大跨度隧道全断面开挖施工

段杰(山西路桥第一工程有限责任公司)

大跨度隧道全断面开挖施工

段杰
(山西路桥第一工程有限责任公司)

摘要:通过大瑶山隧道施工，详细介绍了隧道里程长、断面大的施工方法。

关键词:隧道;里程长;断面大;施工

中图分类号:U445

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)07－0137－02

收稿日期:2014－11－03

作者简介:段杰(1980－)，男，山西阳曲人，工程师。

1　工程概况

大瑶山隧道长14.295 km，围岩Ⅲ－Ⅳ类，开挖断面80 ～120 m2，针对此隧道里程长、断面大、工期短，在施工中打破常规应用十项科研关键技术成果，做出了许多新的尝试和突破，发展、改变了近百年来修建隧道的传统方法。全面应用新奥法原理指导施工;成功地进行了硬岩深孔爆破和软岩全断一次成型爆破;首次运用了光电测距导线和光电三角高程控制测量新技术进行隧道控制和竖井投点;成功的进行了27.6 km独头巷道的施工通风;第一次大规模的应用带塑料板的复合衬砌技术，发挥了围岩的承载能力，创造了大的施工空间，解决了隧道漏水问题;全面采用大型机械化进行全断面施工，形成了破岩装运、支护、衬砌三条卓有成效的机械化作业线，创造了较高的施工速度，最高单口月成洞217双线米，全隧道平均单口月成洞99.2双线米，通过地质恶劣的长465m的F9断层带，单口月平均开挖19.75双线米;施工中采用各种超前地质预报;多种注浆加固围岩及堵水;全面进行施工监控量测，信息反馈技术。从而，大大改善隧道施工作业环境，为安全快速施工，提高工程质量提供了技术保证。使该隧道施工技术成为我国隧道建设史上一个新旧方法的转折，开创了隧道施工采用新方法、新技术、新设备、新工艺的成功模式，并制定了各种施工工艺操作细则及标准，取得了很好的经济和社会效益。

2　施工方法

2.1全面应用新奥法原理指导施工

(1)采用五米深孔光面爆破，解决了深孔掏槽、克服管道效应、非电起爆、爆破振动监控量测、周边预裂光爆等系列技术问题;通过优选爆破器材和选择合理爆破参数等，使炮眼利用率平均95%以上，炮眼痕迹保存率达70%左右。

(2)监控量测技术、数据处理方法和信息反馈的判断准则技术用于施工，使一切施工管理、施工方法用数据说话，保证了隧道施工的安全作业。

(3)初始应力场及二次应力场的量测技术，超前15 m声波探测光谱显微构造分析，结合洞内素描，赤平极射投影技术，进行了准确的地质预报，其准确率达80%左右。

(4)采用喷锚支护复合衬砌结构，其外层用锚杆喷射混凝土初期支护，内层模注混凝土作二次衬砌，两层间设置塑料防水层。

(5)大型机械化快速配套施工，成功地建立了凿岩装碴运输、混凝土锚喷支护和二次衬砌三条机械化作业线，使单口开挖月进尺最高达到203 m，平均月进尺187 m，混凝土衬砌施工最高达300 m/月进尺。

(6)隧道长距离(2 763 m)独头无轨运输施工通风的成功，可减少一条平行导坑的工程。

(7)通过F9断层严重地层破碎带，采用的周边浅孔预注浆堵水、加固地层技术。

(8)控制精密测量技术，使14.295 km隧道贯通误差精度横向17.3 mm(限制±400 mm)，仅为限差的4.4%，高程误差4.6 mm(限差±50 mm)，仅为限差的9.2%。

(9)隧道做到安全施工，死亡率为0.57人/km。

3　施工要点及注意事项

3.1深孔掏槽技术

(1)隧道掘进深孔爆破主要取决于大直径深孔掏槽是否成功，本工法采用直眼掏槽，掏槽面积1 100 mm×1 100 mm，掏槽形式有以下几种。

①单临空孔掏槽，适用于3.0 m以下浅孔爆破。

②双临空孔掏槽，适用于3.0～3.5 m爆破效果最佳。

③三临空孔掏槽，适用于3.5～5.15 m爆破中应用。

(2)当临空孔直径为102 mm，孔间距在70～150 mm掏槽抛掷效果最好，临空孔与装药炮眼间距150～180 mm(裂隙发育时采用250～300 mm)。

(3)装药参数:使用大药卷Ф= 42 mm一号抗水硝铵炸药或Ф=40 mm乳胶炸药集中装药，掏槽效果良好。

(4)掏槽炮眼起爆的合理间隔时间:在深孔爆破中，掏槽孔起爆间隔50～75 mm，采用段数越多越好，让每一炮段都单独顺序起爆，槽腔逐渐扩大，一掏到底。

(5)掏槽位置:一般设在隧道中心线偏左或偏右位置。如设在中心线上最理想，但当钻孔台车在隧道中间钻孔时，其左右两臂工作的界限位置在隧道中心线上，掏槽在隧道横断面中间，就需要两臂共同完成掏槽钻孔，操作困难，布眼不易准确。

3.2全断面深孔预裂爆破

(1)Ⅳ～Ⅵ类围岩5 m预裂爆破中，采用三临空孔直眼掏槽，临空直径ψ102 mm。

(2)周边眼间距E =45～50 cm，相对距离E/W取0.6－0.7(W为周边最小抵抗线长度)，装药结构用Ф35 mm，长165 mm药卷，装药集中度为0.3～0.35 kg/m，不偶合间隔装药，不偶合系数1.37，为克服管道效应可用高爆速(5 000～6 000 m/s)炸药，并在各卷炸药间串联传爆线，让药卷架空于钻孔中间。另外适当采用底集中装药2～4卷，每隔3～5个炮眼布置一个崩落眼集中装药。周边眼起爆时间采用即发雷管或段毫秒雷管首先起爆与段掏槽起爆相配合。

3.3全断面深孔光面爆破

(1)掏槽眼:采用三临空孔直眼掏槽，直径为Ф102 mm。

(2)周边眼:周边眼间距50～65 mm，一般按相对距离E/W =0.8，用Ф35 mm小药卷间隔装药，装药集中度为0.20 ～0.25 kg/m。

(3)起爆顺序:由里向外层层爆破，掏槽眼起爆雷管段，扩槽眼为辅助段，周边眼为最后起爆段。

3.4全断面深孔钻爆作业

(1)钻孔前，测量中线水平，将拱顶两侧起拱线及轨面

线位置控制准确，将设计炮孔布置在开挖面上。

(2)钻孔:钻孔台车轴线与隧道中线平等，要求精确就位，按设计画定的位置和炮眼顺序进行钻孔，避免漏钻和台车臂互相干扰，钻孔深度5.15 mm，直径Ф48 mm，掏槽临空孔三个Ф102 mm(由Ф48 mm扩大为Ф102 mm，有条件也可一次钻成直径Ф102 mm的底孔)。

(3)装药爆破。

①备足计划装药量和各种爆破器材，周边眼在洞外加工好竹片，串装药串。

②装药前先用高压风装孔中岩粉吹净。

③人工装药先上后下，先两侧后中间。每孔装药后用炮泥堵好，炮泥长不少于20 cm。

④连线起爆:整个掌子面导爆管分六束，分别捆绑于同段雷管上(为保险起见每束安两个同段雷管最好)，最后再把六束导爆管并联捆扎在一个雷管上，留足导爆索长度，检查好安全再行起爆。

(4)通风找顶。

①当隧道进出口采用无轨运输，初期阶段(掘进1 370 m)用两台MFA100P－SC型风机分散串联在Ф1 200 mm铁风管上进行压入式通风，后期增加一根Ф1 200 mm铁风管至模板台车处，同时向洞内压风。

②在有平导地段，用巷道式通风(平导进风，正洞出风)。平导以后地段仍然采用风管压入式通风。

③斜、竖井到达井底后，采用上半断面开挖，有轨运输，可用压入式混合式通风，风管直径Ф1 000 mm铁皮风管。

④通风管理。

a当施工方法发生改变或两工区之间贯通，对原通风布局及时进行调整、改进。

b当风管有效范围达不到掘进工作面时，应按长风管，使掌子面一带通风良好。

c衬砌台车移动前，拆除前后风管，移动后及时接通前后风管。

d维护好风管，处理漏风，保养、维修风机，定期进行通风检测。可用现场实测方法查明炸药在双线隧道中爆破时的抛掷长度，CO发生量及沿隧道纵向分布规律，测定无轨运输柴油机废气的分布规律和无轨运输时通风量指标。

⑤爆破后先通风，掌子面基本没有炮烟，人员才能进入掌子面把危石撬掉，再用高压水冲选开挖面除尘。

(5)喷混凝土支护:隧道喷射混凝土采用双水环喷头国产PH－30型或转子型喷射机，人工对开挖面拱部进行一次喷射混凝土。RODOT－75喷射机械手和B1.5－4.0喷射三联机配套用于出碴后，拱部二次复喷和边墙的混凝土喷射作业。

(6)用侧卸式2.6～2.8 m3斗的装载机装碴，12～20 t自卸汽车运输出碴。

3.5二次混凝土衬砌施工

(1)要求混凝土工厂和混凝土输送车的输送能力与混凝土泵的灌注能力相匹配。

(2)混凝土自进入搅拌输送车至卸料时间不超过初凝时间，混凝土输送过程中要保证不发生离析，若运至灌注地点的混凝土有离析现象时，在灌注前须进行二次搅拌。

(3)模板台车每次移位前，在准备衬砌部位的两侧边墙下方须预先灌注墙基混凝土，高度为700 mm，并沿隧道方向每隔1 500 mm，预埋地脚螺栓，以便固定钢模板的最低边缘。实施中常因预埋地脚螺栓位置偏移，很难与模板最下边缘孔对好，为防模板走动用加设横撑办法解决。

(4)隧道衬砌封顶采用钢管压注法，选择合适的混凝土塌落度，仍从拱部的灌注口压注封顶。

(5)混凝土脱模强度必须达到2.5 MPa，一般情况下需养扩17 h以上方准拆模。

3.6量测项目的确定和布置

(1)监测项目见表1。

表1　监测项目

(2)量测布点见表2。

表2　量测布点

(3)量测频率见表3。

表3　量测频率

(4)围岩稳定性判别。

①根据实测位移值或预测最终位移来判别，见表4。

表4　

②根据位移变化速率判别:当净空变化速率大于10 mm/d时，需加强支护系统，当净空变化速率小于0.2 mm/d时，则认为基本稳定。

③根据位移－时间曲线的形态判断:当围岩变化速率下降时，围岩趋于稳定。若变化速率保持不变时，应加强支护系统。当变形速率不断上升时，表示已进入危险状态，必须立即加强支护系统。

3.7控制测量

(1)光电测距精密导线网取代传统的三角网作为洞内外的平面控制。

(2)沿导线点采用光电测距三角高程方法控制隧道高程。

(3)在竖井联系测量中，利用光学投点，光电测距仪导入高程和运用GAK－I型陀螺经纬仪测量井上下联系边的空间投影，几何平面角传递坐标方位。

(4)用数理统计处理观测数据。

4　结论

大瑶山隧道的施工模式，合理选择支护结构参数和型式，适用不同地质条件的施工方法、施工工艺和施工设备的选型配套等，已形成一套工法。这套工法已在类似隧道中全面推广应用。