小半径曲线非对称连拱隧道开挖关键技术研究

2012-10-19李明庞才林宋利邦赵晓彬

城市建设理论研究 2012年23期

关键词：监测

李明庞才林宋利邦赵晓彬

摘要：重庆市马家岩隧道立交工程是目前国内最小半径的曲线连拱隧道，施工过程中通过采取先进可靠的开挖方法、优化光面爆破参数和先进的测量、监测手段，实现了对小半径隧道超欠挖的有效控制，满足了工期、质量和安全要求，取得较好的社会效益和经济效益。

关键词：小半径连拱隧道，中导洞，光面爆破，TPS测量，监测

一、工程概况及地质条件

1.1，工程概况

重庆沙坪坝区马家岩立交由小半径曲线非对称连拱隧道和二个下穿道组成。其中，隧道分A、B匝道双洞隧道。A匝道隧道全长150.242m，隧道进口净宽10.5m，位于直线段上。隧道出口处于半径R=23.5m的园曲线上，隧道净宽9.61m，净高7.21m。整个隧道的平曲线从设计起点开始依次为R=∞，L=25m，R=57.5m，R=∞，L=23.5m。 B匝道隧道出口在直线段上，隧道进口在半径R=25m的园曲线上。隧道全长114.011m，整个隧道的平曲线从原设计起点开始依次为R=∞,R=25m，B匝道隧道净宽11.42m，净高7.77m。见A、B匝道隧道平面图及断面图。

1.2，工程地质条件

场区属剥蚀丘陵地貌，地形高差大，最高处高程为378.60m，最低处为327.98m，相对高差50.62m。

场地整体上东高西低。A、B匝道穿越了现有的路线及邻近一小山丘。现有线路部分地形较平坦，地形坡角一般小于10°。丘陵部分地形较陡，自然斜坡部分坡角一般约35°—40°，局部人工开挖的边坡部分达70°。

场地位于沙坪坝背斜东翼。据基岩露头调查得知，地层呈单斜产出，产状108°＜10°。场区发育有两组裂隙，场区内无断层及构造破碎带，裂隙不发育，地质构造简单。

根据地表调查及钻孔揭露，路线区钻探深度范围内地层为第四系全新统土层（Q4）及侏罗系中统沙溪庙组（J2S）的基岩。

拟建场地位于浅丘斜坡地带，无崩塌、泥石流、滑坡、岩溶洞穴、煤与瓦斯、有毒有害气体、地温异常等不良地址现象。

二、隧道开挖断面及方法

2.1，中導洞工艺代替原三导洞工艺

本工程原设计是“三导洞”施工工艺，但该工艺存在诸多不足，主要是工序繁多，需要撤除的临时支护多，工作面狭小，不能使用大型机械，工效低，费用高，施工周期长。由于本工程位于主城区交通中心，工期紧张，采用三导洞施工工期不能保证。

通过对工程的围岩情况研究，并根据以往的施工经验，向建设方，监理方提出将施工工艺改为中导洞工艺施工。即中导洞先行无侧壁导洞的工艺，二次衬砌是采用大型液压式钢模板台车全断面一次性浇筑。

相对三导洞施工法，采用中导洞施工法具有以下优点；工序较少且简单，施工干扰少，省去了侧导洞开挖和部分临时初期支护及拆除工序，施工空间大，便于使用大型机械设备，施工质量易于保证。在确保施工安全的同时，可加快进度、缩短工期、提高效益、降低造价。

2.2，本工程中导洞施工工艺要点

根据马家岩立交隧道工程中导洞开挖贯通的实际地质情况，对隧道主洞开挖方法再次进行研究，通过B洞出口试验段，证明采用中导洞上下台阶法开挖主洞是安全可行的，而且可以加快进度，针对隧道主洞开挖试验段提出以下工艺要点：

2.2.1根据施工进度计划安排选择在B隧道出口段15m范围内作为试验段；台阶开挖的高度设在起拱线的位置，上台阶长度要大于10m；

2.2.2严格控制爆破进尺和超欠挖，每循环进尺的最大长度控制在1.5-2.0m；爆破采用光面爆破法，雷管的分段为15段。

2.2.3初期支护加强：原类围岩的型钢支护的间距60cm变成50cm，其他超前小导管、锚杆、钢筋网及喷射混凝土的支护参数不变，Ⅳ级围岩的型钢支护的间距80cm、变成60cm，超前小导管、锚杆、钢筋网及喷射混凝土的支护参数同V级围岩；

2.2.4加强施工监控量测工作，加大试验段监控量测的频率，及时量测信息指导施工，通过反馈信息来不断完善设计，达到施工安全、快速、经济的目的。必测项目有拱顶下沉、洞内水平收敛位移、支护内应力量测、锚杆拉拔力及地震波检测。

2.2.5在软弱围岩条件下，坚持“管超前，严注浆；短开挖，弱爆破；强支护，早封闭；勤测量，二衬紧跟；信息及时反馈，及时修正”的原则；

2.2.6开挖后，立即进行初期支护，缩短围岩暴露时间，确保喷射混凝土的强度和厚度，并紧贴岩面；

2.2.7仰拱超前，二次衬砌距开挖面不超过30cm；

2.2.8如发现局部边墙围岩变差，应用拱脚锁脚锚杆加强初期支护，控制拱顶下沉；

2.2.9左右洞掌子面开挖，应错开50m以上，确定左右洞开挖间距的原则是，先行洞二次衬砌达到一定强度后，再进行后行洞开挖，以减少后行洞开挖对先行洞的不利影响。

三、普通钻爆设计

3.1，掘进循环进尺

本工程围岩采用短进尺，多循环掘进。由于本隧道工程为曲线小半径，为控制超挖值，对A洞、B洞的掘进进尺分别进行计算（计算步骤略）。

经计算侧墙钻角定为外侧倾角0°即沿曲线切线方向钻孔，拱部外侧倾角为2°，对B洞台阶法施工掘进尺外侧2.0m，内侧1.21m。

3.2，炮孔深度,直径

钻孔采用YT-28风钻，炮眼孔径为φ42mm，为克服岩石的夹制作用，除陶槽眼深度取掘进进尺加200mm以外，其余各炮眼深度取值按以上掘进进尺计算值确定。在实际操作中应视掌子面的凹凸情况，调整各炮眼钻孔长度，使所有炮眼（除陶槽眼外）眼底处于外侧切线的法线面上。

四，光面爆破参数设计

光面爆破是通过调整周边眼的各爆破系数，使爆炸先沿各孔中心连线形成贯通的破裂缝，然后内围岩体裂解，并向临空面方向抛掷。光面爆破的目的是使爆破后的岩石表面按设计轮廓线成型，表面能较平顺，超挖量最小，对坑道围岩的挠动较小。

确定合理的光爆参数是获得良好光面爆破效果的重要保证。光面爆破的主要参数有：周边眼间距（E）、周边眼密集系数（m）、最小抵抗线（W）、不偶合系数（D）和装药集中度（q）。

4.1，连续装药的不耦合系数

不耦合结构能够比较均匀地降低炮孔壁所承受的峰值压力，有助于保护孔壁少受径向爆破裂隙的破坏。对陶槽眼及辅助眼应采用较小的值，以提高炸药的爆破效率，对周边眼则可采用较大的值，以减小对围岩的破坏。

炸药在炮孔中爆炸后形成的爆炸冲击波的平均压力为：

其中：n：爆生气体与炮孔壁碰撞时的压力增大系数，n=8-10。

P：炮孔内炸药形成的平均值。

：炸药的爆速。

：装药炮孔直径。

：炸药药卷平均密度（0.9-0.95g/cm3）。

光面爆破技术的关键是炸药爆破时对炮孔壁面产生的冲击压力不大于岩石的抗压强度。P≤kbsc。

Kb：体积应力状态下岩石的抗压强度增大系数，kb=10。

Sc：岩体的单轴抗压强度，在掘进过程中通过的岩石f=8～10。

4.2，间隔装药的单位装药长度

间隔装药单位装药卷直径32mm炮孔直径40mm，不能满足连续装药的不耦合系数，所以采用空气间隔装药，当炸药爆炸后，作用在炮孔壁上的冲击力为：

式中：、分别为装药长度和空气间隔长度，炸药能量10%用于压碎围岩。

4.3，线装药密度（装药集中度）

严格控制周边眼的装药量，即周边眼装药量应具有破岩所需的应力能量，又不致造成对围岩的严重破坏坏，施工中应根据炮眼孔E，光面层厚度（即最小抵抗线）W，石质及炸药种类等因素综合考虑，一般单位炮眼长度装药量控制在0.04kg/m~0.4gk/m，称为线装药密度,或称装药集中度

qj=0.265×2*0.15/200/2=0.199kg/m=0.2kg/m。

4.4，炮眼间距

周边的孔距E是沿劈裂面炮眼中心距，抵抗线W是劈裂面离开临空面的距离即光面层的厚度。一般孔距要小于或等于抵抗线，以使相邻两孔产生的应力波相遇后再达到抵抗线边缘，炮眼间距取550 mm

4.5，最小抵抗线

为了保证周边眼孔之间贯通裂缝优先形成，须使周边眼的最小抵抗线大于炮眼间距

式中：w：最小抵抗线。

：线装药密度

c：爆破系数c=0.2-0.5kgm-3。

：炮眼长度。

4.6，炮眼密度系数

炮孔密集系数（周边眼）是孔距与抵抗线的比值。

五、炮眼布置及钻爆作业

5.1,炮孔布置

周边眼按轮廓线上径向间距55cm布置，A洞孔数49个，B洞孔数54个；中导洞孔数37个

陶槽眼：孔数为12个，中线上设三个空孔；除去陶槽孔12个和周边孔，其余均为辅助孔：

A洞全断面法，布置辅助孔74个

A洞台阶法，布置辅助孔44个

辅助孔数目根据岩性布孔，台阶法施工时布孔间距0.8~1.0m，全断面法施工时，布孔间距为1.0~1.2m，布孔时要留出光爆层厚度约750mm。

5.2,炮孔布置图

5.3，起爆顺序、时差

5.3.1起爆顺序

（1）在同一个开挖断面上，起爆顺序是由内向外逐层起爆；这个起爆顺序可以用迟发雷管的不同延发时间（段别）来实现。

（2）试验和研究表明：各层（卷）炮之间的起爆时差越小，则爆破效果越好；常采用的时差为40ms~200ms，称为微差爆破。

（3）在内外圈中的同圈炮必须同时起爆，尤其是陶槽眼和周边眼，以保证同圈炮的的共同作用的爆破效果。

（4）延发时间可由孔内控制和孔外控制；孔内控制是将迟发雷管装入孔内的药卷中来实施微差爆破，孔外控制是将迟发雷管装在孔外，在孔内药卷中装入即发雷管来实现微差爆破；本工程用孔内控制微差爆破。

（5）采用周边眼同时起爆。要求采用毫秒雷管微差顺序起爆，应使周边爆破时产生临空面，同段的周边眼雷管起爆时差应尽可能小，使用导爆索起爆效果好；因为同时起爆，使炮眼间爆破力起共同作用，比较容易炸成平面。

（6）光面爆破的分区起爆顺序是：陶槽眼→辅助眼→周边眼←底板眼。辅助眼由内向外层层起爆，辅助眼应使光面爆破层厚度尽可能一致。

5.3.2起爆时差

两相邻光爆孔中因雷管误差会导致不能同时起爆，存在起爆时差，专门试验和光爆实践表明，这种时差在10ms以内有利于贯穿裂缝的形成。光爆实践证明，两相邻光爆孔的时差不大于100ms即可获得良好的爆破效果，时差愈短則壁面平整效果愈有保证。根据实际，采用导爆管雷管起爆系统，时差利于控制，所以采用导爆管雷管起爆系统同时起爆方案。辅助孔相对于陶槽孔，辅助孔之间周边孔相对于辅助孔它们的毫秒间隔取50~100ms之间。

5.4，钻爆作业

5.4.1钻孔作业

司钻人员要严格按炮眼布置图准确开钻，特别是钻周边眼，要求有经验的钻工司钻，台车下面设专人指挥。因此，隧道超欠挖的控制，司钻时必须做到（1）周边炮眼的开口位置应尽量在开挖轮廓线上；（2）周边炮眼的外插方向一定要在隧道曲线的切线上；（3）所有炮眼（陶槽眼除外）的眼底位置应尽可能在隧道切线的法线的同一垂直面上，因此，所有炮眼的钻孔深度L是都不一样的，都要分别计算并统一标注在炮眼布置图上，以方便司钻。

5.4.2装药

装药前先用高压气体进行清孔，将跑眼内的泥浆、石硝吹洗干净，经检验合格后才能装药爆破；装药时一定要严格按照炮眼的设计要求连续装药或间隔装药或不耦合装药，总的装药长度不宜超过炮眼深度的2/3；用木制炮棍压紧，以增加炮眼的装药密度。炮眼装药后眼口未装药部分应该用炮泥进行堵塞。良好的堵塞可以提高炸药的炮轰性能，还能阻止炮轰气体产物过早地从炮眼口冲出，提高爆炸能量的利用率。在光面爆破中，填塞长度应取装药长度的0.5-0.6.。

六，测量与监测

6.1，TPS 隧道机载测量系统的应用

隧道测量是整个隧道建设工作中的一个重要环节，隧道轮廓线测量画线的精度直接影响隧道开挖效果，特别是周边眼的精度，直接影响超挖值。传统的作业方法，如采用“计算器+全站仪”或者“打印好的坐标表+全站仪”的工作模式，费时费力效率低下，非常不利于隧道的施工。特别是采用钻爆法+新奥法施工的隧道，快速而准确的测量是其中非常重要的环节，本工程采用徕卡Tps 隧道机载测量系统，为小半径曲线非对称连拱隧道的施工提供了强有力的支持。

徕卡Tps 隧道机载测量系统可快速实现隧道断面测量及隧道超欠实时检查、炮孔放样、隧道中线及边线放样、围岩收敛测量等。所有数据均可一次性输入，解算时程序自动分析、调用。

6.2监测

6.2.1监控量测项目及工作量

6.2.2量测数据的处理及应用

（1)根据爆破震动监测结果调整和优化爆破设计参数。

每次爆破震动监测数据收集后，即用软件进行分析，求出震动速度。据公式

在已知震速V，装药量Q，炮眼至测点距离R的情况下，可计算K、a值，并据此对装药参数进行修正。根据计算的K、a值，由V可反算装药量Q，从而指导下一循环的爆破作业。爆破震速控制值取：2.5cm/s。

（2)根据现场量测数据绘制位移——时间曲线或散点图，在位移——时间曲线趋于平缓时应进行回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。当位移——时间曲线出现反弯点，即位移出现反常的急聚增加现象，表时围岩和支护已呈不稳定状态，应及时加强支护必要时应停止掘进，采取必要的安全措施。

（3)根据位移变化速率判断围岩稳定状况，当变化速率大于10-20mm/天时，需加强支护系统；当变化速率小于0.2mm/天时，认为围岩达到基本稳定。

（4)测量过程如发现异常现象或与设计不符时，应及时提出，以便修改支护参数。

6.2.5监测结论

（1）本阶段爆破振动监测101轮炮次，所监测炮次监测位置质点震动速度峰值均小于GB6722-2003《爆破安全规程》规定的控制振速2.0cm/s；