长距离小断面输水隧洞施工下穿高速公路控制技术

黄智刚，汪宏兵，郑守铭，赵 健，卫 魏，李国徽

（1.福州水务平潭引水开发有限公司，福建福州350000；2.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江杭州310005；3.福州城建设计研究院有限公司，福建福州350000；4.中国地质大学<武汉>，湖北武汉430074）

1 概述

大量下穿的隧道（洞）工程实践表明，隧洞施工必然会引起上部地层沉降和变形[1-3]，新建隧洞从既有高速公路下方穿越时，如果隧洞与既有高速公路净距过小，会导致隧洞衬砌发生较大的位移，从而对隧洞自身安全有严重的影响[4-5]；另外下穿隧道施工还会引起地表发生沉降，特别是当隧洞上方地表有公路时，地表沉降过大会影响公路的安全与运营。为了减少下穿隧洞对高速公路的影响，保证隧洞自身施工的安全，对隧洞下穿施工技术良好的控制显得尤为关键。

2 工程概况

大樟溪—东张水库输水隧洞是福建省平潭及闽江口水资源配置工程的重要组成部分，属于暗挖输水隧洞。大樟溪—东张水库输水隧洞下穿G534 替代绕行线（以下简称G534 国道）位于东张支洞（桩号DD21+732.713）下游658.812m处，输水隧洞与G534国道下穿交叉投影点（下穿交叉点）隧洞桩号DD22＋391.525，公路桩号K05 ＋625，下穿交叉点坐标（X＝2845930.514，Y＝40425276.228），隧洞顶板与公路路面的高差为21.935m。

输水隧洞下穿G534国道位置隧洞围岩情况如表1所示。

表1 下穿位置隧洞围岩一览表

3 隧洞施工

根据现有施工条件，下穿位置隧洞开挖拟采取钻爆法进行施工。其施工程序为：小导管超前支护→隧洞开挖→初期支护→重复上面循环至开挖结束→现浇混凝土衬砌。

首先进行小导管超前支护，由于下穿地段为Ⅴ类围岩，围岩的稳定性较差，为了提高围岩的稳定性，因此在隧洞开挖前首先进行小导管超前支护。通过小导管超前预加固，对未开挖岩体进行预加固，从而提高围岩的自稳能力，防止塌方的产生。小导管超前支护完成后即可进行隧洞开挖，隧洞开挖包括布孔、钻孔、钻孔质量检查、装药起爆、通风、洒水、清理浮石、出渣运输。隧洞开挖结束后，进行初期支护，初期支护包括初喷混凝土、架设钢拱架、小导管超前支护、锁脚锚杆、挂网、复喷混凝土。初期支护结束后，进行下一循环开挖。待隧洞开挖全部结束后，进行隧洞现浇混凝土衬砌。至此隧洞施工结束。

下穿位置隧洞施工工艺框图如图1所示。

图1 下穿位置隧洞施工工艺框图

3.1 复杂地层施工

复杂地层是指在破碎、松散、下穿构（建）筑等不良复杂地层、地段中施工。这些位置通常处于断面破碎带、隧洞浅埋等地段。复杂地层的围岩具有如下特点：

（1）围岩的自稳时间很短：在这些地段的围岩，自稳时间只有数十分钟，往往开挖后来不及进行临时支护就发生了片帮与冒顶。

（2）地压较大：在这些地段采取常规锚喷支护手段，仍不能保持围岩的稳定。对于围岩自稳时间很短的地段，在隧洞开挖前，应首先对围岩进行预加固，提高围岩的自稳能力，之后再进行开挖与支护。对于地压较大地段，则应提高临时支护的承载能力。在复杂地层中施工，拟采取如下一些措施，在实际施工中，再根据实际情况进行选择。

3.2 预加固施工方法

（1）超前锚杆预加固。施工中一发现可能出现破碎带的迹象，马上沿隧洞轮廓线钻孔，孔深至少应大于循环进尺1m（一般为3～5m），然后注入砂浆，再插入锚杆，锚杆的外插角宜为10°～15°，安设的锚杆使一定区域成为一个整体，以锚杆长度作为控制长度形成模拟挡土墙，通过这个挡土墙来抵抗背后土压，以达到超前支护的效果。由于这些锚杆对未开挖部位的岩石起到了预加固的作用，从而提高了开挖后围岩的自稳时间。

（2）超前小导管注浆预加固。超前小导管注浆预加固应用在围岩裂隙较多或岩石特别松散，孔隙率较大的地层。这些地层因岩石破碎而自稳能力降低，通过所灌注的浆液将破碎岩石胶结成一体，从而提高围岩的完整性和稳定性。

（3）管棚预加固。管棚预加固就是在隧洞轮廓线的外侧钻凿一排Ø100mm～Ø146mm 的钻孔，然后将Ø89mm的钢管插入孔内并注入水泥+水玻璃浆液，由于管棚的支撑作用，防止隧洞顶板的冒落，管棚预加固施工方法与洞口管棚预加固基本相同。

超前锚杆预加固和小导管预加固常应用在相对较差的地层，在围岩稳定性极差地层，则采取管棚法，同时管棚可承受较大的地压。三者也可同时使用。

4 下穿位置隧洞开挖爆破设计

下穿位置隧洞围岩类别为Ⅴ类，隧洞开挖洞径为5.2m（直径），断面为平底圆型，开挖断面面积S＝26.25m2。

4.1 炮孔布置原则

隧洞掘进爆破时，由于只有一个自由面，四周岩石夹制力很大，爆破条件困难，因此，掏槽孔的布置极为重要。掏槽孔的作用就是在工作面上首先造成一个槽腔作为第二个自由面，为其他炮孔爆破创造有利条件。辅助孔的作用是扩大和延伸掏槽的范围。光爆孔的作用是控制隧洞断面规格形状。为了提高其他炮孔的爆破效果掏槽孔应比其他炮孔加深0.15～0.25m。掏槽孔：本工程设计采用平行空眼直线掏槽，掏槽孔由5 个炮孔组成，各掏槽孔互相平行且呈对称形式排列，炮孔间距0.2m，中间一个为空眼。辅助孔和光爆孔：布孔均匀，既要充分利用炸药能量，又要保证岩石按设计轮廓线崩落。其间距根据岩石性质而定，本工程辅助孔0.53～0.7m，光爆孔距隧洞轮廓线取0.1～0.15m。底孔：底孔布置较为困难，有积水时易产生盲炮。因此，底孔孔口应比隧洞底板高出0.1～0.2m，但其孔底应低于底板0.1～0.2m，孔间距0.55～0.61m。底孔装药量介于掏槽孔和辅助孔之间，装药深度为孔深的0.7～0.8倍。

4.2 光面爆破参数

为了最大限度地减少爆破对围岩的破坏，全隧洞实行光面爆破。对于极破碎岩石地段则应采取预裂爆破。爆破参数按《水工建筑物地下开挖工程施工规范（SL378-2007）》光面爆破与预裂爆破参数表选取。见表2。

表2 光面爆破参数

4.3 全断面法开挖爆破参数

下穿位置隧道采取全断面法开挖爆破施工时，进尺取1.2m，炮孔深度取L＝1.3m，炮孔直径d＝38～42mm。根据现场爆破试验，合理经济地选取循环进尺。

用图解法确定炮孔数量为63 个，采用毫秒微差非电雷管全断面一次起爆方法。炮孔起爆顺序为：掏槽孔—辅助孔—底孔—光爆孔，应选用多段毫秒雷管，相邻炮孔的起爆时差应不大于100ms。每10～20发导爆管雷管外面裸露管连接到2发二级簇联导爆管雷管上，所有的二级簇联导爆管雷管必须是相同段位的。将所有的二级簇联导爆管雷管并联在一起，由非电起爆器引爆进而引爆整个网路。起爆网路图如图2所示。

图2 全断面法开挖起爆网路示意图（数字为雷管段别）

5 爆破安全分析验算

爆破工程主要有害效应主要有爆破振动、空气冲击波、个别飞散物及爆破噪声，输水隧洞下穿G534 国道，系地下暗挖爆破工程，爆破对G534 国道运营安全可能的影响是爆破振动。本工程属浅孔爆破，浅孔爆破频率范围为40～100Hz。G534国道属于水泥混凝土路面，依据《爆破安全规程》（GB6722-2014），套用新浇大体积混凝土（C20）标准，确定G534 国道爆破振动安全允许振动速度为10.0～12cm/s，取中间值11cm/s。

《爆破安全规程》GB6722-2014规定的爆破振动安全允许距离计算式如下：

式中：R——爆破振动安全允许距离，m；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg，本段最大单段药量设计为9.0kg。

V——保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s，V＝11cm/s；

K、α——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。可按《爆破安全规程》规定的安全允许标准选取，见表3。

表3 爆区不同岩性的K、α值

岩性取软岩石，则K＝300，α＝1.9。将上述各参数代入式（1）得：R＝11.9m 说明爆破振动对于距离输水隧洞顶21.9m处的G534国道道路路面是安全的。

6 结语

长距离小断面输水隧洞下穿高速公路施工过程中，下穿隧洞以“短进尺、弱爆破、快封闭、勤观测”为原则进行隧洞施工。同时加强运行车辆管理，采取“下穿左幅时，左幅封闭，右侧通行；下穿右幅时，右幅封闭，左侧通行”，实行半幅封闭，严格控制车辆的载重量和运行速度，保证了下穿隧洞施工的质量安全和上部既有高速公路的安全运营。