强风化薄层围岩隧道的开挖控制技术

冯世彪

(山西太兴铁路有限责任公司，山西太原 030013)

1 工程概况

杜交曲1号隧道地貌为典型黄土地貌，隧道洞身于里程DK68+230～DK68+420处发育两条与线路相交的深沟，在DK68+330～DK68+550里程段内隧道洞身处于岩体破碎节理裂隙发育的全风化或强风化片麻岩层中，片麻岩层向上为粘土层，隧道拱顶距片麻岩层与黄土层分界线2 m～3 m，现场实际开挖过程中，局部拱顶已处于黄土层中。隧道洞身所处全风化片麻岩基岩呈灰黄色，手捏易碎;强风化片麻岩基岩呈灰白色，岩芯破碎，整体呈块状或短柱状，沿裂面有明显锈染，敲击易碎。

现场出现的问题:面对隧道拱顶的薄层片麻岩，在开挖过程中很容易引起隧道塌方，要想顺利施工必须要控制好开挖技术。

2 现场解决方案

结合杜交曲1号隧道的围岩地质特征，为了更好的进行施工、管理工作，提出以下四种主要的现场解决方案:

1)做好监控量测，掌握围岩变化。隧道开挖中，破坏了围岩原来的稳定性，因此围岩要产生一定量的变形，及时支护能减少这种变形。为了较准确的知道围岩的变化规律，要进行相应的监控量测，及时反馈，有利于支护的进行。2)缩短开挖进尺，对前方围岩进行超前小导管注浆预加固。超前注浆小导管能加固前方围岩，同时能起到堵水的作用。3)三台阶开挖工法，这是根据现场的围岩级别、地质条件确定的。4)采用光面爆破技术。

3 隧道开挖控制技术分析

3.1 监控量测

1)监控量测的意义。监控量测和施工同时进行，是监测地层在开挖和稳定措施条件下的真正反映。根据现场监控量测数据，随时调整开挖进尺及支护参数，以保证隧道施工的安全顺利进行。2)监控量测具体措施。本隧道通过测量隧道的水平净空收敛以及隧道拱顶沉降来监测地层变化情况，来确定已经进行的初支情况及确定二衬的施作时间。监控量测测桩用φ6或者φ8盘条做成闭合的三角形，并且测桩要埋入围岩长度不小于10 cm。Ⅳ级围岩监控量测点每隔10 m布置一个断面，Ⅴ级围岩监控量测点每隔5 m布置一个断面。3)监控量测的注意事项。对于应该埋设测点的里程，隧道开挖后应及时埋设，并在12 h以内完成初始读数。测点应尽可能靠近开挖面，要求在2 m以内。测试频率应视围岩条件、工程结构条件及施工情况稳定，一般情况下按表1的要求而定。

表1 监控量测频率表

3.2 缩短进尺，预加固前方围岩

1)预加固前方围岩的措施。采用超前小导管注浆加固前方破碎松散的围岩，采用以下参数:a.超前小导管。φ42无缝钢管，长度4.5 m，钢管壁上每隔15 cm梅花形钻孔，孔径8 mm。小导管环向间距30 cm，整个上台阶布置，纵向间距3.0 m。b.注浆材料。采用水泥浆液注浆，水灰比为0.6∶1，加入水玻璃，其中水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.5。c.注浆压力。注浆压力为1.0 MPa～2.0 MPa。2)加固原理。超前小导管在开挖前，沿坑道周边，向前方围岩钻孔并安装带孔小导管，通过小导管向围岩压注起胶凝作用的浆液，浆液到岩体裂隙中并硬化后，将破碎的岩块或颗粒胶结为整体，并且填塞了裂隙，使得坑道周围岩体形成了加固圈。

3.3 三台阶开挖工法

现场采用三台阶法施工，上台阶预留核心土。上台阶采用小药量的松动爆破，上台阶长度控制在3 m～5 m，这样既方便气腿式风枪钻眼又能保证挖机顺利出渣;中下台阶长度控制在15 m～20 m，这样既缩短了支护闭合时间，有利于控制围岩变形，又能顺利出渣，缩短出渣时间加快隧道开挖。

3.4 开挖爆破控制——光面爆破

采用光面爆破，周边眼采用红线控制，以减弱对围岩的扰动，减小爆破松动圈。

1)爆破参数的选取。

a.周边眼。周边眼间距40 cm，最小抵抗线为50 cm，循环进尺1.0 m，炮眼利用率根据以往爆破经验可取0.90，则炮眼深度为:

其中，l为循环进尺长度;η为炮眼利用率。

实际取炮眼深度为1.1 m。

炸药选用2号岩石乳化炸药，药卷直径为32 mm，长度为200 mm，每卷质量为0.15 kg，采用气腿式风枪钻孔，钻头直径选取42 mm。

由于此段围岩节理发育岩体破碎，故周边眼装药系数取0.3，则:

其中，τ为装药系数。

实际取1.5卷。

b.掏槽眼。掏槽眼采用楔形掏槽，掏槽眼的深度一般在每循环炮眼的深度的基础上加深0.2 cm，故深度为1.3 m，设置6个掏槽眼，为了保护中央核心土，掏槽眼的位置设在中央核心土左右两侧及上方，每处各两个，装药系数取0.4，掏槽眼装药量为:

单孔装药卷数=0.4 ×1.3 ÷0.2=2.6 卷，实际取2.5 卷。

单孔装药量=2.5 ×0.15=0.375 kg。

c.辅助眼。在周边眼以内依据最小抵抗线再设置一圈辅助眼，辅助眼间距70 cm，辅助眼装药系数取0.35，则辅助眼装药量为:

单孔装药卷数=0.35×1.1 ÷0.2=1.925卷，实际取2卷。

单孔装药量=25 ×0.15=0.3 g。

d.炮眼数目。通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算，公式为:

其中，N为炮眼数目;q为单位耗药量，取1.2 kg/m3;s为开挖面积，上台阶面积为26.86 m2;τ为装药系数，取0.4;γ为每米药卷的炸药质量，取0.78 kg/m。于是:

实际取103个。

2)起爆顺序。

现场采用毫秒导爆管雷管1段，3段，5段，7段，9段，11段，孔内延期起爆法。各个炮眼所使用的毫秒导爆管雷管段数分别为:掏槽眼使用1段，辅助眼使用3段，5段，7段，9段，周边眼使用11段。采用簇联网路，每簇采用一发瞬发导爆管雷管起爆，瞬发导爆管雷管由一发8号电雷管起爆。

4 结语

现场实践表明，采取这些施工措施，在后续施工过程中，隧道没有发生大的塌方，安全顺利的度过了这段薄层破碎的围岩。在软弱破碎围岩中，巷道的开挖不能只局限于一种方式，要多种施工工艺同时进行。对于这样的围岩，即使是采取短进尺开挖，开挖面和开完后的巷道也不稳定。当地下水丰富时，情况更为严重。在隧道工程历史中，隧道坍方的事例并不鲜见，造成了人、财、物的大量浪费。按“围岩控制变形分析工法”的观点，对于不稳定的围岩体系，要进行工作面前方的预加固和预支护，作为辅助开挖的方式。因此，对于巷道的开挖要统筹管理和安排，几种工法同时使用，爆破的方式、预加固和预支护、监控量测、适当的开挖方法等，以保障开挖的安全。

1)采用光面爆破法可以使开挖面平整光滑，减少超欠挖，有利于后期的施工作业，同时对围岩的破坏影响小，有利于隧道围岩的稳定，提高隧道施工的安全系数。

2)小导管注浆对开挖前方围岩预支护，坑道在浆液硬化后会形成具有一定厚度的加固圈，在加固圈的保护下可以安全地进行开挖作业。

3)监控量测可以及时的反映隧道围岩的变化情况，以便于及时调整支护参数，保证隧道的施工安全和施工损失。

4)采用台阶法施工，合理的确定台阶的长度，既能保证隧道的施工安全，又能减少隧道循环进尺的时间，加快隧道施工进度，保证隧道施工质量。

［1］TB 10204-2002，铁路隧道设计规范［S］.

［2］王海亮.工程爆破［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［3］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］王清江.隧道洞口开挖稳定技术分析研究［J］.山西建筑，2013，39(38):140-141.