北乐原隧道开挖技术研究

董兴兵

（中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410114）

1 工程概况

北乐原隧道位于吕梁山余脉，黄土覆盖中、低山区，山顶浑圆，山脊连续；地势总体呈东北西南走向，山势西南高，东北低，黄土冲沟多位于东南西北两侧，微地貌表现为黄土梁、中陡坡－陡坎及冲沟等。地表海拔+1 055.98 m~+1 302.00 m，相对高差246.02 m。

北乐原隧道左线长2 010 m，右线长2 015 m，总长4 025 m，具体见表1所示。隧道围岩主要为湿陷性黄土、水平层泥岩、砂岩，其中Ⅴ级围岩1 375 m（占隧道总长34.2%），Ⅳ级围岩2 600 m（占隧道总长64.6%）。隧道洞口段主要围岩为粉质黏土，洞内围岩主要为泥质砂岩、砂岩，同时洞口位于两冲沟之间的狭长黄土梁上，山岭两侧为黄土峭壁，洞口埋深浅，存在不同程度的偏压，因此安全进洞是本项目前期施工重点。隧道下穿冲沟、山坳段落，由于黄土地质疏松，在地表水的侵蚀、冲蚀作用下，导致下穿冲沟、山坳段落平均埋深仅35 m左右，拱顶开挖线距地表仅25 m左右；最浅埋深处仅24 m， 拱顶开挖线距地表仅14 m左右，主要段落有：左线ZK2+100~ZK2+200段、ZK2+990~ZK3+060段，右线YK1+940~YK2+140段。如何安全、快速通过下穿冲沟、山坳段落，是本项目的施工难点。

表1 北乐原隧道设计概况表

2 隧道开挖技术

2.1 整体开挖技术方案

北乐原隧道将按新奥法原理组织施工，在施工中投入大型机械设备，形成挖、装、运、锚、衬等多条机械化作业线。具体开挖方案如下：①由于北乐原隧道进口端隧道洞口位于两冲沟之间的狭长黄土梁上，山岭两侧为黄土峭壁，洞口开挖线最大埋深18 m，最小埋深仅5 m左右，存在不同程度的偏压，需先对边仰坡加固处理，然后分级进行洞口边仰坡施工， 边仰坡施工完毕后再施作管棚进洞。②Ⅴ级围岩洞口加强段采用单侧壁导坑开挖法施工，Φ42小导管超前注浆支护。人工风镐配合机械开挖为主，必要时辅以预裂、微振动爆破。③Ⅴ级围岩普通断采用留核心土环形开挖法施工，Φ42小导管超前注浆支护。人工风镐配合机械开挖为主，必要时辅以预裂、微振动爆破。④Ⅳ级围岩采用留核心土环形开挖法施工，Φ25超前锚杆支护。风动凿岩机钻孔、微振动光面爆破施工。

2.2 洞口加固

根据北乐原隧道右线出口洞顶地质地形条件（洞顶埋身浅，洞口两侧为峭壁，偏压严重），为了确保施工安全，隧道开挖之前先进行地表注浆处理。

（1）注浆方法。注浆采用双层管双栓法，钻孔成形后，拔出钻杆撤走钻机，然后向钻孔中插入一根套管，该套管的节长33~50 cm，其中开有小孔（即注浆孔）。

注浆时把两端都装有密封双塞的注浆芯管插入上述外管中，由于注入压力的作用浆液从两组双塞的中间经喷射口胀开胀圈进入土层中，逐次提升（或下降）芯管，即可实现逐段分层注浆，逐段分层高度宜为0.5 m。

（2）注浆工艺。为了满足洞内施工与地表注浆平行作业的要求，分段分片注浆。总体注浆顺序为：由洞口向洞内方向分段按顺序进行，每段注浆先注沟侧周边孔，后注山侧周边孔，注浆时先外围后内部，并采取隔孔注浆方式。①钻孔钻进。注浆钻孔开孔直径110 mm，钻孔采用干钻，注浆套管采用跟管钻进，钻进至基岩面下20 cm，钻孔孔径变为91 mm并继续钻进。钻孔施工按照先两边、后中间的施工顺序，先进行最远一排孔的施工，然后进行最内一排孔的施工，最后进行中间一排加强孔的施工。在同一排，为防止相邻施工孔之间窜浆，采用间隔施工法，施工孔间距为5孔，即：先进行1#、6#、11#、16#……孔施工，再进行2#、7#、12#、17#……孔施工，按此顺序，直到全排孔施工完毕。②下套管与封堵。套管采用φ91 mm钢管，每个孔的套管从孔底向上4.5 m范围钻设注浆孔，孔径6~8 mm，间距15 cm，梅花形布置。芯管为φ76 mm钢管，与注浆软管连接。③注浆：注浆顺序与钻孔顺序一样，同时采用间隔施工法，施工孔间距为5孔。注浆应先外侧边缘，后中心部位；土层注浆宜隔排跳孔施工；土层需分层进行注浆，多预留108 mm的短套管，便于施工。注浆压力0.5~1.5 MPa。

（3）洞口套拱及管棚施工。大管棚为超前预支护，在隧道开挖前完成，大管棚孔径10~16 mm，孔纵向间距15~20 cm，尾部留100 cm止浆段，注浆参数：水泥浆和水玻璃体积比1∶0.5；水灰比1∶1；注浆压力一般为0.5~1.0 MPa，终压2 Mpa。安装好有孔钢花管后浆液由ZJ400高速制浆机拌制， 采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内。

混凝土护拱作为长管棚的导向墙，断面尺寸为0.6×2.0 m，护拱内埋设钢筋支撑，钢筋与管棚孔口管连接成整体。

2.3 隧道开挖

（1）洞口加强段开挖。北乐原隧道开挖采用单侧壁导坑开挖法。开挖时以人工风镐配合机械开挖为主，必要时辅以预裂、微振动爆破。Φ42小导管超前注浆支护，开挖循环进尺为一榀钢架间距，台阶长度3~5 m。左右侧导坑间隔距离视施工现场的实际情况而定。仰拱衬砌滞后开挖10~15 m。单侧壁导坑开挖法施工工序见图1所示。具体施工步骤：先行导坑上部开挖①→先行导坑上部开挖段支护②→先行导坑下部开挖③→先行导坑下部开挖段支护④→后行导坑上部开挖⑤→后行导坑上部开挖段支护⑥→后行导坑下部开挖⑦→后行导坑下部开挖段支护⑧→模筑全周衬砌⑨。

图1 单侧壁导坑开挖法施工工序

（2）洞身开挖。隧道洞身Ⅴ级围岩段采用三台阶开挖法，体开挖时以人工风镐开挖为主，辅以预裂、微振动爆破。施作Φ42超前小导管，开挖后及时喷砼封闭岩面，并进行初期支护作业。下导坑（含仰供）挖掘机拉槽开挖，两侧各留1.5 m边墙人工风镐交错开挖，两工序平行作业，纵向台阶的长度视施工现场的实际情况而定。留核心土环形开挖法施工工序见图2所示。具体施工步骤为：上部环形开挖（先挖拱顶，后挖两侧）①→上部挂网、锚喷和架设钢支撑②→开挖核心土③→下部土开挖④→下部拱墙挂网、锚喷和架设钢支撑⑤→铺设仰拱混凝土⑥→拱墙部分二次衬砌⑦。

图2 留核心土环形开挖法施工工序

洞身Ⅳ级围岩采用留核心土环形开挖法施工，Φ25超前锚杆支护。风动凿岩机钻孔、微振动光面爆破施工。

2.4 隧道开挖爆破参数设计

各级围岩钻爆参数确定。①洞口段爆破参数。洞口段设计循环进尺0.7 m，周边眼孔距E=60 cm，底板眼E=85 cm，辅助眼孔距E=70~120 cm，掏槽眼间距E=15~50 cm，具体炮眼布置见图3所示。具体先行导坑上部及下部开挖位置炮眼布置参数见表2、表3所示。受文章篇幅限制，下行导坑炮眼参数文中不再赘述。②洞身Ⅴ级围岩采用三台阶预留核心土开挖法。设计循环进尺1.6 m，周边眼孔距E=50 cm，底板眼E=60 cm，辅助眼孔距E=70~90 cm，掏槽眼间距E=15~50 cm，具体炮眼布置见图4所示。具体上台阶炮眼布置参数见表4。③洞身Ⅳ级围岩普通段采用三台阶预留核心土开挖法。设计循环进尺2.7 m，周边眼孔距E=50 cm，底板眼E=60 cm，辅助眼孔距E=70~90 cm，掏槽眼间距E=15~50 cm。

图3 单侧壁导坑开挖炮眼布置示意图

表2 先行导坑上部炮眼布置参数

表3 先行导坑下部炮眼布置参数

图4 三台阶预留核心土开挖法炮眼布置示意图

表4 上台阶炮眼布置参数

装药参数。①装药结构。炸药有Φ25×250 mm、Φ32×280 mm两种规格，电雷管周边眼采用小直径药卷（Φ25）空气间隔装药结构，其余炮眼采用特制药卷（Φ32）连续装药结构。②掏槽眼装药量及起爆方式。掏槽眼装药系数选择在75%~80%左右。眼底加强装药，堵塞炮泥不宜小于40 cm。起爆采用Φ32乳化炸药、毫秒间隔非电雷管。

3 总结

开挖是隧道施工方案重要组成单元，开挖技术方案会直接影响隧道施工效率及质量，因此应依据现场条件合理确定。文章以北乐原隧施工为工程背景，对隧道开挖技术方案进行分析。由于隧道洞口段围岩以粉质黏土、洞口埋深浅且存在不同程度的偏压，为确保洞口开挖安全，采用注浆、管棚方式对洞口围岩进行加固，应采用单侧壁导坑开挖法进行开挖；对开挖方式及炮眼布置方案等进行设计。洞内围岩主要为泥质砂岩、砂岩，隧道开挖时会下穿冲沟、山坳段落，围岩以IV级为主，部分区段为V级，为实现隧道安全高效开挖，开挖方式选用三台阶预留核心土开挖法，并给出开挖技术方案。

北乐原隧施工期间采用的开挖技术方案对围岩结构扰动较小，可确保隧道施工质量及施工进度需要。