定临高速黑庄坪隧道施工技术

屈 直

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

隧道工程一直是全线的控制工程，影响着全线的施工成本，在保证质量安全的条件下如何加快隧道的掘进速度是许多学者关心的课题。目前隧道掘进常用的方法有钻爆法、盾构法、悬臂掘进法等，但这些施工方法都无法避免超欠挖的问题，且受到“宁超勿欠”等错误观点的影响，因此研究不同开挖方法对超欠挖的影响意义重大。

许多学者以钻爆法对超欠挖的影响开展了研究。张运良等[1]根据工程实际和现场试验，对软弱夹层地层隧道爆破方案进行优化，减少了超欠挖量。实践证明推演的软弱条件下爆破成型与实际吻合较好；爆破参数调整后，爆破成型效果理想，超欠挖现象得到有效的控制。很多学者对爆破参数进行了优化[2-3]。也有学者对悬臂掘进机在隧道中的应用开展了研究。朱廷宇等[4]针对滇西红层隧道空间受限、施工速度慢的问题，在红层小断面隧道中运用悬臂掘进机施工，与钻爆法在投资、进度、安全等方面进行对比，证明悬臂掘进机在该地层的适应性。韩贺庚等[5]以蒙华铁路隧道工程实践为依托，分析了悬臂掘进法相比于钻爆法的优势。张旭辉等[6]针对目前悬臂式掘进机截割头定位准确性不高的问题，设计了一种悬臂掘进机截割头定位系统，该技术可使掘进定位更准确，从而减少超欠挖量。林宏等[7]分析了悬臂掘进机法的施工优势，阐述了悬臂掘进机成套机械化作业线设备配套技术及施工组织方案。上述文章中大多研究了钻爆法与悬臂掘进法在各方面的对比研究。Jiang B等[8]研究发现悬臂式掘进机法在铁路隧道施工中不受小断面的影响，还可以提高围岩的自稳性，以及过深开挖控制和轮廓成型的效果更好。

以黑庄坪隧道为工程背景，遵循光面爆破原理设计和现场试验提出了适用于该隧道的光面爆破方案，并提出了出口悬臂掘进组合方案，对比分析了悬臂掘进法、钻爆法、机械法施工超欠挖量的大小，对超欠挖量的控制具有参考意义。

1 钻爆设计与钻爆技术

1.1 爆破方案

按《公路隧道施工技术规范》进行爆破试验，以便合理调整爆破参数。由于此工程围岩为Ⅴ级围岩且采用上下台阶法开挖，所以采用双台阶爆破方案。

1) 钻孔布置。掏槽孔孔口和孔底的间距误差不大于5 cm，辅助孔孔口的排距和行距误差不大于5 cm，如采用人工钻孔的周边孔沿隧洞设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5 cm，外斜率不得大于5 cm/m，孔底不超出开挖断面轮廓线10 cm，内圈炮孔至周边孔的排距误差不得大于5 cm，并与周边孔采用相同的斜率。

2) 清孔装药。炮孔按规定药量装药后，炮口用炮泥堵塞，堵塞长度不小于20 cm，辅助孔和掏槽孔采用连续装药。

3) 联网爆破。用联结元件将导爆管联结成复式起爆网络。

4) 爆后检查。本项目采用导爆管起爆。

1.2 爆破参数

爆破设计按照炮孔性质与作用不同分别选取爆破作用指数。

1) 炮孔布置。黑庄坪隧道掘进采用YT28风动凿岩机钻孔，钻杆选用50 mm钻杆，炮孔直径d=50 mm。

a) 炮孔深度及角度。

黑庄坪隧道围岩属泥质砂岩为软岩，该砂岩坚固系数f=1.6～3，每循环进尺应达到1.5 m，炮眼利用率为100%，则Ⅴ级围岩周边孔炮孔深度2 m，掏槽孔较周边孔深1 m，掏槽孔深度为3 m。

周边孔的钻孔外倾角为5°，炮孔口部应距轮廓线5 cm，孔底控制在超出轮廓线10 cm以内，采用楔形掏槽的爆破作业方式掘进，掏槽孔孔口向中线倾斜，孔底间距20 cm，辅助孔略向中线倾斜。

b) 炮孔数目及孔距。

确定炮孔数目的原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能减少炮孔数目并根据现场爆破效果增减孔数，有

(1)

式中：N为炮孔数目；f为岩石坚固性系数；S为隧道断面面积。

采用楔形掏槽的爆破作业方式掘进，掏槽同排孔距60～100 cm，周边孔孔距为45～55 cm，辅助孔孔距为60～100 cm。掏槽眼以隧道中线为准对称布置，共10孔。炮孔排距为60～120 cm。

c) 光爆参数。

为控制隧道超欠挖较为严重的现象，隧道周边采用光面爆破技术。光面爆破参数见表1。

表1 光面爆破参数

2) 单位炸药消耗量计算。隧道掘进爆破的单位炸药消耗量是指隧道单循环进尺爆破所需要的炸药量与爆落岩体总量之比，其大小取决于隧道断面面积、围岩类别、岩石的坚固性、炸药性能和施工技术等因素。根据炮孔的作用与性质，通过现场试验计算得到每一循环爆破的用药量为

Q=q×S×L.

(2)

2#岩石乳化炸药在软石中的炸药用量q=0.64 kg/m3、隧道断面面积S=110 m2、炮孔深度L=2 m。因此每一循环爆破的用药量Q=140.8 kg。最终实际装药量见表2。

表2 实际装药量

3) 装药结构。

图1～2分别是周边眼装药结构和级围岩两台阶法开挖炮眼布置。表3是围岩台阶法光面爆破炮眼药量分配。

图1 周边眼装药结构

由图2可知，上台阶周边眼的间距为50 cm，下台阶为70 cm。这是由于上下台阶每循环开挖的面积的不同，下台阶没有设置掏槽眼，因为掏槽眼的作用是炸出一个槽腔，为后续爆破创造临空面，但当下台阶断面面积较小时，辅助眼可以替代其作用。

表3 V级围岩台阶法光面爆破炮眼药量分配

图2 Ⅴ级围岩两台阶法开挖炮眼布置(单位：cm)

4) 起爆网络。起爆网络见图3。

图3 起爆网络

2 悬臂掘进参数与悬臂掘进技术研究

2.1 主要施工方案与施工工艺

1)主要施工方案。

洞身开挖采用两台阶的施工方法进行施工，配合3台自卸汽车及1台装载进行同步出渣作业，CTR300R悬臂掘进机的总体参数见表4。

表4 CTR300R悬臂掘进机总体参数

2) 施工顺序。

隧道最大跨处净空宽度为12.7 m，CTR300R掘进机定位截割范围的最大高度为6.78 m、最大宽度7.43 m，开挖过程中需进行一次移机，经过第一阶段的工艺总结，施工顺序为：上台阶右侧开挖→上台阶右侧轮廓修边→掘进机移机至上台阶左侧→上台阶左侧开挖→上台阶左侧轮廓修边→下台阶开挖，掘进机开挖流程及截割路线示意图如图4和图5。

图4 掘进机截割路线及流程

图5 掘进机掌子面右侧截割示意

2.2 施工进尺与施工步距

1) 试验段台阶高度调整。

台阶高度调整方案中，台阶高度较试验段调整原设计调整40 cm(调整前上台阶断面面积65 m2，调整后断面面积70 m2，增加5 m2，下台阶断面面积相应减小)，支护作业台架加高40 cm，保证了掘进机可以顺利从台架中穿过和上台阶钢拱架底脚不至悬空。

对试验段方案进行工艺总结，原台阶高度的调整无法发挥掘进机作业的最大功效(掘进机定位截割最大范围6.78×7.43 m-高×宽)以及由于掘进机的自身性能，向下作业空间有限，无法完成仰拱开挖作业，需进一步调整台阶高度并配备挖掘机配合掘进机进行交叉协同作业，调整后台阶高度见图6。

2) 施工安全进尺。

根据试验段采用的施工步距对掘进机的具体施工过程进行总结，试验段方案掌子面至仰拱、二衬封闭成环端的距离为59、90 m，掘进机施工时仰拱步距不满足要求，主要因上下台阶间坡道影响距离较大，在经过现场实际丈量分析后，确定仰拱封闭成环距掌子面的安全步距调整为65 m，仰拱步距加长会缩短影响仰拱至二次衬砌端的作业空间，二次衬砌步距应进行相应调整，二衬衬砌封闭成环端距掌子面的安全步距调整为95 m。

图6 调整后台阶高度(单位：cm)

2.3 悬臂掘进法施工超欠挖控制方法

隧道施工严格控制超欠挖，允许超欠挖值执行现行JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》相关标准。规范要求值和悬臂掘进法超欠挖值见表5。

表5 隧道允许超欠挖值

由现场监测数据，黑庄坪隧道悬臂掘进法拱部平均线性超挖为8 cm，最大超挖为10 cm，边墙平均线性超挖为7 cm，均符合上述规范要求。

3 超欠挖量对比分析

3.1 钻爆法与悬臂掘进法

对黑庄坪隧道超欠挖量进行监测，分别得到了隧道左线、右线出口与进口超欠挖量见图7和图8所示。

由图7可知隧道左线进口用钻爆法开挖时，月平均超挖值为19～22 cm，当隧道左线出口用悬臂掘进机开挖时，月平均超挖值只有7～10 cm。由此可见在泥质砂岩地层中，运用悬臂掘进法月平均超欠挖值只有钻爆法的一半，相对于钻爆法悬臂掘进法可以更好的控制超欠挖。

图7 隧道左线超欠挖对比

图8 隧道右线超欠挖对比

3.2 机械开挖

在一些特殊地段，无论钻爆法或悬臂掘进法在开挖的过程中需要人工机械的辅助整修，施工现场统计了机械开挖的超欠平均值,见图9。

图9 机械法开挖超欠挖量对比

由图9可知:机械开挖的月平均超欠挖量在13～16 cm之间，比钻爆法少3～6 cm;但比悬臂掘进法多6 cm左右，而钻爆法比悬臂掘进法多12 cm左右。由此可见单从超欠挖量的因素分析，悬臂掘进开挖要优于机械开挖和钻爆开挖。

4 结语

通过爆破试验，得到Ⅴ级泥质砂岩双台阶爆破时，炮孔直径50 mm，上下台阶周边眼孔深200 cm，孔距易在50～70 mm之间，单孔装药量为0.4 kg；上台阶掏槽眼孔深300 cm，采用楔形掏槽(向中线倾斜)，孔底间距为20 cm，单孔装药量围为0.8 kg，下台阶不设掏槽眼；辅助眼孔深为200 cm，孔距为100 mm，单孔装药量为0.6 kg；底板眼孔深为310 mm，单孔装药量为0.8 kg。这些光面爆破参数在黑庄坪隧道得到了广泛的应用，所总结的施工技术经验及主要参数可为类似地层的隧道提供借鉴。

光面爆破受到地质构造、围岩级别等内在因素的影响会造成超欠挖，且该隧道为泥质砂岩地层，节理裂隙发育，涌水量较大，极易造成超欠挖现象，所以光面爆破的施工组织设计尤为重要。影响悬臂掘进法超欠挖的主要因素有悬臂掘进测量定位系统、地质状况、围岩级别、悬臂掘进机截齿类型、施工步距、操作人员的技术等。

悬臂掘进法月平均超挖值只有7～10 cm，钻爆法月平均超挖值为19～22 cm，机械开挖的月平均超欠挖量在13～16 cm之间，相比于钻爆法施工，悬臂掘进法施工由于精确的定位系统，其超欠挖量大大减小，提高了工程的质量，节约了喷射混凝土的成本，预计节省工程成本15万左右。