榆社隧道浅埋段膨胀剂非爆破施工技术研究

摘  要：榆社隧道浅埋段围岩整体性差，极易发生坍塌危害，尤其是地表河沟常年明流水，施工难度大、危险性高。基于此，本文对开挖施工中可能存在的风险进行分析，并从安全性、环保性、经济性角度出发，为保证开挖后洞身的稳定性，针对浅埋段，采用膨胀剂非爆破开挖与常规钻爆相结合的三台阶开挖方式。实践证明结合有效措施，能够顺利通过浅埋段的施工。

关键词：榆社隧道;浅埋;管棚;膨胀剂非爆破;措施

中图分类号：TU974  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）01-0000-00

0引言

隧道施工过程中，需要综合考虑工程地址条件和工程重难点等问题制定一套符合现场行之有效的施工方案。本文以榆社隧道为例，施工前对浅埋段的工程地质、气候水文、自然环境等不利因素，结合超前地质预报所获得的资料，进行全面分析，视情况可在洞外采用地表注浆、浆砌片石等措施，洞内可以管棚与超前小导管相结合的超前固结注浆、格栅钢拱架等一种或多种措施联合支护，开挖视围岩条件可以分台阶，DC法、CRD法等，或可以改良具體的一种开采挖方式。例如本文所述的用膨胀剂非爆破开挖和钻爆法相结合的三台阶开挖方式，辅以有效的监控量测数据，动态衔接各施工工序，并严格执行各项安全技术措施，保障隧道施工安全、高效的通过浅埋段[1]。

1工程概况

榆社隧道位于山西省晋中市榆社县境内，成南北走向，进口里程为DK70+700;出口里程为DK81+370;隧道全长10670m，浅埋段里程为DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，最浅埋深只有12m，位于DK80+015处，隧道上方发育一条冲沟，有明水流动。

隧道穿过地质层主要为新黄土、砂岩、泥岩，其中砂岩为较硬岩，而泥岩和泥质砂岩为软岩～较软岩。榆社隧道区位于太岳山隆起带，经历过新华夏构造和南北构造体的复合作用，所以构造比较复杂，构造类型和形式也多种多样，大多构造特征均呈南北走向或北东走向。隧道通过该构造中的多处向、背斜和多条断层，并且隧道区断裂构造较发育，榆社隧道有发育断层22条，分实测断层9条，而物探推测断层13条。浅埋段DK79+915～DK80+055、DK80+830～DK81+100，位于断层段分布，围岩级别差，设计为Ⅴ级围岩[2]。

2 施工关键技术

2.1 施工方案

由于此两段岩层结构比较破碎松散、而且埋深浅，隧道在开挖施工扰动后很难形成自承体系，岩体失稳，易造成岩石松弛，因张力导致岩石破坏，如果施工工法和支护措施处理不妥，很容易造成坍塌甚至冒顶事件。结合类似浅埋段隧道施工经验，严格按照“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工，结合设计图纸和规范标准、要求，采用洞内、洞外措施相结合的方式保障隧道围岩的整体性[3]。

2.1.1洞外

DK80+015～DK80+030、DK80+965～DK80+995段隧道上方发育一条河流冲沟，并且常年明水流动，为防止地表水下渗，隧道中线左右侧各30m采用50cm厚M10浆砌片石，按冲沟排水坡度进行铺砌并过渡顺接以利排水。

DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道采用地表注浆固结围岩。

2.1.2洞内

掌子面采取108mm大管棚与超前小导管相结合超前固结注浆支护，由于此段围岩松散破碎，采取膨胀剂非爆破开挖和钻爆法相结合三台阶加临时仰拱法开挖，并且加设锁角锚管保障支护的稳定[4]。

2.2 超前地质预报

对于隧道掌子面开挖，要求准确预报施工前方的工程地质和水文地质条件。施工前地质预报采用掌子面地质素描和地面地质调查，结合地震波反射法（TSP）进行预测预报。预报开挖作业面前方的地质情况、围岩级别Ⅴ级，与设计相同。根据勘测设计成果和施工阶段的超前地质预报观测结果，此段为浅埋自稳性差的软弱破碎地层、断层破碎带，以及大面积淋水，因此极有可能出现大量涌水危害，综合分析，本段采取Φ108大管棚超前注浆固结止水支护，使隧道施工浅埋段的安全性得到保障，确保施工人员、机械设备的安全，使隧道开挖作业能顺利开展[5]。

2.3 超前支护

2.3.1地表注浆

榆社隧道DK79+915～DK80+055及DK80+830～DK81+100段隧道上方发育一条河流冲沟，并且常年明水流动，为防止地表水下渗，在全段范围内以3m间距，深入隧底梅花形布设地表注浆孔，孔口位置布置见图1地表注浆孔位布置示意图，水泥浆液水灰比1﹕1（重量比），注浆压力：0.5～1.0MPa，压注水泥浆液固结围岩。

2.3.2管棚施作

（1）管棚施工。管棚管采用Φ108mm，管壁厚6mm的热轧无缝钢管，长度为30m，布置在拱顶120°范围内，环向布设间距40cm，距离隧道开挖轮廓线35cm，倾斜向外插角为3～5°。管棚管上梅花形钻设注浆孔，孔半径5mm，孔间距50cm，钢管后尾部1m范围内不设注浆孔作为止浆段。管棚管角度平行于线路纵坡，方向平行于线路中线。管棚管施作的误差径向数值20cm以内，隧道纵向同一段面内的接头数量不大于总数的1/2，相邻钢管的接头错开布设，距离不小于2m[6]。

（2）注浆材料。此段为浅埋的软弱破碎地层、断层破碎带，以及大面积富水，自稳性差，适量采用双夜浆、化学注浆用料（马丽散、高分子等）进行注浆堵水，注浆采用分段式注浆，注浆压力为0.5～2MPa，注浆参数：水泥与水玻璃相结合的双液浆，水玻璃浓度：35Be'：水泥浆与水玻璃体积比为1：1;缓凝剂掺量：水泥用量的2%;注浆终压不小于2MPa;扩散半径：1m;

2.3.3超前小导管施

本段采用双层小导管超前支护方法，施作小导管型号采用φ42，壁为3.5mm厚的热轧无缝钢管，小导管前段做成尖锥状，在末端焊设箍筋;沿环向布设间距33cm/根，线路方向每2榀钢架施做一环，相邻两排的钢管水平投影长度搭接不小于150cm;小导管外插倾斜角分别采用10°～15°交叉布设;水泥浆液水灰比1﹕1（重量比）或根据现场确定，注浆压力：0.5～1.0MPa[7]。

2.4 开挖

2.4.1 三台阶法施工

Ⅴ级围岩采取膨胀剂非爆破和钻爆法相结合的三台阶加设临时仰拱法开挖[8]。三台阶施工开挖示意图2。

步骤一：（1）借用上一循环施作的钢拱架为基点施作隧道超前支护。（2）膨胀剂非爆破开挖①部，严格执行每循环进尺0.6m，掌子面初喷5cm厚混凝土封闭。（3）分部施工①部上台阶岩面的初期支护，即初期喷护4cm厚混凝土，安设型钢拱架。（4）锁脚锚管，布设系统锚杆。⑸复喷砼至设计厚度。

步骤二：（1）在①部施作一定距离后，利用弱爆破左右幅前后交错开挖②、③部。（2）喷护5cm厚砼封闭掌子面。（3）中下台阶外侧部分初期喷护4cm厚砼，施作钢架。（4）锁脚钢管施作，根据设计布设系统锚杆。（5）复喷砼至设计厚度。

步骤三：（1）开挖④部。（2）隧道底部仰拱部分进行初期喷护4cm厚混凝土，施作仰拱钢架。（3）复喷砼至设计厚度。

步骤四：施作④部隧底仰拱及仰拱填充砼（隧底仰拱及仰拱填充砼应分次施作）。

步骤五：利用监控量测，收集监测数据并分析，确认初期支护收敛稳定后，利用可移动式衬砌模板台车一次性浇筑上部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

2.4.2 隧道爆破控制

（1）难点分析。隧道的施工工法普遍为钻爆法，因为本段落为浅埋段，下穿常年流水河流，整个掘进过程必须保证上层河床围岩不受破坏，防止河水下灌隧道内。因为作业面离河床距离很近，最小距离小于洞径尺寸，因掌子面爆破所引发的不良反应极有可能对上层河床基岩造成影响，因此，爆破过程必须经过严密的数据计算与结果分析，制定切实可行的爆破方案。根据以往经验，因爆破产生的震动是对隧道附近事物造成伤害的主要因素。施工过程中必须对爆破所产生的震动进行综合分析，不断优化调整爆破设计参数，确保把爆破振动的影响效果控制在合理的范围内。本段采用三台阶开挖，上台阶采用膨胀剂非爆破开挖，中下台阶开挖采用常规的短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测原则[9]。

（2）上台阶膨胀剂非爆破开挖。浅埋段下穿河流，由于埋深浅，最小12m，为避免河床围岩破坏，上台阶采用膨胀剂非爆破法开挖。经过现场试验，制定膨胀剂非爆破开挖施工参数。具体开挖流程为：中线及开挖轮廓线测量放样→根据上台阶开挖断面情况确定掏槽及孔位布设方式→孔位测量放样→引孔→施作孔眼→孔眼灌装（膨胀剂）→膨胀剂反应→劈裂机劈裂（破碎机破碎）→机械开挖→出渣。

注意事项：由于上台阶没有临空面，为保证膨胀剂膨胀效果，必须人为制造临空面，需用引孔机引孔来创造临空面，掏槽眼设置直径10cm，孔与孔之间以相切形式布设，形成一个类似于邮票洞一样的直线，分析岩层软硬特点，在上台阶岩石下部布设掏槽孔，掏槽以水平形式布置。

根据多次试验，钻孔孔径选择50mm，膨胀效果最佳，选择高效的膨胀剂进行施工，在灌膨胀剂时，膨胀眼由周边眼和辅助眼组成，辅助眼布设间距为30cm～40cm，本文周边眼的布设间距为35cm，并倾斜向外5～10°，周边眼比辅助眼深25cm左右，孔位布置图详见图3上台阶膨胀孔布置示意图。便于现场膨胀剂灌装操作，把孔眼施作成倾斜向下的楔形膨胀孔。现场根据临空面的位置，有近及遠，分层破碎的原则，效果比较理想。

膨胀剂灌注程序：

1）准备：本工程采用HSCA无声混凝土膨胀剂，所需材料膨胀剂、洁净冷水、塑料拌和桶、木质桶竿、防护眼镜、胶质手套、头盔、防护面罩、封口器等。

2）搅拌：HSCA是一种粉状材料，使用前须与洁净冷水充分混合。膨胀剂规格为5Kg一包，每包配备1.5～1.7升水，先将洁净水倒入搅拌容器中，再缓缓倒入5Kg膨胀剂，用木质桶竿搅拌成具有流动性的均匀浆体。

3）装填：应从临空面附近开始，由下往上，由内往外，逐排装填，装填之前，必须将钻孔内清理干净，保证孔内无杂物、积水，装填倾斜向下的钻孔时，将拌制好的膨胀剂快速装入孔内，装孔要求密实，孔口可以不需赌赛。装填水平方向和倾斜向上的钻孔时，把干稠的胶泥状膨胀剂搓成条状充填孔中，并捣实。搅拌后的膨胀剂必须在10分钟内填塞完成，否则，流动性和破碎效果降低[10]。

水平方向和倾斜向上的钻孔，也可把膨胀剂装入用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋内，通过计算，确定一个操作循环所需要的破碎卷数量，放置空桶内，然后加入洁净水完全浸泡，破碎卷充分湿润30～50s左右、待破碎卷内气泡完全排除时，把破碎卷从清过孔的孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口。即“统一浸泡，完全浸透，逐条装填，分段捣实”。为保证水分和膨胀剂不流出，用黄泥封堵孔口五厘米。

4）裂开：岩石刚开裂后，为获得更好劈裂效果，可向裂缝中加水，支持无声膨胀剂持续反应。

装填膨胀剂注意事项：

1）在拌制或填塞时作业人员必须戴橡胶手套和防护眼镜。

2）装填操作中，作业人员不可将面部直接近距离对着已装膨胀剂的钻孔。孔内膨胀剂装填完成后，应及时打入封口器，远离装灌点。

3）作业现场准备好清水和毛巾，从开始灌浆到岩面裂纹发展前时间段，作业员必须正确佩戴防护眼镜且不可直视炮孔，以防眼睛因喷浆而受伤害，浆体不慎碰到皮肤或溅入眼睛要立即用大量清水冲洗，现场简单处理后立即到院就医诊治。

（3）中下台阶爆破控制。为避免中下台阶爆破振动影响洞顶围岩，破坏河床基岩稳定，首先，充分利用分段延时爆破技术，从而最大限度的降低振动速度;其次，为了防止因爆破雷管延时误差或者延时时间不足而造成地震波叠加，造成爆破振动反而增强，在对雷管段别选择时，需要考虑加大炮孔之间的延时时长，选择跳段布设雷管的方式，可以有效分离临近相邻的两个振动主震，避免振动的相互叠加，进而为邻排的爆破创造临空面;最后，采取减小爆破进尺，缩短钻孔深度，减小单孔装药量等方式，有效降低爆破所产生的强震动。

2.4.3 三台阶临时仰拱法施工

开挖步骤：

步骤一：用钻孔台车施工上台阶超前小导管→小导管注浆→开挖→拱部锚杆及喷锚支护→底部设临时支撑。

步骤二：中台阶拉开适当距离后，用锚杆钻机施工两侧墙部超前小导管并注浆，同时中部竖向钻孔→清砟→两侧墙开挖→接安钢架→加临时仰拱。

步骤三：开挖下部台阶→接安钢架与仰拱钢架形成封闭环→进行初期支护→安设隧底防水板→灌筑该段内仰拱→施做仰拱填充→铺设拱墙防水板→台车就位→浇筑拱墙混凝土。

步骤四：对全封闭防水段，先铺设防水板→绑扎隧底钢筋→浇筑仰拱→仰拱填充→铺拱墙防水板→绑扎拱墙钢筋→台车就位→浇筑拱墙混凝土→养护。

2.5 围岩监控量测

隧道浅埋段必须在掌子面开挖前布设地表沉降观测点，提前采集原始数据，做好施工过程中监控量测，分析数据变化情况，反馈与洞内施工。地表布设的沉降观测点与隧道内监控测点应在同一断面里程。地表沉降观测点纵向间距可按表1的要求布置。

（1）每次开挖后，专人负责对掌子面情况观察工作;如果出现岩层条件恶化情况，必须采取对应处理措施;完成观察应及时绘制掌子面的地质素描图、并编写掌子面地质性状记录表和施工阶段围岩级别判定标识。

（2）每天对已施工地段观察一次;主要查看初期支护砼、锚杆、初支拱架和二次衬砌砼等的工作状态。

3 结语

榆社隧道断层浅埋段经过综合分析，洞外采用地表注浆和河床表层铺设浆砌片石相结合的方式，洞内采用顶部120°范围内设108mm大管棚与超前小导管相结合超前注浆固结围岩的措施，掌子面采用膨胀剂非爆破开挖上台阶与常规钻爆中下台阶开挖相结合的三台阶临时仰拱的施工工艺，该工艺很好的解决了浅埋段破碎围岩施工时存在的冒顶、坍塌和突泥涌水风险。隧道施工从经济性、安全性、环保性方面得到有力保障。在以后的隧道施工中，如遇到类似地质情况，结合本文取得的施工经验，可采取更合理的施工方案，保障隧道施工的综合效益。

参考文献

[1] 孔令凯.隧道浅埋段施工技术[J].价值工程，2020（18）：153-154.

[2]刘志韬，郑杰元.岩溶地区隧道浅埋段下穿既有构筑物处理技术[J].铁道工程学报，2018，35（2）：51-55.

[3] 喻贵明.隧道浅埋段施工与安全管理措施[J].黑龙江交通科技，2019，42（9）：176+178.

[4] 王澤坤.袖阀管注浆在隧道下穿沟谷浅埋段中的应用[J].铁道建筑技术，2019（z1）：118-121+230.

[5] 马海鹏，易建坤，史海兵，等.受限空间条件下的一种高效岩石静态致裂开挖施工方法[J].采矿技术，2018（5）：153-156.

[6] 梅洪斌.管棚法加固软岩隧道合理开挖进尺研究[J].铁道建筑技术，2013（z1）：100-102.

[7] 曾燕.青泥岭隧道超前小导管施工技术[J].价值工程，2019（8）：144-146.

[8] 张旭辉.三台阶四步法开挖隧道围岩变形特征分析[J].铁道建筑技术，2019（9）：110-112+130.

[9] 张少平.高效膨胀剂在人工挖孔桩中的应用[J].广东建材，2009（8）：134-137.

[10] 龙正兴.深圳地铁隧道施工的膨胀剂非爆破开挖方案[J].中国市政工程，2009（4）：50-52.

收稿日期：2020-12-05

作者简介：梁建民（1982—），男，山东巨野人，本科，工程师，研究方向：隧道工程。

Study on Non-blasting Construction Technology of Expansive Agent in Shallow Section of Yushe Tunnel

LIANG  Jianmin

（China Railway Sixteenth Group No.1 Engineering Co.， Ltd.，Beijing  101300）

Abstract：The shallow-buried section of the Yushe Tunnel has poor integrity of surrounding rocks and is extremely prone to collapse hazards， especially in surface rivers with perennial open water， which is difficult and dangerous for construction. Based on this， this article analyzes the possible risks in the excavation construction， and from the perspectives of safety， environmental protection， and economy， in order to ensure the stability of the tunnel body after excavation， the expansion agent is used for non-blasting in the shallow buried section. A three-step excavation method combining excavation and conventional drilling and blasting. Practice has proved that combined with effective measures， it can smoothly pass the construction of the shallow buried section.

Key words： The Yushe Tunnel; Shallow burial;Pipe shed; Expansion agent non-blasting;Measures