花石沟炭质片岩隧道弱爆破与机械联合开挖法

姜 贵，马建军，蔡路军

(武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065)

花石沟炭质片岩隧道弱爆破与机械联合开挖法

姜 贵，马建军，蔡路军

(武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065)

在十白高速花石沟隧道的施工过程中，遇到了大面积的炭质片岩，其强度低、风化快、易吸湿、变形大，采用普通隧道爆破技术和开挖施工工艺时，超挖现象普遍，支护变形严重。本文应用FLAC3D软件进行炭质片岩隧道拱顶沉降数值模拟，得出其流变变形规律，为支护设计和施工工艺优化提供了依据。根据花石沟隧道的实际情况，提出了弱爆破与机械联合开挖方法，其主要技术措施包括：下台阶分区作业；小进尺，快初支；预留吸水软化层；减弱爆破设计；缩短二衬间隔。工程实践证明，该方法有效控制了炭质片岩隧道施工中的超挖现象和支护变形。

隧道施工；炭质片岩；爆破开挖；弱爆破；支护；岩体流变；数值模拟

1 问题的提出

花石沟隧道是十白高速(湖北十堰至陕西白河)众多大断面公路隧道之一，其出、入口均位于湖北省十堰市郧县境内。隧道穿越秦巴山区的大巴山和秦岭挤压带、断裂带，地质状况极为复杂，特别是在隧道施工中出现的连续几百米的炭质片岩段，给整个工程带来了新的难题。花石沟炭质片岩的岩性差，岩体强度低，炭化、片理化现象明显，其软弱破碎、变形大的特性在国内隧道工程中也属少见[1]。该岩段采用普通爆破法开挖时，超挖现象普遍，严重时甚至发生大块整体垮落的塌方事故。此外，由于炭质片岩变形持续时间长，围岩稳定性差，开挖后尽管按常规进行了较强的初期支护和二衬，隧道仍会出现较大变形，部分区域初支开裂，钢架扭曲、变形、侵限，不得不反复进行大量拆换加固，严重影响了隧道施工安全和施工效率。为解决这一问题，需寻求适合炭质片岩特性的隧道开挖方法。

2 炭质片岩特性对隧道施工的影响

花石沟隧道为平行左右双洞，长两千多米，岩性复杂多变，从硬质到软质各级围岩均有，其中III级围岩占68.6%，IV级围岩占23.6%，V级围岩占7.8%。炭质片主要赋存于IV级软岩中，基本成分为石英和云母，其强度低、性脆，为片状构造，开挖并与空气接触后风化速度快，亲水性较强，透水性弱，在浸水后极易发生塑性变形，甚至产生流变。花石沟炭质片岩的主要物理力学参数如表1所示。该隧道普通IV级围岩为强～弱风化中元古武当山群片岩，主要为辉绿岩和片麻岩，裂隙较发育，其主要物理力学参数见表2。

比较表1和表2可知，与普通IV级软岩相比，炭质片岩的力学性能要差很多，其特有的岩性以及对隧道施工的直接影响主要包括以下几点[2-4]。

(1)密度大、强度低。花石沟隧道炭质片岩的测试强度虽然较低，但在高地应力和封闭条件下其密度大、整体性好，抵抗外力破坏的能力仍然很强。隧道开挖工作面小，炭质片岩暴露面积少，应力释放十分有限，因此直接采用机械设备开挖的难度大、效率低，仍需要用爆破方法开挖。但如果爆破强度太大，又会对围岩造成一定的破坏而影响隧道的稳定性。

(2)易吸湿、软化快。在炭质片岩中开挖隧道，应力得到释放，隧道周边形成一定厚度的卸载松动圈，裂隙、微裂隙充分发育，围岩强度急剧降低，遇水或吸收空气中的水分后膨胀并快速软化变形，甚至出现崩解垮落，致使隧道边墙内挤、拱顶开裂下沉。吸水膨胀岩块在自重作用下掉落，造成超挖，严重的甚至发生大面积整体垮落的塌方事故。即使有后续支护，持续、较大的围岩膨胀压力也会作用于初支系统，使其产生变形，甚至被破坏。

(3)分布不均、软硬并存。炭质片岩生成形态无规律，出露面积不定，有时占整个掌子面面积的90%以上，有时只占20%左右，因此在一个掌子面上软、硬岩并存。用爆破法开挖时，如果按非炭质片岩进行爆破设计，爆破作用太强，会使炭质片岩部分的隧道周边围岩受到较大破坏，易产生超挖；而按炭质片岩进行爆破设计，爆破作用又可能太弱，会使非炭质片岩部分无法崩掉，出现欠挖。

3 炭质片岩隧道的流变模拟

本文采用FLAC3D软件进行数值计算[5-7]，模拟炭质片岩隧道开挖一段时间后拱顶沉降位移的变化，以获得隧道的流变变形规律，为开挖支护方案制定、爆破进尺设计、各工序工期安排等提供依据。根据花石沟隧道的现场监测数据，选择反映岩石流变特性的西原本构模型进行数值模拟计算。依据现场地质资料和相关文献[1，8-9]，得到炭质片岩的西原模型力学计算参数，如表3所示。初支和二衬混凝土的强度等级分别为C25和C30，其性能参数见表4。

考虑两种工况进行建模计算：

(1)隧道全断面开挖，无支护。图1为此工况下60 d内隧道拱顶沉降位移曲线。由图1可见，在无支护情况下，隧道开挖后拱顶2 d沉降近30 mm，10d累计沉降约128mm，日均沉降约12.8mm；14 d后，隧道拱顶进入稳定蠕变期，日均下沉量约为4.39 mm。随着时间的推移，拱顶沉降量仍不断增大，隧道围岩可能进入不可控的加速变形阶段，直至出现垮落塌方。

Fig.1 Subsidence displacement curve of unsupported vault

(2)隧道台阶法开挖，依次上初支、二衬。根据现场工序安排和工期，模拟设定为：上台阶开挖后随即初支，2 d后发挥作用；接着下台阶开挖，分区进行，5 d完成，随即初支，3 d后发挥作用；然后再上二次衬砌，20 d后二衬发挥作用。图2为此工况下60 d内隧道拱顶沉降位移曲线。

由图2可见，台阶法开挖前两天隧道无支护，拱顶变形很快；两天后加上初支，拱顶沉降趋缓，表明初支很好地抑制了隧道拱顶变形；第7 天，下台阶开挖完成，初支合围封闭，第10天起作用，拱顶变形进一步明显趋缓；二衬在第20天发挥作用后，再次抑制了隧道变形，使拱顶沉降逐渐趋于收敛。60 d内拱顶沉降量最大为157 mm，日均下沉量约为2.6 mm。

通过模拟结果比较可知：①初支对炭质片岩隧道流变变形起到了很好的约束作用，越早初支越有利于隧道变形控制；②下台阶初支未完成前，拱顶沉降速率再次增大，当上、下台阶初支闭合成环并发挥作用后，拱顶沉降速率明显减小，因此采用台阶法开挖时应尽早完成环形封闭支护；③二衬后，拱顶沉降速率又得到降低，沉降变形趋于收敛，可见二衬进一步抑制了围岩的流变变形，同时对初支起到了加强与保护作用。

4 炭质片岩隧道的开挖方法

根据上述分析，炭质片岩隧道一旦开挖，初支和二衬都要尽快跟上，尽量缩短炭质片岩在空气中的暴露时间，及时形成封闭成环的支护系统，以利于抑制隧道变形。同时，普通法爆破对炭质片岩隧道周边保留围岩的作用太强、扰动太大，削弱了其自承载能力，且开挖量过大、清渣时间长，也迟滞了后续工艺的跟进，不利于抑制围岩和支护的变形。

为适应炭质片岩特性，经过研究和现场试验，提出了弱爆破与机械联合开挖法。在已实施的普通IV级围岩隧道爆破设计基础上，先后进行了两个改进方案的现场试验。各方案的主要参数见表5。

方案一：减弱装药，小进尺，半断面上、下台阶开挖。

方案二：预留软化层，下台阶分区作业，爆破与机械联合开挖。

方案一主要以减弱爆破和减少一次爆破量为设计思路。爆后观察可见，隧道轮廓不平整，有部分欠挖现象，分析其原因为周边孔间距过大。此外，清渣结束立即进行初支，此时隧道周边围岩已明显出现一定深度的受潮膨胀岩层，尤其下台阶清挖完成后，由于地下渗水作用，下台阶比上台阶受潮深度明显增大，使初支质量受损。为此提出改进方案二。

方案二采用弱爆破与机械联合开挖法。由于周边孔增多，爆后基本沿炮孔连心线贯通形成开挖轮廓。设置吸水软化预留层，挖机清挖后几乎是在新鲜岩面上喷锚初支，尤其下台阶分两区作业，缩短了下台阶初支时间，使初支质量明显改善。但本次试验预留层过厚，挖机清挖效率太低，使初支岩面暴露时间仍然过长。

经试验结果分析比较，确定修正后的花石沟隧道弱爆破与机械联合开挖法的主要施工技术为：

(1)下台阶两作业区开挖。将开挖断面分为上下两部分(花石沟隧道净宽10.25 m，净高5 m)，上台阶高度3 m，下台阶高度2 m，开挖顺序为先上后下；上台阶全断面推进，下台阶左右两侧分开进行，轴向错开间距大于2 m，单侧掘进长度小于2 m；上、下台阶开挖间距控制在10～15 m。这样可减小炭质片岩暴露面积，缩短清渣工期，加快初支。

(2)小进尺，快初支。花石沟隧道普通IV级围岩一次爆破循环进尺为1.5 m, 在此基础上炭质片岩隧道爆破开挖进尺减小20%，为1.2 m，从而可以减少一次爆破用药量，减轻爆破对保留围岩的扰动与破坏，同时可减少一次爆破的破岩量，以便快速清渣。

(3)预留吸水软化层。周边孔内退，距设计轮廓线20～30 cm布孔，预留吸收空气水分的软化层，留待爆后挖机挖掘到位，同时也减少了爆破破岩量。

(4)减弱爆破设计。在普通IV级软岩隧道爆破设计基础上，减小爆破强度。主要调整参数包括：①炸药单耗减小20%～40%，以降低爆破作用强度；②周边光面孔间距减小到25 cm，加密周边孔，减少每孔装药量，减弱爆破作用，强化孔间导向和贯通作用，以减少超挖，其他部位的布孔方案不变；③光面层厚度随光面孔间距减小，取为35 cm。

(5)分区设计，各有适应。当掌子面出现既有炭质片岩也有非炭质片岩的情况时，应分别设计。首先在隧道断面图上将炭质片岩区域和非炭质片岩区域标出，各区域按不同要求分别进行爆破设计；在两区域交界处，炮孔装药按炭质片岩减弱爆破设计，即减少装药量。炮孔布局如图3和图4所示。

(6)挖机修边，随即初支。爆破后，预留层受到损伤，在爆堆挖运时易吸收空气中的水分而软化。挖机清完爆堆后，从正面沿设计轮廓线用铲齿切入挖掉预留层，形成隧道设计周边轮廓。两边墙低矮处，可人工用铲清挖到位。修整完后立即喷混凝土，初支封闭新挖面。

(7)隧道完成一个循环进尺的开挖、初支后，及时进行仰拱封闭。仰拱与开挖掌子面距离不超过10 m，仰拱及仰拱填充砼须架设栈桥全幅浇注。二衬也必须及时跟上，二衬与开挖掌子面距离不超过30 m。凡是仰拱及二衬没跟进的隧道，必须停止掘进。

在花石沟炭质片岩隧道开挖过程中，弱爆破与机械联合开挖法取得了比较好的应用效果，控制了围岩变形，减少了初期支护开裂，保证了工程进度，为炭质片岩隧道的施工提供了一种新的技术方案。

5 结论

(1)通过对炭质片岩隧道的流变规律模拟计算得出：①隧道开挖后的及时初支对隧道流变变形的约束作用十分明显；②采用台阶法开挖时应尽早完成环形封闭支护；③及时的二次衬砌进一步抑制了隧道的流变变形，同时对初支起到了加强与保护作用，使得拱顶沉降趋于收敛。

(2)针对炭质片岩特性，采用弱爆破与机械联合开挖法进行隧道施工，可有效减少超、欠挖现象并能抑制支护隧道的变形。

(3)采用挖机清挖预留层时，对挖机操作技术要求较高，实际作业有一定难度。

(4)小进尺、快初支的施工技术要求使生产组织的难度加大。

[1] 中国科学院武汉岩土力学研究所.十白高速花石沟隧道炭质片岩区域地质情况及监控量测[R].十堰：湖北十白高速公路建设指挥部，2011.

[2] 邵大鹏.软岩大变形隧道成因分析及控制施工技术[J].四川建材，2013，39(3)：136-138.

[3] 陈花顺.新蜀河隧道炭质片岩变形特性与支护设计[J].中国铁路，2010(5)：34-36,59.

[4] 杜雁鹏.软质板岩隧道大变形力学行为与控制技术研究[D].长沙：中南大学，2011.

[5] 王芝银，李云鹏.岩体流变理论及其数值模拟[M].北京：科学出版社，2008.

[6] 陈育明，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[7] 孙书伟，林杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[8] 贾伟.佛岭隧道破碎带围岩蠕变变形规律研究[D].北京:北京交通大学,2010.

[9] 刘钦.炭质页岩隧道软弱破碎围岩大变形机理与控制对策及其应用研究[D].济南:山东大学,2011.

[责任编辑 尚 晶]

Weak blasting combined with machine excavation for construction ofHuashigou Tunnel with carbonaceous schist

JiangGui，MaJianjun，CaiLujun

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

A large area of carbonaceous schist was met with in the construction of Huashigou Tunnel on Shiyan-Baihe Expressway. Carbonaceous schist has the properties of low strength,rapid weathering,high hygroscopicity and large deformation. The common construction technology of tunnel blasting and excavation would cause the overbreaking of the tunnel and serious deformation of the supports. This paper uses FLAC3D software to simulate the vault subsidence of carbonaceous schist tunnel and obtains its rheological deformation law, which provides a basis for the supporting design and the optimization of construction technology. According to the actual situation of Huashigou Tunnel, it puts forward a method of weak blasting combined with machine excavation. The main technical measures are as follows: partition constructing in the lower section of the tunnel; small digging length, rapid preliminary supporting; reserved water-absorbing softened layer; weak blasting; shortening the time interval of the secondary concrete lining. The construction practice proves that the proposed method can effectively control the overbreaking of tunnel with carbonaceous schist and the deformation of supports.

tunnel construction; carbonaceous schist; blasting excavation; weak blasting; support; rock mass rheology; numerical simulation

2015-06-08

湖北省教育厅科学研究计划重点项目(D20151105).

姜 贵(1988-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail:1025963187@qq.com

马建军(1957-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail:wkdmjj@163.com

TD235.1

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1674-3644(2015)05-0396-05