楊建春 師要?jiǎng)?/p>

摘要：淺埋復(fù)雜地質(zhì)水工隧洞施工存在圍巖坍塌、冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)隧洞部分洞段處于高速公路正下方，隧洞施工期間要保證原線路高速正常通行的條件下，使得隧洞施工難度更高、安全風(fēng)險(xiǎn)增大;本工程通過對(duì)下穿高速公路隧洞段開挖施工方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，采用了爆破與免爆方法相結(jié)合的實(shí)施方案，取得了良好的效果，為類似工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：隧洞 復(fù)雜地質(zhì) 下穿高速公路 ?開挖技術(shù)

1.前言

新疆某輸水工程4#隧洞在施工過程中，由于下穿當(dāng)?shù)匾粭l高速公路，該段覆蓋層較薄僅為7.8m不足1倍洞徑，且該處巖層為破碎巖體+斷層帶，屬于Ⅴ類圍巖，重型車輛通過時(shí)對(duì)隧洞頂部巖體形成較大振動(dòng)壓應(yīng)力，在隧洞開挖過程中易形成掉快、坍塌等現(xiàn)象，可能造成路基變形。為此，通過對(duì)國內(nèi)常用免爆開挖施工方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，并結(jié)合液壓劈裂和欲裂松動(dòng)爆破等輔助措施，順利完成了穿高速洞段的施工任務(wù)。

2.工程概況

本工程隧洞穿高速洞段全長109m，其中高速路下方長40m，隧洞結(jié)構(gòu)為馬蹄形，開挖洞徑10.0m，覆蓋層厚7.8m。隧洞斷面結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2.2地質(zhì)條件

該段位于低山丘陵，地形平坦開闊，分布高程678～683m，高差相約5m。地表基巖裸露，局部表層分布第四系全新統(tǒng)洪積粉土質(zhì)砂及人工堆積碎石土，結(jié)構(gòu)松散，厚度1.0～2.0m;下覆為基巖，巖性為泥盆系中統(tǒng)阿勒泰組（D2a）二長片麻巖、黑云母斜長片麻巖，二長片麻巖，淺灰白色，次塊狀～塊狀構(gòu)造;黑云母斜長片麻巖，淺灰黑色，薄～中層，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚4～10m，巖石多破碎;弱風(fēng)化層10～12m，節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)地表踏勘測(cè)繪及鉆孔揭露，樁號(hào)97+283～97+353m，發(fā)育f1、f2擠壓破碎帶，寬約2～12m，產(chǎn)狀295°NE∠65°帶內(nèi)以擠壓碎裂巖為主，夾有糜棱巖和斷層泥，與洞軸線夾角約10°，對(duì)洞室穩(wěn)定影響較大。隧洞上覆巖體厚8～13m，洞身多位于弱風(fēng)化基巖內(nèi)，且有地下水，沿基巖裂隙面有滴水滲水現(xiàn)象。

3.常用免爆施工方法綜合比選

目前國內(nèi)免爆施工方法常見的主要方式為：①靜態(tài)破碎劑，②液壓劈裂技術(shù)，③液壓破碎錘，④懸臂式掘進(jìn)機(jī)，現(xiàn)對(duì)上述四種免爆施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

3.1免爆開挖方案綜合比選

思路 利用YT-28進(jìn)行鉆孔，將靜態(tài)破碎劑調(diào)成流動(dòng)狀漿體，注入鉆孔中，經(jīng)水化后，產(chǎn)生膨脹壓力將混凝土或巖石（抗拉強(qiáng)度為4～10 MPa）脹裂、破碎。分上下臺(tái)階開挖。 利用潛孔鉆機(jī)（或其他鉆機(jī)）預(yù)先在掌子面施打大于100mm直徑的空孔作為釋放孔，再利用YT-28手風(fēng)鉆打劈裂孔，然后將液壓劈裂機(jī)的分裂器塞進(jìn)劈裂孔中進(jìn)行破巖。 利用潛孔鉆對(duì)周邊輪廓線進(jìn)行鉆孔，控制開挖輪廓線，利用液壓破碎錘破巖，分上下臺(tái)階開挖。 采用機(jī)械破巖原理，上下左右連續(xù)移動(dòng)截割頭來完成破巖開挖工作，可用于任何斷面形狀的隧洞。分為上下臺(tái)階。

方案

優(yōu)勢(shì) 1、無需火工品供應(yīng)，無爆破飛石;

2、圍巖擾動(dòng)小，開挖輪廓線控制較為精準(zhǔn)，減少超挖量。 1、靜態(tài)破碎巖體，無震動(dòng)，無飛石，安全性高;

2、結(jié)構(gòu)小，重量輕，機(jī)動(dòng)性能好，使用方便。 單次破碎量可控制。

設(shè)備移動(dòng)靈活，操作方便。 1、圍巖擾動(dòng)小，可精確控制開挖輪廓線，減少超挖量;2、開挖效率與巖石強(qiáng)度有關(guān)一般為3～15m3/h;3、施工安全性高，靈活方便，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化施工作業(yè);4、超欠挖易控制、節(jié)約后續(xù)施工的混凝土噴射量，降低施工成本;

方案

劣勢(shì) 1、鉆孔數(shù)較多，工作量大，效率較低，需打100mm直徑以上的空孔作為自由面。

2、不適用于極低溫度施工和破碎巖體及裂隙發(fā)育巖體。

3、上臺(tái)階由于缺少自由面需要水平鉆孔，水平鉆孔時(shí)需要將流態(tài)的破碎劑事先裝在封閉的塑料膜袋中，再進(jìn)行填孔。 1、由于劈裂機(jī)的橫向擴(kuò)張有限，所以施打的劈裂孔的間排距很小約為30～50cm，所以鉆孔量較大，單次破碎量有限。需設(shè)置一排空孔作為臨空面。

2、適用于巖石完整性較好的脆性巖體，對(duì)于較為破碎巖體不適用。

3、由于單次破碎量小，施工效率較低。 1、為保證開挖輪廓線，減少巖石垮塌需要對(duì)輪廓線進(jìn)行鉆孔，鉆孔數(shù)較多，孔間距20～30cm，鉆孔工作量大。

2、易造成超挖，隧洞圓弧輪廓線不易控制。

3、無自由面時(shí)破巖開挖效率低。

4、受空間限制不夠靈活。 1、開挖過程遇到零星完整的孤石，巖石硬度較高，破巖難度大，截齒磨損量大，費(fèi)用高，開挖效率下降。

安全

性 反應(yīng)時(shí)間不易掌握，易沖孔;

圍巖暴露時(shí)間長，安全性差。 圍巖暴露時(shí)間長安全性差 由于對(duì)巖體擾動(dòng)大，容易產(chǎn)生局部跨石情況，安全性差 安全性高

3.2大管棚施工

根據(jù)地表測(cè)繪及鉆孔揭露，在樁號(hào)97+283～97+353m段發(fā)育f1、f2擠壓破碎帶，寬度2～12m，帶內(nèi)以擠壓破碎巖為主，加有糜棱巖和斷泥巖，斷層產(chǎn)狀295°NE∠65°，與洞軸線夾角約為10°，對(duì)洞室穩(wěn)定影響較大。為保證隧洞施工和高速公路運(yùn)行的絕對(duì)安全，在穿高速段40m增加Ф108大管棚超前支護(hù)。管棚施工范圍為洞頂120°～150°范圍內(nèi)擴(kuò)挖形成，擴(kuò)挖長度為4m，采取分臺(tái)階開挖方式。開挖完成后，立刻進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)形式為HW150型鋼拱架，間距為50cm，布系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)Ф8@200，噴C30砼20cm，二襯時(shí)對(duì)擴(kuò)挖洞室按原結(jié)構(gòu)混凝土回填。管棚為Ф108*6mm無縫鋼管，一次鉆進(jìn)長度為40m，管節(jié)之間采用套管絲扣連接，管節(jié)接頭錯(cuò)開2m，環(huán)向間距為30cm，外插角為3～5°，孔內(nèi)注漿采取水泥漿液注漿，水灰比為0.6：1～1：1，灌漿壓力為0.6～1.0Mpa。具體如下圖所示。

3.3預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)

3.3.1 預(yù)裂松動(dòng)爆破流程

具體施工流程如下：測(cè)量放線→小導(dǎo)管超前支護(hù)→預(yù)裂爆破→上臺(tái)階松動(dòng)爆破→上臺(tái)階懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖→上臺(tái)階出渣→上臺(tái)階支護(hù)→下臺(tái)階測(cè)量放樣→下臺(tái)階松動(dòng)爆破→下臺(tái)階懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖→下臺(tái)階出渣→下臺(tái)階支護(hù)。

3.3.2 ?施工方法

施工方法：采用上下臺(tái)階開挖方法，臺(tái)階開挖時(shí)，先對(duì)開挖輪廓線進(jìn)行預(yù)裂爆破，輔助增加相應(yīng)的空孔作為釋放孔，減少對(duì)周邊圍巖擾動(dòng);主爆孔采取少裝藥進(jìn)行松動(dòng)爆破，最大單響藥量控制在0.4Kg以內(nèi)，采用非電毫秒延時(shí)雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，孔間延時(shí)50毫秒，另根據(jù)懸臂機(jī)掘進(jìn)效率，單次鉆孔深度控制在1.0m以內(nèi)。

3.3.3 鉆孔與爆破

（1）鉆孔

鉆孔布置圖如下圖所示。

φ165mm的釋放孔采用CM351潛孔鉆造孔，φ42mm爆破孔采用YT28手風(fēng)鉆鉆孔。

（1）預(yù)裂孔

沿著開挖輪廓線設(shè)置預(yù)裂孔，預(yù)裂孔孔徑為42mm，孔距為0.5m，一次鉆孔深度為1.0m。單孔裝藥量為0.2kg。

（2）主爆孔

主爆孔孔間距的取值為1.0m，排間距為1.0m，可采取梅花型布孔，單孔藥量為0.4kg，同時(shí)應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)斷面的具體尺寸調(diào)整孔間距，以使布孔盡可能均勻。打孔時(shí)，孔間距誤差不能大于0.1m，具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)及起爆順序

裝藥，采用乳化炸藥，炮孔堵塞一般采用鉆孔巖屑、黃泥，采用木棍堵塞。各爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)見下圖。

炮孔應(yīng)按周邊預(yù)裂孔、第一排主爆孔、第二排主爆孔…的先后順序起爆。

3.4懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)

懸臂掘進(jìn)機(jī)通過前端的截割頭上下左右連續(xù)移動(dòng)切割磨削巖體。根據(jù)設(shè)備性能，截割破碎開挖均為上下臺(tái)階開挖，上臺(tái)階高度為5m，下臺(tái)階高度為5.07m，由于設(shè)備切割過程對(duì)巖石擾動(dòng)相對(duì)小，開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.8～1.2m。截割破碎效率約3～15m3/h。

巖體經(jīng)過切割破碎后，通過設(shè)備自帶的輸送鏈條和前部鏟板上的星盤渣土刮板器至運(yùn)輸系統(tǒng)，后可直接卸渣至自卸車內(nèi)，或堆積一部分后采用裝載機(jī)直接裝車運(yùn)出洞外，由于巖石切割過程中，大塊石隨節(jié)理面滑落造成無法及時(shí)運(yùn)至洞外，影響設(shè)備運(yùn)行，需配備一臺(tái)挖機(jī)及時(shí)清理大塊石。

另根據(jù)設(shè)備特性， 掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)要求1140V穩(wěn)定電壓，需要設(shè)置專用變壓器，變壓器容量可為1000/800/630KVA，高壓開關(guān)柜到變壓器一次側(cè)電力電纜，電纜耐壓為10KV，變壓器二次側(cè)輸出電壓為1.14KV。

4.結(jié)論及建議

結(jié)論：為保證工程建設(shè)節(jié)點(diǎn)工期實(shí)現(xiàn)，確保通過洞穿高速段109m安全高效地完成，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)過認(rèn)真分析研究，通過以懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖為主，同時(shí)輔以破碎錘和預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)相結(jié)合的開挖方法，提高了設(shè)備利用率，達(dá)到安全、高效、快速的目的;在資源配置、施工工藝、安全保障、施工工期、工程造價(jià)等諸多方面效益顯著。

建議：（1）根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，加強(qiáng)低溫季節(jié)洞內(nèi)保溫工作措施，保證混凝土初期強(qiáng)度，降低噴射混凝土的回彈量;

（2）根據(jù)揭露圍巖情況，采取合適的開挖方式，當(dāng)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度超過70Mpa時(shí)，對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒的消耗非常大，施工成本增加較大，進(jìn)尺慢單純懸臂掘進(jìn)機(jī)施工不經(jīng)濟(jì)，可輔以欲裂松動(dòng)爆破，再進(jìn)行掘進(jìn)效果較好;懸臂掘進(jìn)機(jī)更適用于巖石強(qiáng)度小于70Mpa地層。

（3）大重型鋼拱架安裝，需采用機(jī)械設(shè)備和工裝手段配合，不但能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，而且安全性高;

（4）對(duì)于淺埋破碎巖體隧洞施工，應(yīng)加強(qiáng)與路政管理部門、交通管理部門、公路管理部門的溝通與協(xié)調(diào)，做好相應(yīng)的交通應(yīng)急預(yù)案和道路導(dǎo)改方案，防止意外情況的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊輝斌《懸臂掘進(jìn)機(jī)部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)法在隧洞開挖施工中的應(yīng)用》水利科技. 2021，（03）.

[2] 黃基富 肖功夷《懸臂掘進(jìn)機(jī)在交通隧道施工中的實(shí)踐應(yīng)用與適應(yīng)性研究》現(xiàn)代隧道技術(shù). 2021，58（02）

[3]徐仁軍《懸臂式掘進(jìn)機(jī)在軟巖隧洞開挖中的應(yīng)用》小水電. 2021，（01）

作者簡介：楊建春、1983.03、男、民族：漢、籍貫（山西省霍州市）、學(xué)歷：本科（學(xué)士學(xué)位）、職稱：工程師、研究方向： 隧道工程師要?jiǎng)??1983.07，男，漢，河南省漯河市，本科，高級(jí)工程師，研究方向：隧道工程