不良地質(zhì)隧道超欠挖控制技術(shù)

韓義浩

中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 710016

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞（越嶺段）0-1號(hào)勘探試驗(yàn)洞工程位于秦嶺嶺南中低山區(qū)，地形起伏。主洞為馬蹄形斷面，斷面尺寸為6.76×6.76m（寬×高），洞室埋深320-734m。圍巖類型為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖采用錨噴支護(hù)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用鋼拱架聯(lián)合支護(hù)[1]。

1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

該施工區(qū)域地層巖性主要涉及地層下元古界長(zhǎng)角壩巖群沙壩巖組大理巖、石英片巖、片麻巖及碎裂巖。途徑斷層影響段落占全隧總長(zhǎng)的17.6%。斷層帶物質(zhì)以碎裂巖、斷層泥礫為主。

2 影響超欠挖的因素分析

2.1 斷層破碎帶及影響帶

斷層破碎帶及影響帶是指由于受到地殼運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的強(qiáng)大的壓力和張力，巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造，從而破壞了巖體的完整性和連續(xù)性，往往表現(xiàn)為巖石破碎、涌水、裂隙等，易備風(fēng)化侵蝕。在爆破過(guò)程中，受到爆破震動(dòng)及應(yīng)力波的影響，易發(fā)生圍巖變形失穩(wěn)、剝落掉塊等，嚴(yán)重影響超欠挖。

2.2 巖爆地段

當(dāng)巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，破壞了巖石結(jié)構(gòu)的平衡，多余的能量導(dǎo)致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巖爆往往造成工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡，同時(shí)巖爆產(chǎn)生的破碎巖石嚴(yán)重影響超欠挖。

2.3 水平成層圍巖

由于拱部圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙間泥沙填充，在爆破后，圍巖應(yīng)力重新分布，臨空面的圍巖松動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其自重所造成的壓力，頂板開(kāi)始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，受到結(jié)構(gòu)面切割后，裂紋發(fā)展并張開(kāi)，繼而松動(dòng)掉落。待拱部圍巖相對(duì)穩(wěn)定后，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出超挖允許范圍，不僅對(duì)安全產(chǎn)生影響，也大大增加了工序使用時(shí)間及施工成本。

2.4 開(kāi)挖技術(shù)影響分析

（1）鉆孔技術(shù)。鉆孔技術(shù)對(duì)隧道超欠挖的影響主要表現(xiàn)在周邊孔的外插角θ、開(kāi)口位置e和鉆孔的深度L，三者與超欠挖高度h有著如下的關(guān)系：

由式中可以看出，隨著外插角θ、開(kāi)口位置e和鉆孔深度L的增大，超欠挖h增大。在施工過(guò)程中，以鋼拱架聯(lián)合支護(hù)后掌子面開(kāi)挖時(shí)表現(xiàn)的最為明顯。

（2）爆破參數(shù)。圍巖類型變化頻繁，但周邊孔間距、抵抗線、線裝藥密度等爆破參數(shù)沒(méi)有及時(shí)得到調(diào)整，爆破后要么對(duì)圍巖擾動(dòng)過(guò)大，剝落掉塊嚴(yán)重，造成超挖；要么藥量不足，圍巖侵限嚴(yán)重，造成欠挖，很難實(shí)現(xiàn)光面爆破。

3 不良地質(zhì)超欠挖控制

3.1 超前預(yù)報(bào)

（1）在開(kāi)挖前可對(duì)圍巖斷層破碎帶及影響帶進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，以準(zhǔn)確掌握前方斷層破碎帶的詳細(xì)情況以及圍巖節(jié)理裂隙、破碎的發(fā)育程度。

（2）根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合實(shí)際地質(zhì)對(duì)每循環(huán)開(kāi)挖掌子面地質(zhì)素描，進(jìn)行初步的地質(zhì)分析，為后續(xù)的開(kāi)挖施工提供理論依據(jù)。

（3）若隧道局部圍巖破碎、石質(zhì)較差，且圍巖軟硬分解明顯，可根據(jù)巖層的走向、傾角等預(yù)測(cè)前方可能出現(xiàn)的斷層破碎帶，以便及時(shí)調(diào)整爆破、支護(hù)參數(shù)。

3.2 調(diào)整圍巖應(yīng)力分布

（1）超前預(yù)注漿。在遇到斷層破碎帶及影響帶時(shí)，為加強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力，可采用超前管棚、超前小導(dǎo)管等方式進(jìn)行預(yù)注漿，通過(guò)鋼管和漿液的共同作用，將掌子面的破碎圍巖提前固結(jié)，形成一個(gè)相對(duì)完整的整體，然后進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

（2）超前探孔。掌子面開(kāi)挖前，采用長(zhǎng)度大于開(kāi)挖進(jìn)尺的超長(zhǎng)鉆桿對(duì)前方圍巖進(jìn)行鉆孔，根據(jù)鉆芯和鉆進(jìn)過(guò)程中的巖粉、鉆速和水質(zhì)情況，判斷前方的水文、地質(zhì)條件，也可以使掌子面及洞壁的自身應(yīng)力提前釋放。在遇到巖爆地段，通過(guò)采取在超前探孔中注入高壓水、向巖面噴霧等措施，降低巖石強(qiáng)度和彈性模量，減少巖爆發(fā)生率[2]。

3.3 適當(dāng)調(diào)整爆破參數(shù)

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，巖體的地質(zhì)特征是造成超欠挖的主要因素之一，從外觀上可以看出圍巖存在明顯的節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、斷層等特征。首先應(yīng)改變“同一循環(huán)中使用同一爆破參數(shù)”和“始終使用一種爆破參數(shù)”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，在不良地質(zhì)段落，根據(jù)圍巖的軟硬程度、節(jié)理裂隙發(fā)育狀態(tài)對(duì)周邊孔的線裝藥密度進(jìn)行調(diào)整，并適當(dāng)采用預(yù)裂爆破，以減少爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，即可在很大程度上節(jié)約炸藥用量，降低爆破成本，又可達(dá)到控制超欠挖的目的。

3.4 初期支護(hù)

質(zhì)量?jī)?yōu)良的初期支護(hù)對(duì)不良地質(zhì)隧道超欠挖控制而言顯得尤為重要。開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)”的原則進(jìn)行。開(kāi)挖完成后，及時(shí)施作初期支護(hù)，確保斷層破碎帶、水平成層、巖爆等圍巖的穩(wěn)定性，有效避免連續(xù)塌方的可能。在遇到圍巖極為破碎、極不穩(wěn)定時(shí)，需要及時(shí)施作鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，但由于鋼拱架距掌子面較近，周邊孔外插角θ增大導(dǎo)致超挖h隨之增加。為減小周邊孔外插角θ，可采用長(zhǎng)短孔結(jié)合的方法進(jìn)行。短孔孔底落于掌子面前方第一榀拱架位置的開(kāi)挖輪廓線上；長(zhǎng)孔位于短孔內(nèi)側(cè)，適當(dāng)欠挖10cm左右，深度與進(jìn)尺一致。在長(zhǎng)孔起爆前，短孔可將長(zhǎng)孔欠挖部分爆掉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超欠挖的控制[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞（越嶺段）0-1號(hào)勘探試驗(yàn)洞工程在施工中，采用科研課題研究為先導(dǎo)，施工中強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的對(duì)比分析，綜合采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、開(kāi)展多次爆破試驗(yàn)和監(jiān)控量測(cè)等手段，克服了多項(xiàng)不良地質(zhì)帶來(lái)的各種困難，同時(shí)在初期支護(hù)中鋼拱架聯(lián)合支護(hù)控制超欠挖方面取得了突破性進(jìn)展，與傳統(tǒng)施工相比，在保證安全的前提下大大降低了施工成本，為同類工程施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。