双侧壁导坑法开挖小净距大断面软岩隧道施工控制

傅志勇

（中南建设集团有限公司，湖南长沙410015）

双侧壁导坑法开挖小净距大断面软岩隧道施工控制

傅志勇*

（中南建设集团有限公司，湖南长沙410015）

对于大断面软岩隧道施工，常规的台阶法开挖，极易造成拱顶大面积暴露、松动导致坍塌。小净距隧道开挖由于爆破产生的地震波的影响，先行洞衬砌拱顶主要为横向拉伸破坏，容易出现纵向拉伸裂纹；迎爆侧边墙衬砌呈现先拉伸后压剪破坏；仰拱拉伸破坏。针对该类情况采用双侧壁导坑法施工，双侧壁导坑法开挖断面能最大限度地保证施工安全。

小净距；大断面软岩；隧道；双侧壁导坑法；施工控制

在交通隧道工程修建过程中由于特殊地形条件，出现大量小净距隧道，它是介于普通分离式隧道与连拱隧道的一种新型隧道结构形式，不受地形条件以及总体线路的限制，又较连拱隧道施工工艺简单、易于防水处治、造价易于控制，得到了广泛的应用。但是对于小于1倍洞径的小净距隧道，爆破动荷载极易导致先行洞衬砌开裂、剥落等危及结构整体稳定性和行车安全等问题。后行洞开挖爆破产生的振动对先行洞衬砌迎爆侧大于背爆侧，迎爆侧边墙影响程度最大，拱顶次之，仰拱最小。

湘潭市昭山大道虎形山隧道工程为分离式小净距大断面隧道（小净距间距约为15m）。隧道净宽15.125m、净高7.815m。针对Ⅴ级围岩浅埋地段，设计采用双侧壁导坑法施工。双侧壁导坑法能够最大限度地保证施工安全，适应于大断面的软岩隧道。同时，严格控制超挖量，使隧道轮廓符合设计断面要求，围岩保持稳定。

1　工序概况

Ⅴ级围岩隧道开挖，由于岩（土）质较差，节理发育，基岩裂隙较多，还有偏压、浅埋等诸多不利因素，而大断面隧道断面面积都在100m2左右或以上，常规的台阶法开挖极易造成拱顶大面积暴露、松动导致坍塌，此类情况均采用双侧壁导坑法设计。

双侧壁导坑法属于新奥法的一个分支，就是把一个大断面分割成2个对称的导坑和若干个独立的小断面，导坑断面近似椭圆，周边轮廓圆顺，避免应力集中，初期支护采用格栅钢架、挂网、喷混凝土柔性支护体系，辅助以一些必要的临时支护措施，及时施作，使断面及早闭合，以充分利用围岩的自承能力，控制围岩变形。

双侧壁导坑法一般将断面分成几块，左右侧壁导坑，上部核心土，下台阶，底拱。

2　双侧壁导坑法的施工工艺

2.1开挖方式

（1）如遇特殊岩层，可采用人工预裂爆破，预裂爆破采用侧壁导坑掏槽，爆破时从周边眼开始，由外向内爆破，使开挖断面产生贯通裂隙，再用机械开挖。

（2）开挖时遇至顽石、较大的孤石，可用风镐将其击碎，或采用松动爆破，由挖掘机进行清除。

（3）机械开挖时注意，严禁机械锤击岩体，以免机械对岩体特别是拱顶部位产生较大的扰动。遇到机械不易开挖的岩石，要人工辅助破碎开挖。

2.2爆破工艺

（1）炮眼深度L。炮眼深度主要受爆破地震动强度控制，按照爆破部位适当调整设计炮眼。Ⅴ级一般为0.5～0.8m。

（2）炮眼数目N。炮眼直径42mm，每次开挖面积为13.50m2，单位面积钻眼数为1.5个（未包括光面爆破炮眼）。

（3）炮眼布置。沿爆破轮廓设置光面爆破眼间距：E=（8～12）d（d为炮眼直径），炮眼间距40～50cm，炮眼42mm，能满足E值要求。抵抗线：W=1.0～1.5，装药集中度q控制在0.1～0.15kg/m之间，周边眼可适当增加数量，减少间距和单孔装药量。或采用隔孔装药，炮眼间距25～30cm，装药集中度取小值q=0.1kg/m。

掏槽眼采用复合式楔形掏槽，左右侧壁导坑中心布置，掏槽面积为2m2，中央可根据实际情况布置中空眼，达到最佳的掏槽效果。掏槽眼外设椭圆型号辅助眼（扩槽眼），辅助眼中心位于掏槽眼眼中心，扩大掏槽面积。

掘进眼循环进尺根据开挖部位来确定爆破强度，由于隧道Ⅴ级围岩岩质较易开挖，所以采用较大的系数W=15～18d。

（4）单眼装药量的计算。通过下式可计算出其它炮眼的装药量。

q=k·a·W

式中：q——单眼装量，kg；

k——炸药单耗，kg/m3；

a——炮眼间距，m；

W——炮眼爆破方向的抵抗线，m。

（5）炮眼堵塞。采用炮泥（组分：砂∶粘土∶水=3∶1∶1）堵塞炮眼，可使炸药在炸药在受限的情况下作充分爆破应力提高能量利用率，所以堵塞长度应在20cm以下。

（6）爆破器材的选择。炸药：采用二号岩石销铵炸药，四周采用直径为2.5mm小药卷炮眼，其它炮眼采用32mm的标准药卷。雷管：孔外通过大雷管起爆，连接件和孔内都采用非电毫秒雷管（1～15段）。为避免爆破时冲击波的叠加，选择非电毫秒雷管时选用段间隔75ms以上的各段雷管（1，3，5，7，9，11，13，14，15共8种段别的非电毫秒雷管）。导火索及导爆索：火管雷采用导火索引爆，周边炮眼成隔装药采用导爆索传爆。

（7）装药结构。掏槽眼和底板眼采用反向起爆，周边眼采用间隔不偶合装药形式，使导爆索连接各药卷。采用雷管分段控制和孔外微差爆破相结合的方法减少单段起爆药量和起炮次数。

2.3爆破安全验算

根据地质、围岩、断层情况，减少对跟进施工的隧道二次衬砌的破坏影响，振速控制在2cm/s。

Q=k′/R3（Vkp/k）3/a

式中：Q——最大一段允许用药量，kg；

Vkp——振动安全速度，ngs；

R——爆源中心到振速控制点的距离，m；

k——与爆破技术、地震波传播途径介质的性质有关的系数，取160（测定值）；

k′——不同的减震措施、爆破临空面的数量；

a——爆破振动衰减系数，取1.8（试验测定值）。

（1）爆破飞石的影响，因为隧道各部位采取的交叉施工，在很大程度上隧道会受到爆破飞石的破坏，所以爆破飞石的处理是开挖的重点。一般通过弱爆作业，采用科学的爆破顺序进行控制，特别开挖的过程中上部有临时钢支撑，爆破时应注重起爆顺序的控制，这样，上部临时钢支撑不会受到太大的影响。

（2）炮眼利用率。进行爆破设计时，掏槽眼增加减震孔，周边眼增加导向孔，隔孔装药，能使炮眼利用率得到提高。

（3）改进措施。如果Ⅴ级围岩比较破碎复杂，埋层浅，Ⅴ级施工时可在开挖的周边眼及开挖面增打减震孔，其它可超过130mm，以起到良好的减震作用。

3　爆破方案设计及控制

为使隧道轮廓符合设计断面要求，围岩保持稳定，为后续支护衬砌施工创造舒适安全的条件，大大减少了岩石超挖量、出渣工作量、及砼回填量，提高了施工速度，降低工程成本，采用光面爆破施工。

光面爆破作用机理是炸药爆破时产生的冲击波和高温高压气体作用在眼壁上，炮眼周围的岩石受到强烈压缩而破碎与此同时形成的压缩应力波向四面八方传播，最后形成相互作用的爆破漏斗，当爆破参数选取合理隧道外轮廓面将形成连续的光滑壁面。影响光面爆破效果有以下因素：

（1）隧道围岩地质构造影响。根据有关研究表明工程地质状况对光面爆破效果影响极大，在相同爆破条件下f值越高，整体性越好，光爆效果越好，反之则光爆效果较差。

（2）炸药种类及装药方法影响。要实现光面爆破，应选用爆速低，密度小，爆力大的炸药。炸药采用小直径药卷增大不偶合系数。装药集中度应控制在0.1～0.15kg/m，过大易破坏光爆壁面，过小则爆不下来。

（3）爆破起爆顺序、起爆方法及装药结构及堵塞质量影响。

（4）钻机类型及布孔、钻孔精度影响。

钻机尺寸大小直接影响到周边眼的外插角在两排炮眼衔接处是否能够连通，不形成台阶。钻孔时尽量减小开眼误差及钻眼角度误差。

3.1施工方法及顺序

施工中严格按照设计要求，遵循新奥法施工原理，软弱地质洞身开挖应坚持：短进尺、弱爆破、强支护、早衬砌、勤监测的原则；加强施工过程的监测，确保施工安全，施工中如遇实际围岩级别与设计资料不符，应及时与监理、设计单位联系，调整施工方案，确保开挖安全、顺利进行；隧道中停车段，配电室等待隧道开挖成型后，再进行扩挖。

双侧导坑法进行爆破开挖的施工顺序：

（1）左侧上导坑爆破开挖，左侧上导坑初期支护及临时支撑；

（2）左侧下导坑爆破开挖，左侧下导坑初期支护及临时支撑；

（3）右侧上导坑爆破开挖，右侧上导坑初期支护及临时支撑；

（4）右侧下导坑爆破开挖，右侧下导坑初期支护及临时支撑；

（5）拱部及核心土石第一次开挖，拱部初期支护及水平临时支撑；

（6）核心土石第二次开挖，使初期支护封闭成环；

（7）仰拱钢筋混凝土结构浇注，仰拱充填；

（8）拆除临时支撑，全断面二次衬砌。

3.2光面爆破技术参数设计

隧道洞身为Ⅴ级围岩时，采用双侧导坑法爆破开挖施工；循环进尺为2m，光面爆破技术参数设计如下：

（1）掏槽孔。采用楔形掏槽，掏槽孔参数为：

①炮孔直径（d）：d=42mm；

②炮孔深度（L）：LⅣ=2.2m、LⅤ=1.7m；

③炮孔倾角（α）：α=70°；

④单孔药量（Q）：Q=ηLql；

式中：η——炮孔装药系数，取η=0.9；

L——孔深，LⅣ=2.2m、LⅤ=1.7m；

ql——线装药密度，ql=0.78kg/m；

经计算QⅣ=1.54kg，取1.5kg；QⅤ=1.19kg，取1.1kg。

（2）辅助孔。

①炮孔直径（d）：d=42mm；

②炮孔深度（L）：LⅣ=2.1m、LⅤ=1.6m；

③炮孔倾角（α）：α=90°；

④单孔药量（Q）：QⅣ=1.31kg，取1.3kg；QⅤ=0.87kg，取0.9kg。

（3）光爆孔（周边孔）。

①光爆层厚度（B）：B=80cm；

②炮孔直径（d）：d=42mm；

③炮孔深度（L）：LⅣ=2.1m、LⅤ=1.6m；

④炮孔间距（a）：a=60cm；

⑤炮孔倾角（α）：α=90°；

⑥单孔药量（Q）：Q=kηLql（k=1/3），QⅣ=0.4kg、QⅤ=0.3kg。

3.3装药结构

（1）掏槽孔、辅助孔装药结构。掏槽孔和辅助孔采用耦合连续装药结构，炮孔装填Ø32mm 2#硝铵炸药药卷，炮孔内有水时，装填Ø32mm 2#乳化炸药药卷。装药结构如图1所示。

图1　掏槽孔、辅助孔装药结构

（2）光爆孔（周边孔）装药结构。光爆孔采用不耦合间隔装药结构，炮孔装填Ø25mm 2#硝铵炸药药卷，炮孔内有水时，装填Ø25mm 2#乳化炸药药卷，不耦合系数为1.68。装药结构如图2所示。

图2　光爆孔装药结构

3.4隧道光面爆破炮孔布置（图3）

3.5光面爆破起爆时注意以下事项

（1）周边孔应该同时起爆才能保证光面爆破效果；

（2）起爆顺序为先掏槽孔，再辅助孔，辅助孔起爆后再起爆周边孔、底孔；

（3）周边孔的底孔应该装一个Ø32mm药卷，以克服岩体挟制作用；

（4）为了减少超挖和降低工程造价，开挖过程中，加强断面量测，并及时处理个别欠挖部位，修整开挖断面，获得良好的爆破效果。

3.6爆破效果检测评价

隧道爆破后对爆破效果要进行检测评价，对于硬质岩隧道光爆质量标准：（1）爆破后围岩稳定无剥落现象。（2）爆破后围岩扰动深度小于0.5m。（3）距掌子面1倍洞径处洞内拱顶质点垂直向振动速度小于12cm/s。（4）平均线性超挖量小于10cm。（5）最大成性超挖量小于20cm。（6）两炮间按台阶最大尺寸15cm。（7）炮眼痕迹保存率等于或大于80%。（8）炮眼利用率达到90%以上。昭山大道虎形山隧道在爆破效果量测上一方面利用全站仪对爆破开挖后断面进行测量收集超欠挖数据，对照设计轮廓线进行电脑制图分析。另一方面爆破后专人进行隧道围岩稳定情况检查及炮眼眼痕保存率进行统计，确定是否达到光爆效果，如光爆效果不好及时分析原因，调整爆破参数，提高光爆质量。

经过施工过程严格控制，昭山大道隧道光爆质量取得较好效果，现就昭山大道虎形山隧道具有代表性C2K5+720～C2K5+820段，40m合计100个钻爆循环光爆效果主要指标收集、整理进行统计，结果见表1。

图3　隧道光面爆破炮孔布置

表1　昭山大道隧道C2K5+720～C2K5+820段光爆效果检查统计表

从表1可知该段光爆效果较好达到光爆质量要求。

3.7爆破地震波监测

湘潭昭山大道虎形山隧道施工爆破过程中产生爆破地震波，须要对洞口边坡、洞口不远处居民房屋和洞内已经施工的衬砌结构等进行检测，确保边坡稳定和建筑物，构筑物的安全。

在施工中对虎形山隧道的爆破地震波进行监测，

通过设置监测点，全程监测爆破施工，收集爆破地震波传播速度，及时调整爆破参数，使爆破地震波控制在国家规定和设计要求的地震波传播速度以内。

（1）根据建筑物的抗震级别，设定最大振动速度，不允许爆破地震波引起的振动速度超过规定的限值。

（2）确定具体的保护目标。在接近洞口的建筑物处和洞内需要监测的构筑物处设置合理监测点进行监测、使监测数据能够准确放应被监测目标的真实振动情况。

（3）在洞口爆破施工过程中，对每次爆破产生的地震波进行监测，及时进行数据分析，及时调整爆破参数，确保建筑物安全；洞内建筑物按照一定频率进行监测，亦根据监测数据及时调整爆破参数，确保构筑物安全。

4　结语

采用双侧壁导坑法施工，将大断面隧道开挖分成6个小断面开挖；将大断面隧道分成几部分衬砌。施工中做到“短进尺、早支护、勤量测、速反馈”，保证了小净距大跨径公路隧道结构的安全；快速、高效地完成施工任务。

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·隧道与建设工程·

U455.41

B

1004-5716（2016）01-0181-05

2015-01-05

2015-01-06

傅志勇（1967-），男（汉族），湖南衡阳人，高级工程师，现从事公路工程施工技术工作。