隧道快速开挖及监控量测施工技术研究

杨剑锋　文飞宇

【摘 要】甘肃省S216线平凉至华亭公路蔡胡梁隧道采用进出口端双向相向掘进，施工作业单洞掘进1900m，采用重点工序优先、钻爆开挖、交叉组织的施工形式。辅助导坑施工，施工正常进尺170m以上，施工中采用工序考核、方案比选、监控量测指导等方式增进施工进度，为今后类似工程提供参考。

【关键词】钻爆法；快速开挖；量测技术

在国家基础建设快速发展的阶段，铁路、公路还有水利建设中，隧道设计越来越多，其施工中的快速开挖及监控量测技术越来越显得重要，为项目达到缩短工期、减少管理成本的目的，起了致关重要的作用。

1 工程概述

省道S216线平凉至华亭公路工程试验段位于甘肃省平凉市崆峒区。本项目是平凉市规划的平凉至华亭运煤专线，连接平凉市区与华亭县。本项目主线采用双向四车道一级公路标准，设计时速为60Km/h，整体式路基宽度20.0m、分离式路基宽度10.25m。

试验段路线起于K17+922（ZK17+935），以隧道穿越蔡胡梁至峡门乡麻川村，后继续向南布设至麻川沟（K24+690.4）。具体桩号K17+922～K24+690.4，路线总长6.778km。蔡胡梁隧道采用分离式双线隧道，左线长3585米；右线长3700米。隧道最大埋深240余米。隧道左线进口平面线形为R=1100的圆曲线，纵坡为2.25%，隧道出口平面线形为直线，设计纵坡为-1.8%；隧道左线进口平面线形为R=1100的圆曲线，纵坡为2.25%，隧道出口平面线形为直线，设计纵坡为-2.0%。蔡胡梁隧道属于特长隧道，是全线的控制性工程，作为试验段先期开工。

蔡胡梁隧道地处陇东黄土高原亚区和六盘山～关山亚区，穿过黄土梁峁地貌和基岩中山地貌两大地貌单元，该隧道属构造剥蚀中山地貌单元，山高谷深，地形起伏较大，隧址区中线高程1731.001～1996.876m，相对高差265.875m。隧址区冲沟发育，沟谷一般为狭窄的“V”型谷，沟床纵坡较大，两岸陡峻，高差大，植被发育。地下水类型按其赋存条件和含水层性质可分为基岩裂隙水、松散岩类孔隙水两大类型，隧址区局部上覆第四系全新统残坡积物（Q4el+dl）碎石、洪积物（Qpl）卵石，上更新统风积（Q3eol）黄土，分布不均匀，部分地段基岩出露，隧址出露地层岩性主要为新近系中新统咸水河组（N1x）砾岩，下白垩统六盘山群（K1）砾岩，寒武系（∈）灰岩、白云岩、板岩，震旦系（Z）白云岩等。

2 主要开挖机械设备配置

结合项目隧道单头掘进距离较长及上下导坑断面较大的特点，选用自卸车运输及其配套的大型施工机械设备。项目配备了挖掘机、装载机（可侧翻）、自卸汽车、钻孔台车、水压爆破设备等。

项目在钻孔进度中对钻孔台车和人工风枪钻孔进行了比选。项目施工断面上导坑为主要进度控制施工面，每次钻孔约150个，孔深3～3.5米，采用人工风枪钻孔，组织13个施工，12台风枪同时钻孔，需钻孔2小时；而使用钻孔台车（单臂），每孔成孔时间2.5分钟，共需375分钟，若要赶上人工速度，至少需3臂钻孔，且设备成本太大。每個端配备一台钻孔台车（单臂），配合人工对难施工的锁脚和超前孔进行施工，降低成本，又增加开挖速度。

3 施工方案的选择

结合本工程的地质地貌情况、设计岩性分析及工程工期要求，施工方案在前期策划时，认为采用传统的钻爆法施工，加之一些先进的开挖爆破技术，采用上下导坑两台阶法施工。在台阶法施工中，钻爆施工技术对人工风枪钻孔和钻孔台车钻孔的比选上，大家意见不一。该项目围岩较差，采用全段面施工条件不成熟，上下导坑平等施工是最适合的开挖方式。

本隧道设计为单线双洞隧道，隧道开挖断面约80.4～129.8m2。Ⅲ级围岩段采用全断面法施工，Ⅳ、V级围岩段采用台阶法，V级围岩段采用台阶开挖预留核心土法，采用装载机装渣，自卸运输方式出渣。

4 施工方法

4.1 掌子面快速开挖

4.1.1 开挖方法

掌子面掘进以两台阶开挖法组织施工，Ⅲ级围岩每循环进尺控制在3m以内为宜，Ⅳ、V级围岩每循环进尺控制在以1.8m以内为宜，当掌子面地质较差且不稳定时调整掘进进尺，以每循环0.8～1.2m为宜，必要时Ⅲ级围岩调整为台阶法或采取超前加固措施后再按以上施工方法掘进。根据掌子面断面较大，开挖施工时采用移动式作业台架，采用风动凿岩机钻孔，钻孔台车辅助钻孔，光面爆破的施工方法。挖装机装入自卸车运输出渣。

为达到快速开挖要求，在施工工艺上采用人工风枪钻孔为主，辅以钻孔台车对垂直向、锁脚锚杆等人工难施做的爆孔进行钻孔。钻孔施工人员布置图如下：

15台风枪同时施工，2～3人为一个工作小组，相互协作，一个循环的炮眼2.5小时完成。

4.1.2 爆破工艺选择

在对爆破工艺的选择上，项目原来采用传统的爆破技术，在观摩甘肃省两徽隧道施工爆破工艺后，决定采用水压爆破技术。

水压爆破是在传统爆破技术的基础上，在炮眼特定设计位置装入专用水袋，使装药结构改变，用专用设备加工的炮泥填塞炮口，利用炸药爆炸时的能量，在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到周围的围岩中，有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应使岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，很大程度降低粉尘。提高岩石爆破效率的同时，减少爆破烟尘的产生，降低环境污染的爆破技术。

与常规岩石爆破效果相比，水压爆破具有明显的“三提高一保护”作用：提高了炸药能量的利用率，单位体积岩石耗药量可节约15%-20%；提高了施工效率，每循环进尺长度可提高20cm-30cm；提高了经济效益，每延米可节约火工品材料费用250元-400元；粉尘浓度大大降低（下降67%），有利于保护施工人员身体健康，减少爆破后等待时间。另外，水压爆破还能提高岩石破碎度，缩短爆堆长度，因而能缩短装渣时间，加快出渣进度。水压爆破还能提高光爆质量，隧道爆破轮廓面的半眼痕率能达到90%以上。

4.1.3 水压爆破设计

水压爆破设计与传统的隧道光面爆破设计方案基本相同，只是在装药结构和炮孔堵塞上进行了适当的调整。

1）爆破器材

根据施工中常用的爆破器材以及水压爆破的特殊要求，选用直径为32的防水乳化炸药，并采用电雷管和导爆管雷管作为起爆器材。炮孔内所用水袋及堵塞材料都由专用设备加工而成，长度约为20cm。

2）光面爆破参数的确定

（1）孔距

根据自有设备，炮眼直径为d=40mm，所以周边孔间距a=（8～16）d=32～64㎝。

（2）不耦合系数与光爆层厚度

光面爆破的不耦合系数λ=d0/d（d0为装药直径）在0.8～1之间变化，λ变小，孔壁上的最大切向应力减小，爆炸波作用时间延长，有利于应力叠加和应力集中，产生拉伸裂隙，不宜产生粉碎。生产实践表明，增大不耦合系数，采用空气间隔装药，可以消除压碎破坏，控制放射状裂隙，提高炮孔的残留率。根据最小抵抗线与炮孔间距的关系：光爆层厚度w=a/λ。

（3）周边眼延米装药量

周边眼装药量：q1=cwa=0.06～0.15㎏/m

式中：c-爆破系数，在通常情况下，c=0.2～0.5㎏/m3；

（4）钻爆设计示意图，钻爆设计示意图如图3所示

图3

1.掏槽眼；2、3.辅助眼；4.周边眼

3）装药结构

（1）周边眼采用竹片间隔、不耦合装药，采用导爆管起爆，炸药均匀分布装入炮孔内。为克服底部炮眼的阻力，将底部药量稍微加大。在装药前先装入长约20cm的一节水袋，并在装药结束后再装入2节水袋，最后堵塞。（如图4）。

图4 周边眼装药结构示意图

（2）掏槽眼、辅助眼等采用连续耦合装药，雷管埋入孔底药卷。在装药前先在炮眼孔底装入长约20cm的一节水袋，并在装药结束后再装入2节水袋，最后堵塞。其结构如图5。

图5

4）开挖循环作业时间

（1）Ⅲ级围岩每循环钻孔3.5m，进尺2.8～3.0m，循环作业时间

测量（施工准备）15min+钻孔l2Omin+装药爆破15min-通风10min+初喷15min+出渣60min+复喷60min=295min（5h），月进尺：336～360m。

（2）Ⅳ、V级围岩每循环钻孔2.0m，进尺1.2～1.5m，作业时间

测量（施工准备）15min+钻孔120min+装药爆破15min+通风10min+初喷15min+出渣60min+支护100min+复喷90min=425min（7.1h），月进尺：101～127m。

4.2 劳动力及主要开挖施工机具安排

每开挖作业班16人（工班长1人、司钻工12人、爆破工2人、普工2人），运输班3～6人，装渣2人，风动凿岩机12～15台，拼装式作业架1台，挖装机1台，自卸车4～6台（根据掌子面距弃渣场距离调整），初期支护配套施工设备1套。

5 监控量测技术

5.1 量测的目的

5.1.1 掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计，指导施工；

5.1.2 预见事故和险情，及时采取措施，防患于未然；

5.1.3 为确定隧道安全提供可靠的信息；

5.1.4 量测数据经分析处理与必要的计算和判断后，进行施工进度安排。

5.2 量测的要求

快速埋设测点（量测点设置在距掌子面2m范围内，开挖后24小时、下次爆破前测取第一次读数。）；测量读数在隧道内要快；保证测量点不被破坏；读数准确可靠。

5.3 必测项目：围岩地质素描及支护状态、地表沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测。测试仪器及设备：全站仪、断面仪、精密水准仪、塔尺、钢圈尺（测地表沉降、拱顶下沉）；周边收敛仪（测周边收敛）。

5.3.1 地质素描、支护状态观察

包括对掌子面观察和支护结构的支护效果观察。掌子面工程地质、水文地质情况观察包括岩石的名称、岩层产状、节理、层理、断层等结构面的分布、产状、走向。每茬炮后观测一次。支护状态观察包括初期支护状态和已成峒支护效果观察。如喷射砼开裂部位、宽度长度及深度。二次衬砌的整体性、防水效果等，每天观察一次。

5.3.2 围岩周边位移量测

在准备设点断面，隧道开挖爆破出渣以后，沿周边的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设测桩。测桩埋设要求一般按深度30cm，钻孔直径？椎42，用快凝水泥或早强锚固剂固定。

周边收敛量测是最基本量测项目之一，布置在主测断面。如图6。图6 拱顶下沉和周边收敛测线布置图

我们用测线BC和DE边测量值变化来量测净空水平收敛。

5.3.3 拱顶下沉量测

拱顶下沉，主要用于确认围岩的穩定性。测点布设在拱顶中心位置，与周边量测点同时布设在主量测断面。

拱顶下沉量测最常用的方法有三种：

1）用收敛计量测

该方法操作简单，投入较少，但用收敛计量测来获取数据，后期的数据处理较多。

2）用水准仪量测（差值法计算）

该方法用钢尺和高精度的水准仪配合测量。测量时把钢尺挂在预埋的测点上，下挂1kg的垂球使钢尺铅直，用水准仪读取钢尺上的读数，来实现数据的采集。

3）用全站仪量测

测量时在拱顶测点位置贴一个反光膜，用全站仪测量测点处的标高，来实现数据的采集。但该方法的设备投入较大（主要为全站仪的投入，但现在是最常用施工量测方法）。

5.3.4 地表下沉量测

地表下沉量测，在浅埋隧道和隧道的洞口段通常每个隧道至少2个断面，若出现不良地质情况时，加设监测断面。地表下沉采用闭合测量法，当闭合差超过3mm时，我们必须重新测。当地表下沉量测结果达2～4cm时我们要加强观测，必要是给业主报告。

5.4 隧道选测项目量测

选择项目是必测项目的拓展和补充。选测项目量测主要有：钢筋计（测钢支撑内力、锚杆轴力）；压力盒（测接触压力）；混凝土应变计（测混凝土内部应力）；多点位移计（围岩内部位移）

5.5 组织机构和组织管理

项目为加强量测技术的实施，成立现场监控量测小组，负责测点埋设、量测数据、资料整理、出据报告。

6 结束语

隧道快速开挖技术是隧道施工进度控制的主要工作，合理组织钻孔工序、爆破作业、弃渣运输的衔接时间，合理的资源配置是隧道施工开挖组织管理的重点和难点，资源配置时既要考虑满足施工需要又不要造成资源的浪费，达到充分发挥资源配置的效益最大化，避免资源使用时松时紧，施工组织着眼于均衡生产的原则。为改善隧道施工作业环境，尽可能使用先进科技机械设备，如隧道爆破成套设备、钻孔台车（双臂以上）等，以减少空气污染，缩短爆堆时间，减少钻孔耗时。但投入较大，本项目配备以上开挖设备投入达1000多万元。

【参考文献】

[1]JTG F60-2009.公路隧道施工技术规范[S].人民交通出版社.

[2]JTG/T F60-2009.公路隧道施工技术细则[S].人民交通出版社.

[责任编辑：田吉捷]