关于土石结合隧道开挖方法探讨

乔 东

（中铁三局五公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

坡头隧道是霍州至永和关高速公路上的一座普通分离式隧道，隧道左线长407 m，右线长422 m，建筑界限宽10.25 m，界限净高5 m，属于小净距隧道。

隧址区地貌单元属黄土覆盖低山丘陵区，微地貌为黄土粱峁、黄土冲沟和基岩冲沟。隧道初始掘进采用台阶法施工，但在掘进200 m左右的时候在隧底以及下台阶出现了三叠系下统铜川组砂岩。岩层层状节理发育，硬度较大，用挖机等普通掘进工具无法挖动岩层，因此采用凿岩机施工。但凿岩机在施工过程中始终存在角度、空间等问题的限制，致使边墙位置施工不到位，严重影响了施工进度，所以在接下来的施工中采用了光面爆破法进行施工。

2 施工方案的确定

2.1 围岩的分层分析

按照围岩情况及施工顺序，把围岩分成3个台阶施工。上台阶为失陷性黄土层，具体特性是孔隙发育，高角度节理发育，围岩容易坍塌；下台阶范围为上台阶底面至仰拱面，该段为强风化砂岩，裂隙较发育，土岩交界面附近容易发生渗水现象，无支护时易发生较大坍塌；隧底开挖即仰拱位置开挖，为最后一个台阶，该部分为中风化砂岩，裂隙较发育，无支护时易发生较大坍塌。

2.2 开挖支护方案

遵循“管超前、短进尺、少扰动、强支护、早成环、勤量测”的黄土隧道施工原则施工。

2.2.1 步距控制

上台阶长度控制在5～7 m，为了减少爆破对土体稳定性的影响，上台阶步距可适量加长，但不能超过10 m；下台阶与仰拱间距控制在5～10 m；下台阶与二次衬砌间距控制在30～40 m；左右洞施工作业错开距离25 m以上；先行洞二次衬砌作业面领先后行洞掌子面距离20～30 m.

2.2.2 上台阶开挖支护方法

机械配合人工开挖，预留核心土，核心土到下台阶的距离要大于1.5倍的炮眼深度，开挖完成后及时支护，钢架间距控制在0.8 m以内。

由于下台阶要放炮开挖，上台阶为土质围岩，所以上台阶支护参数可作如下调整：钢筋网网格尺寸在10～15 cm之间；径向锚杆采用药包锚杆或中空注浆锚杆，长度为3.5～4 m；钢架间距60～80 cm；锁脚锚杆采用Φ42注浆管，注浆管的端部与钢架焊接牢固，锁脚锚杆角度向下倾斜，前端部打入岩层内为宜，依照沉降观测数据分析如果沉降较大，可在拱脚位置增加一组锁脚锚杆，水平方向呈八字形打入围岩，长度为4 m；拱架拱脚必须放置在坚实的岩层或者土层上，严禁立好拱架后再在拱脚回填土石支垫，上台阶喷射混凝土完成后2 h内不得放炮。

2.2.3 下台阶开挖支护方法

下台阶爆破掘进，爆破采用光面爆破或欲裂爆破，如图1所示。

图1 上、下台阶及隧底分布示意图

下台阶开挖分两步开挖，即左右侧错开掘进。先爆破开挖支护右侧，掘进两个循环以后，再开挖支护左侧，如此循环施工。始终要保持两侧错开两个循环进尺，只有这样爆破对相邻一侧的影响才会减小。下台阶分两部分爆破开挖后爆破体积大幅度减少，临空面成倍增加，降低了爆破难度与爆破破坏力度，对上台阶土质围岩的稳定也起到一定的作用，其炮眼布置可以取消掏槽眼，用周边眼与辅助眼即可完成该部分爆破任务，如图2所示。钻爆参数是一动态的参数，应根据围岩变化及时调整，进行动态管理。先行洞的测试数据除了用于控制本隧道开挖的爆破震动符合规范外，还可用于对后行洞的爆破药量进行估算。但根据计算和众多测试表明，在先行洞同一断面、同一位置处，同等药量在距此断面相同距离处在先行洞和后行洞的岩体中引爆，测得的震速有较大差异。由于先行洞已开挖，后行洞引起的爆破震动将是先行洞开挖时引起的震动的2～6倍，最大可达12倍。因此，利用先行洞开挖时测定的震动数据对后行洞的爆破参数进行调整，尤其是这种土石结合隧道，爆破参数要在实际施工中验证、完善。

由于同一围岩类别段的岩体中常存在局部的段落或局部区域出现岩质相对较差现象，为确保工程安全，应根据这些局部的围岩状况进行震动控制。

根据多座隧道爆破震动测试结果，预裂爆破、光面爆破与普通爆破相比，爆破引起的（质点）震动速度可降低10%～50%.因此，小净距隧道施工中应尽量采用预裂爆破和光面爆破技术。

根据已建成的小净距隧道施工经验，在药量较为集中的情况下，爆破时，在靠近已开挖隧道一侧设置预裂爆破减震带，也可有效减小已开挖隧道壁的震动速度。下台阶钢架要及时与上台阶钢架连接。由于下台阶钢架拱角是支垫在中风化砂岩上，承载力高，所以无需设置锁脚锚杆，但是拱架之间的连接钢筋要焊接牢固，使各钢架连接成整体，共同承担围岩压力以及爆破震动。

2.2.4 隧底开挖支护

隧底采用光面爆破开挖方法，在下台阶至仰拱距离超过10 m时，爆破开挖隧底石方。隧底是仰拱施工的第一步，也是隧道沉降趋于稳定的关键一步，施工不当容易造成沉降反弹。这种土石结合的特殊类型隧道，隧底施工也是很重要的一步。首先是炮眼布置如图2所示，一次爆破钻眼深度、装药量等都要比下台阶大，但是不能超过2.4 m，中间位置需设置掏槽眼，否则容易欠挖，爆破完成后及时封闭成环。一般公路隧道隧底钢架与下台阶钢架衔接处会对接不到位，原因是有些厂家定做的弯曲机半径达不到设计要求，所以在开工之前一定要考虑到这个问题，使隧道型钢支护成一个圆顺的环，避免应力集中产生不均匀沉降。

2.2.5 仰拱、二衬及沉降观测

隧底开挖支护完成后要及时浇筑仰拱及填充混凝土，仰拱和填充分开浇筑，按照前面所列步长关系紧跟二衬。

土石结合类隧道沉降观测尤其重要，上台阶完成喷射混凝土支护以后，在拱顶以及拱腰位置设置3个沉降观测点，点间距2.5 m且必须在同一里程段上。在拱脚位置设置一对收敛观测点，根据沉降量大小安排观测次数，但是每天不能少于一次；下台阶开挖支护完成后在下台阶中间位置再设置一对收敛观测点。根据有限元分析显示，这几个位置都是隧道压力最大的位置，也是最容易发生变形的位置，所以需加强在这几个位置的沉降观测。

3 施工中的注意事项

坡头隧道岩层出现在隧道下台阶以及仰拱位置，土石结合隧道，爆破容易对上层黄土造成影响，上台阶掌子面黄土在爆破当中有可能会被震动，破坏原有的稳定结构，造成裂缝或掉块现象。

在具体施工时候一定要注意以下几点：①隧道左右洞掌子面以及仰拱位置要错开一定距离，大于25 m.②先前施工的钢架一定要打好超前支护，系统锚杆、锁脚锚杆一定要加强，在拱脚位置可以增加锁脚锚杆数量。③拱脚一定要放在坚实的基础上，禁止拱脚悬空。④钢架纵向连接钢筋一定要按照设计焊接牢固，把每一榀钢架连接成一整体。⑤每次放炮完成后必须检查上台阶以及其他初期支护是否稳定。⑥洞内爆破必须统一指挥，爆破时所有人员撤到不会受有害气体、震动和飞石损伤的地点，其安全距离为不小于200 m.⑦装药前应检查爆破工作面附近支护是否牢固，必要时应先进行加固。⑧爆破后必须经过通风排烟，15 min后检查人员方可进入工作面检查，检查内容为：有无瞎炮，有无残余炸药或雷管，有无松动石块，支护有无松动或变形。如发现瞎炮，必须由原装炮人员按规定进行处理。如果是孔外的导爆管损坏引起的瞎炮，则切去损坏部分重新连接导爆管即可。如果是其他原因，可平行于该眼30 cm钻眼，装药后引爆该瞎炮，严禁用镐抛或用高压风吹，要仔细收集未爆的药卷，当检查确认危险因素已经排除后，才可以撤出警戒。

4 结束语

我国黄土隧道施工经过多年的实践与理论结合已经达到了相当高的水平，但是在实际施工中总是会发生诸多不确定因素。土石相结合的隧道出现的情况比较少见，其中有机械开挖、爆破开挖等多种施工方法并存，这就要求在施工技术管理人员做好工序协调配合，更要做好安全管理工作。

根据现场施工经验以及多方资料查证，得出结论：①按照围岩分层情况对隧道进行了分台阶开挖；②加强了土质围岩的支护，调整了支护参数，增强了土石交接处上台阶拱架锁脚力度；③对炮眼布置作好有效的调整，并阐述了土石结合类隧道的围岩监控的重点。