隧道钻爆法开挖的超挖控制分析

王 衡

(中铁十八局集团 第四工程有限公司,天津 300350)

当前,我国各地正在加大交通设施建设力度,在开展隧道工程施工时,常会遇到地质条件较差的情况,如软弱围岩隧道就是具有一定施工难度的隧道工程,此类工程由于围岩情况不佳,在钻爆开挖过程中很容易出现超挖问题。所谓超挖问题指的是开挖的深度超过了设计允许的范围。对隧道工程而言,一旦发生超挖问题,就会影响到最终施工工艺参数的合理性,进而影响隧道工程质量,降低围岩和支护结构的稳定性,甚至可能会诱发安全事故。因此,在隧道施工过程中必须控制好隧道超挖这一问题。际丰隧道工程在钻爆开挖施工中,根据此类工程的特殊性,分别从控制爆破循环进尺、改进掏槽方式、加强施工监测及合理设置钻爆参数等方面,对钻爆开挖施工进行改进,取得了显著的施工成果,有效解决了软弱围岩的开挖超挖问题,可供同类工程参考。

1 工程概述

南平联络线高速公路工程际丰隧道全长293 m,位于福建省南平市南山镇际丰村,隧道左右洞为小净距布置,属短隧道。隧道纵坡坡率为2.5%,坡长为293 m。隧道进、出口设计桩号分别为ZK28+211(YK28+208)、ZK28+504(YK28+501);进、出口设计高程分别为240.622,248.290 m,进、出口高差为7.668 m。

际丰隧道左洞通过地质岩性为全风化—弱风化云母花岗岩,Ⅲ级围岩为200 m,Ⅳ级围岩为40 m,Ⅴ级围岩为53 m。际丰隧道右洞通过地质岩性为全风化～弱风化云母花岗岩,Ⅲ级围岩为205 m,Ⅳ级围岩为35 m,Ⅴ级围岩为53 m。隧道地表水为沟谷汇水,不发育;地下水为基岩裂隙水,较发育。隧道区地下水最大总涌水量约为94.80 m3/d。

该隧道采用钻爆法施工。由于地质条件复杂,包括围岩等级的大幅度变化、岩体完整性差及复杂的水文地质条件,导致在隧道施工过程中常常出现超挖现象。为了保证施工质量和施工安全,必须对超挖现象进行控制。

2 引起隧道超挖的主要原因

大量工程实例和研究表明应用钻爆法进行施工时,软弱围岩是引起超挖的主要原因。

2.1 薄层状板岩和片岩

板岩是一种由变质岩或沉积岩经过高温高压作用形成的岩石。它通常具有灰色、绿色、红色、棕色或黑色的外观,质地坚硬,脆性较小,不易磨损和腐蚀。单轴饱和抗压强度通常不足15 MPa,属于典型的软岩。钻爆开挖施工中容易引起隧道轮廓线之外保留区域岩体的损伤,特别是边墙位置,在机械排险清渣时容易发生大块掉落。通常情况下,板岩超挖超限的尺寸有60～100 cm。工程薄层状板岩现场如图1所示。

图1 薄层状板岩现场图

片岩具有明显的片理结构,属于区域动力片质岩。片质岩主要由片状、粒状、柱状矿物组成,单轴饱和强度比较低,也属于软岩,容易在边墙等部位产生较大超挖。

2.2 节理裂隙发育的Ⅳ级围岩

受地质运动的影响,在地应力的作用下,隧道岩体在多组节理面的共同切割下,形成碎块状结构,从而降低岩体的完整性。隧道开挖中采用钻爆法会在隧道拱部、拱腰、边墙等位置出现掉块问题,从而引起较大的超挖。节理裂隙发育现场如图2所示。

图2 节理裂隙发育图

2.3 脉状侵入发育的岩体

在凝灰质板岩形成过程中,若遇到石英、方解石的侵入,会导致岩体从整体上被切割成碎块状。隧道施工中应用钻爆法施工时,在隧道掌子面上能够清楚看到灰黑色岩体被大量枝脉状矿物分割[1]。采用钻爆法开挖隧道时,使用少量的炸药就能完成爆破开挖,但爆破会产生较大振动,破坏开挖轮廓线之外的保留岩体。爆破后形成的堆放渣块直径小于10 cm的数量超过95%,在进行机械清渣的过程中,隧道拱部会出现严重的掉块问题,进而引起超挖。情况严重时,甚至会引起局部塌方。方解石脉侵入的凝灰质板岩现场如图3所示。

图3 方解石脉侵入的凝灰质板岩

3 隧道钻爆法超挖控制技术的应用

3.1 软弱围岩超挖控制方法

在本工程钻爆开挖施工中遇到了大量含水量大、稳定性差的软弱围岩。若不采取有效的控制方法,会出现严重的超挖问题,造成巨大的经济损失,甚至会引起严重的安全问题。按照类似工程的施工经验,可采取如下控制方法:

1) 根据设计文件和现场实际情况,结合地质条件,确定合理的爆破参数。隧道爆破时,应根据围岩类型和地质条件选择合适的炸药单耗、装药结构、装药数量和装药线长度。

2) 选择合适的掏槽形式。在爆破前,应对掏槽眼进行预钻孔,并根据围岩情况选择合适的掏槽眼深度、间距和数量[2]。

3) 确定合理的装药量。根据围岩情况选择合适的装药结构和装药量,在保证炸药能量得到充分利用的前提下,尽可能降低单位炸药的消耗量。对于浅孔爆破,应减少装药量和装药时间;对于深孔爆破,应增加炸药能量密度。

4) 严格控制装药质量。对炮眼进行详细的检查和测量,确保炮眼装药质量。采用小孔径药卷时,应在炮孔内注满水或砂浆,以保证装药过程中不堵塞炮孔。

5) 及时初喷。钻爆开挖结束后,需要及时采用5～8 cm厚的喷射混凝土进行初喷,以便封闭开挖面,避免发生掉块问题。尤其是对局部节理裂隙发育严重的拱部岩体,需要采用随机锚杆进行有效加固[3]。

3.2 改进钻爆工艺

在采用钻爆法时,钻爆工艺的不合理也是引起超挖问题的主要原因。因此,在具体施工中需要严格按照隧道超前预测的结果,对钻爆施工工艺进行改进。

1) 控制爆破循环进尺。根据爆破设计文件中的循环进尺,确定隧道开挖循环进尺和每循环进尺的最大允许装药数量。首先,合理确定爆破参数,提高爆破效率,减少超挖;其次,按照设计文件和地质条件选择合适的掏槽形式、掏槽眼位置;再次,合理选择装药结构和装药量,适当提高装药量;最后,严格控制装药密度[4]。

2) 改进掏槽方式。目前,在隧道开挖中钻爆采用的掏槽方式多为楔形掏槽。此种掏槽方式具有效率高、效果好等优势,比较适用于大断面开挖;缺点是飞石距离比较远,容易对掌子面前方的被保护物造成影响和破坏。为解决这一问题,需要按照隧道掘进进尺、岩石特性、断面几何形状等相关因素进行科学有效的改进[5]。比如:可继续使用楔形掏槽眼,由于炮眼需要沿着掌子面隧道中心线进行对称布置,尤其是在进行槽口开眼施工中,要尽量扩大距离,减少辅助眼布置的数目。可于掌子面中心线两侧各布置一排(图4),若遇到硬岩,则可以采用二阶楔形槽眼(图5)。

图4 楔形掏槽图

图5 硬岩时楔形掏槽眼布置

3) 加强施工监测。根据隧道周边围岩的变化情况及时调整爆破参数;采用非电毫秒延期雷管和低密度微震毫秒雷管同时起爆;通过监控量测实时掌握隧道开挖轮廓线和超挖情况,及时进行调整;在施工过程中采用动态设计方法进行设计调整[6]。

4) 加强围岩支护结构的监控量测。在隧道开挖过程中,应根据围岩情况和爆破效果对围岩支护结构进行变形监测。在拱顶沉降监测过程中,应按照相关规定,将拱顶沉降变形量控制在不超过0.2 mm/d的范围内;在收敛变形监测过程中,收敛变形量应不超过0.1 mm/d[7]。

3.3 选择合理的钻爆参数

3.3.1 周边孔光爆参数选择

周边孔光爆参数的选择直接关系到爆破施工的成败。为有效控制钻爆引起的超挖问题,在选择周边孔光爆参数时,需要严格按照TZ 204—2008《铁路隧道工程施工技术指南》中对光爆参数的规定进行合理选择(表1)。

表1中所列的参数,适用于炮眼深度为1.0～3.5 m,炮眼直径为40～50 mm,药卷直径为20～35 mm的情况。在断面比较小,或围岩为软弱岩,对开挖质量要求比较高的情况下,E应取最小值,W应大于周边眼间距E。若在软岩钻爆施工中E选择了较小值,则W需要适当增大,E/W在软岩钻爆施工中取小值,硬岩和小断面爆破施工中则取大值。

3.3.2 辅助眼参数选择

辅助眼主要布置在掏槽眼和周边眼之间。结合案例工程的地质条件和围岩特点,为有效控制超挖问题,在进行辅助眼布置时要控制相邻辅助眼之间的距离为0.6～0.8 m,并细分为若干排,尽量成环布置,排距应控制在0.8 m以下[8]。且最外排辅助眼到周边眼之间的距离应为最小抵抗线,控制在0.4～0.6 m,若遇到硬岩则要取大值。辅助眼装药量计算式为

Q=L×η

(1)

式(1)中:Q为辅助眼的钻孔装药量,kg;L为辅助眼的深度,m;η为装药长度系数,即装药长度与炮孔深度的比值,通常为0.45～0.65,软岩取小值,硬岩取大值。

3.3.3 装药结构

为有效控制钻爆法施工中引起的超挖和欠挖问题,还要结合炮眼种类的不同,选择合适的装药结构。比如:掏槽眼和辅助眼要采用从孔底装药的连续式装药结构,带有雷管的起爆药包尽量要安装在孔底,选择孔底反向起爆的方式[9]。

周边眼则要尽量采用不耦合间隔的装药方式,选择专用药卷,或者直径为25 mm的小直径药卷。间隔装药是控制隧道钻爆超挖的关键环节,须严格按照图6所示的标准进行装药。

图6 周边眼装药结构图

4 超挖控制效果

在隧道施工中,为保证施工质量,需要尽量减少超挖量。不同围岩条件下,超挖控制应符合表2中的相关规定,平均超值开挖计算式为

表2 平均和最大超挖控制表

(2)

式(2)中:L为隧道开挖施工中平均超挖值,mm;S表示超挖面积,mm2;D为钻爆设计开挖断面周长(不包括隧底),mm。

本工程在钻爆法开挖时,采用了以上控制方法,隧道拱部破碎岩和土围岩超挖量为98 mm,中硬岩和软岩为148 mm,硬岩为102 mm。边墙每侧超挖量为101 mm,全宽超挖量为195 mm。仰拱和隧底的超挖量为110 mm,全部满足施工要求,取得了良好效果,可为类似工程施工提供借鉴和参考。

5 结 语

综上所述,结合实际案例分析了隧道钻爆法开挖的超挖控制方式,得出以下几点结论:1) 在隧道爆破开挖过程中要严格控制装药结构、起爆顺序、药量和爆破时间。只有合理选择装药结构和起爆顺序,才能有效控制超挖量。2) 在隧道施工过程中,要严格控制超挖,并及时对超挖部位进行处理。根据工程实际情况,对于不超过设计规定的超挖部分采取加强支护、及时支护或拆除等措施。如果出现超挖问题,应及时对超挖部位进行处理。3) 在隧道工程施工过程中,要加强对爆破参数的检测和控制。对爆破参数进行合理优化调整,及时修正,可有效控制隧道出现超挖问题。