不良地质隧道超欠挖控制技术

韩义浩

中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710016

1 工程概况

1.1 工程简介

引汉济渭工程秦岭隧洞（越岭段）0-1号勘探试验洞工程位于秦岭岭南中低山区，地形起伏。主洞为马蹄形断面，断面尺寸为6.76×6.76m（宽×高），洞室埋深320-734m。围岩类型为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，其中Ⅲ类围岩采用锚喷支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用钢拱架联合支护[1]。

1.2 地层岩性与地质构造

该施工区域地层岩性主要涉及地层下元古界长角坝岩群沙坝岩组大理岩、石英片岩、片麻岩及碎裂岩。途径断层影响段落占全隧总长的17.6%。断层带物质以碎裂岩、断层泥砾为主。

2 影响超欠挖的因素分析

2.1 断层破碎带及影响带

断层破碎带及影响带是指由于受到地壳运动中产生的强大的压力和张力，岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，从而破坏了岩体的完整性和连续性，往往表现为岩石破碎、涌水、裂隙等，易备风化侵蚀。在爆破过程中，受到爆破震动及应力波的影响，易发生围岩变形失稳、剥落掉块等，严重影响超欠挖。

2.2 岩爆地段

当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩石结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。岩爆往往造成工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，同时岩爆产生的破碎岩石严重影响超欠挖。

2.3 水平成层围岩

由于拱部围岩节理、裂隙发育，裂隙间泥沙填充，在爆破后，围岩应力重新分布，临空面的围岩松动压力远远小于其自重所造成的压力，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，受到结构面切割后，裂纹发展并张开，继而松动掉落。待拱部围岩相对稳定后，已经远远超出超挖允许范围，不仅对安全产生影响，也大大增加了工序使用时间及施工成本。

2.4 开挖技术影响分析

（1）钻孔技术。钻孔技术对隧道超欠挖的影响主要表现在周边孔的外插角θ、开口位置e和钻孔的深度L，三者与超欠挖高度h有着如下的关系：

由式中可以看出，随着外插角θ、开口位置e和钻孔深度L的增大，超欠挖h增大。在施工过程中，以钢拱架联合支护后掌子面开挖时表现的最为明显。

（2）爆破参数。围岩类型变化频繁，但周边孔间距、抵抗线、线装药密度等爆破参数没有及时得到调整，爆破后要么对围岩扰动过大，剥落掉块严重，造成超挖；要么药量不足，围岩侵限严重，造成欠挖，很难实现光面爆破。

3 不良地质超欠挖控制

3.1 超前预报

（1）在开挖前可对围岩断层破碎带及影响带进行地质超前预报，以准确掌握前方断层破碎带的详细情况以及围岩节理裂隙、破碎的发育程度。

（2）根据地质资料结合实际地质对每循环开挖掌子面地质素描，进行初步的地质分析，为后续的开挖施工提供理论依据。

（3）若隧道局部围岩破碎、石质较差，且围岩软硬分解明显，可根据岩层的走向、倾角等预测前方可能出现的断层破碎带，以便及时调整爆破、支护参数。

3.2 调整围岩应力分布

（1）超前预注浆。在遇到断层破碎带及影响带时，为加强围岩的自稳能力，可采用超前管棚、超前小导管等方式进行预注浆，通过钢管和浆液的共同作用，将掌子面的破碎围岩提前固结，形成一个相对完整的整体，然后进行开挖作业。

（2）超前探孔。掌子面开挖前，采用长度大于开挖进尺的超长钻杆对前方围岩进行钻孔，根据钻芯和钻进过程中的岩粉、钻速和水质情况，判断前方的水文、地质条件，也可以使掌子面及洞壁的自身应力提前释放。在遇到岩爆地段，通过采取在超前探孔中注入高压水、向岩面喷雾等措施，降低岩石强度和弹性模量，减少岩爆发生率[2]。

3.3 适当调整爆破参数

在隧道开挖过程中，岩体的地质特征是造成超欠挖的主要因素之一，从外观上可以看出围岩存在明显的节理、裂隙、软弱夹层、断层等特征。首先应改变“同一循环中使用同一爆破参数”和“始终使用一种爆破参数”的传统观点，在不良地质段落，根据围岩的软硬程度、节理裂隙发育状态对周边孔的线装药密度进行调整，并适当采用预裂爆破，以减少爆破产生的应力波对周边围岩的扰动，即可在很大程度上节约炸药用量，降低爆破成本，又可达到控制超欠挖的目的。

3.4 初期支护

质量优良的初期支护对不良地质隧道超欠挖控制而言显得尤为重要。开挖过程中，严格按照“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则进行。开挖完成后，及时施作初期支护，确保断层破碎带、水平成层、岩爆等围岩的稳定性，有效避免连续塌方的可能。在遇到围岩极为破碎、极不稳定时，需要及时施作钢拱架联合支护，但由于钢拱架距掌子面较近，周边孔外插角θ增大导致超挖h随之增加。为减小周边孔外插角θ，可采用长短孔结合的方法进行。短孔孔底落于掌子面前方第一榀拱架位置的开挖轮廓线上；长孔位于短孔内侧，适当欠挖10cm左右，深度与进尺一致。在长孔起爆前，短孔可将长孔欠挖部分爆掉，进而实现超欠挖的控制[3]。

4 结语

引汉济渭工程秦岭隧洞（越岭段）0-1号勘探试验洞工程在施工中，采用科研课题研究为先导，施工中强调理论与实践的对比分析，综合采用超前地质预报、开展多次爆破试验和监控量测等手段，克服了多项不良地质带来的各种困难，同时在初期支护中钢拱架联合支护控制超欠挖方面取得了突破性进展，与传统施工相比，在保证安全的前提下大大降低了施工成本，为同类工程施工积累了宝贵的施工经验。