長短孔交界處不出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象。如果短孔爆破后超過交界處,則會出現(xiàn)超挖現(xiàn)象,短孔太短則達(dá)不到控制欠挖的目的,所以短孔的長度理論為超過交界處20~30 cm為宜。
3.3.2 長炮孔設(shè)置
長孔布置在短孔的內(nèi)側(cè),間距根據(jù)不同的圍巖控制在8~10 cm,如果采用的鉆孔尺寸較大,可以根據(jù)鉆孔直徑適當(dāng)放大。
3.3.3 炮孔角度設(shè)置
根據(jù)不同圍巖周邊眼與開挖輪廓線,通過偏移公式,推算出有效的長孔與短孔的鉆孔角度,減少開挖過程中的超欠挖。短孔控制掌子面欠挖,長孔控制孔底處超挖,通過爆破裝藥控制,達(dá)到控制超欠挖效果。當(dāng)L=2.4 m、L=1.2 m時外插角與圍巖類別偏移值見表4、表5。
表4 L=2.4 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm
表5 L=1.2 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm
軟弱圍巖由于開挖長度短,鉆孔長度小,可以采用3°外插角施工,不考慮長短孔結(jié)合施工;中硬巖按每循環(huán)2.4 m計算,短孔按3°外插角施工,長孔按3°~4°外插角施工;硬巖鉆孔按3 m計算,比較適合長短孔技術(shù),長短孔均采用4°外插角施工。
周邊眼采用不偶合裝藥和空氣間隔裝藥;將藥卷綁在導(dǎo)爆索上,形成一個斷續(xù)的炸藥卷,為了更好的裝藥,可以采用將藥卷綁在竹片上送入孔內(nèi)[7-9]。光面爆破一般參考數(shù)值見表6。
表6 光面爆破一般參考數(shù)值
為確保爆破效果,短孔孔底裝藥位置與長孔最外端裝藥位置根據(jù)圍巖不同錯開相應(yīng)的位置[10];短孔炮泥堵塞在最外端,長孔炮孔堵塞至長孔中段,面作為空留段,孔口堵塞長度不小于40 cm[11]。裝藥見圖3,鉆爆作業(yè)還要根據(jù)地質(zhì)條件及時修正爆破參數(shù),以期達(dá)到最佳爆破效果。
圖3 隧道開挖長短孔裝藥示意
周邊眼的起爆必須同時起爆才能形成平整的爆裂面,否則會形成鋸齒狀爆裂面,起爆雷管段數(shù)根據(jù)起爆方案整體設(shè)計[12]。
采用預(yù)留3~4 m初期支護(hù)不施工,可以為鉆孔提供較小的外插角空間,能很好地控制爆破的超欠挖,但由于設(shè)計、業(yè)主要求按設(shè)計施工,在現(xiàn)場操作起來較為困難。
采用長短孔鉆孔結(jié)合技術(shù),能夠減少施工中的超欠挖工程量,對于循環(huán)尺寸較長的爆破,效果更為明顯。
由于長短孔結(jié)合技術(shù)減少了超欠挖工程量,減少了初噴混凝土量,為施工節(jié)約了時間,節(jié)約了材料,贏得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。