水工隧洞近距離下穿高速公路標段綜合開挖技術

楊建春 師要剛

摘要：淺埋復雜地質水工隧洞施工存在圍巖坍塌、冒頂的風險，當隧洞部分洞段處于高速公路正下方，隧洞施工期間要保證原線路高速正常通行的條件下，使得隧洞施工難度更高、安全風險增大;本工程通過對下穿高速公路隧洞段開挖施工方法的技術經濟比選，采用了爆破與免爆方法相結合的實施方案，取得了良好的效果，為類似工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：隧洞 復雜地質 下穿高速公路 ?開挖技術

1.前言

新疆某輸水工程4#隧洞在施工過程中，由于下穿當地一條高速公路，該段覆蓋層較薄僅為7.8m不足1倍洞徑，且該處巖層為破碎巖體+斷層帶，屬于Ⅴ類圍巖，重型車輛通過時對隧洞頂部巖體形成較大振動壓應力，在隧洞開挖過程中易形成掉快、坍塌等現象，可能造成路基變形。為此，通過對國內常用免爆開挖施工方法的技術經濟比選，最終采用懸臂式掘進機進行施工，并結合液壓劈裂和欲裂松動爆破等輔助措施，順利完成了穿高速洞段的施工任務。

2.工程概況

本工程隧洞穿高速洞段全長109m，其中高速路下方長40m，隧洞結構為馬蹄形，開挖洞徑10.0m，覆蓋層厚7.8m。隧洞斷面結構如下圖所示。

2.2地質條件

該段位于低山丘陵，地形平坦開闊，分布高程678～683m，高差相約5m。地表基巖裸露，局部表層分布第四系全新統(tǒng)洪積粉土質砂及人工堆積碎石土，結構松散，厚度1.0～2.0m;下覆為基巖，巖性為泥盆系中統(tǒng)阿勒泰組（D2a）二長片麻巖、黑云母斜長片麻巖，二長片麻巖，淺灰白色，次塊狀～塊狀構造;黑云母斜長片麻巖，淺灰黑色，薄～中層，基巖強風化層厚4～10m，巖石多破碎;弱風化層10～12m，節(jié)理裂隙發(fā)育。根據地表踏勘測繪及鉆孔揭露，樁號97+283～97+353m，發(fā)育f1、f2擠壓破碎帶，寬約2～12m，產狀295°NE∠65°帶內以擠壓碎裂巖為主，夾有糜棱巖和斷層泥，與洞軸線夾角約10°，對洞室穩(wěn)定影響較大。隧洞上覆巖體厚8～13m，洞身多位于弱風化基巖內，且有地下水，沿基巖裂隙面有滴水滲水現象。

3.常用免爆施工方法綜合比選

目前國內免爆施工方法常見的主要方式為：①靜態(tài)破碎劑，②液壓劈裂技術，③液壓破碎錘，④懸臂式掘進機，現對上述四種免爆施工技術經濟性對比分析。

3.1免爆開挖方案綜合比選

思路 利用YT-28進行鉆孔，將靜態(tài)破碎劑調成流動狀漿體，注入鉆孔中，經水化后，產生膨脹壓力將混凝土或巖石（抗拉強度為4～10 MPa）脹裂、破碎。分上下臺階開挖。 利用潛孔鉆機（或其他鉆機）預先在掌子面施打大于100mm直徑的空孔作為釋放孔，再利用YT-28手風鉆打劈裂孔，然后將液壓劈裂機的分裂器塞進劈裂孔中進行破巖。 利用潛孔鉆對周邊輪廓線進行鉆孔，控制開挖輪廓線，利用液壓破碎錘破巖，分上下臺階開挖。 采用機械破巖原理，上下左右連續(xù)移動截割頭來完成破巖開挖工作，可用于任何斷面形狀的隧洞。分為上下臺階。

方案

優(yōu)勢 1、無需火工品供應，無爆破飛石;

2、圍巖擾動小，開挖輪廓線控制較為精準，減少超挖量。 1、靜態(tài)破碎巖體，無震動，無飛石，安全性高;

2、結構小，重量輕，機動性能好，使用方便。 單次破碎量可控制。

設備移動靈活，操作方便。 1、圍巖擾動小，可精確控制開挖輪廓線，減少超挖量;2、開挖效率與巖石強度有關一般為3～15m3/h;3、施工安全性高，靈活方便，可實現連續(xù)化施工作業(yè);4、超欠挖易控制、節(jié)約后續(xù)施工的混凝土噴射量，降低施工成本;

方案

劣勢 1、鉆孔數較多，工作量大，效率較低，需打100mm直徑以上的空孔作為自由面。

2、不適用于極低溫度施工和破碎巖體及裂隙發(fā)育巖體。

3、上臺階由于缺少自由面需要水平鉆孔，水平鉆孔時需要將流態(tài)的破碎劑事先裝在封閉的塑料膜袋中，再進行填孔。 1、由于劈裂機的橫向擴張有限，所以施打的劈裂孔的間排距很小約為30～50cm，所以鉆孔量較大，單次破碎量有限。需設置一排空孔作為臨空面。

2、適用于巖石完整性較好的脆性巖體，對于較為破碎巖體不適用。

3、由于單次破碎量小，施工效率較低。 1、為保證開挖輪廓線，減少巖石垮塌需要對輪廓線進行鉆孔，鉆孔數較多，孔間距20～30cm，鉆孔工作量大。

2、易造成超挖，隧洞圓弧輪廓線不易控制。

3、無自由面時破巖開挖效率低。

4、受空間限制不夠靈活。 1、開挖過程遇到零星完整的孤石，巖石硬度較高，破巖難度大，截齒磨損量大，費用高，開挖效率下降。

安全

性 反應時間不易掌握，易沖孔;

圍巖暴露時間長，安全性差。 圍巖暴露時間長安全性差 由于對巖體擾動大，容易產生局部跨石情況，安全性差 安全性高

3.2大管棚施工

根據地表測繪及鉆孔揭露，在樁號97+283～97+353m段發(fā)育f1、f2擠壓破碎帶，寬度2～12m，帶內以擠壓破碎巖為主，加有糜棱巖和斷泥巖，斷層產狀295°NE∠65°，與洞軸線夾角約為10°，對洞室穩(wěn)定影響較大。為保證隧洞施工和高速公路運行的絕對安全，在穿高速段40m增加Ф108大管棚超前支護。管棚施工范圍為洞頂120°～150°范圍內擴挖形成，擴挖長度為4m，采取分臺階開挖方式。開挖完成后，立刻進行初期支護，支護形式為HW150型鋼拱架，間距為50cm，布系統(tǒng)錨桿，掛網Ф8@200，噴C30砼20cm，二襯時對擴挖洞室按原結構混凝土回填。管棚為Ф108*6mm無縫鋼管，一次鉆進長度為40m，管節(jié)之間采用套管絲扣連接，管節(jié)接頭錯開2m，環(huán)向間距為30cm，外插角為3～5°，孔內注漿采取水泥漿液注漿，水灰比為0.6：1～1：1，灌漿壓力為0.6～1.0Mpa。具體如下圖所示。

3.3預裂松動爆破技術

3.3.1 預裂松動爆破流程

具體施工流程如下：測量放線→小導管超前支護→預裂爆破→上臺階松動爆破→上臺階懸臂掘進機開挖→上臺階出渣→上臺階支護→下臺階測量放樣→下臺階松動爆破→下臺階懸臂掘進機開挖→下臺階出渣→下臺階支護。

3.3.2 ?施工方法

施工方法：采用上下臺階開挖方法，臺階開挖時，先對開挖輪廓線進行預裂爆破，輔助增加相應的空孔作為釋放孔，減少對周邊圍巖擾動;主爆孔采取少裝藥進行松動爆破，最大單響藥量控制在0.4Kg以內，采用非電毫秒延時雷管起爆網絡，孔間延時50毫秒，另根據懸臂機掘進效率，單次鉆孔深度控制在1.0m以內。

3.3.3 鉆孔與爆破

（1）鉆孔

鉆孔布置圖如下圖所示。

φ165mm的釋放孔采用CM351潛孔鉆造孔，φ42mm爆破孔采用YT28手風鉆鉆孔。

（1）預裂孔

沿著開挖輪廓線設置預裂孔，預裂孔孔徑為42mm，孔距為0.5m，一次鉆孔深度為1.0m。單孔裝藥量為0.2kg。

（2）主爆孔

主爆孔孔間距的取值為1.0m，排間距為1.0m，可采取梅花型布孔，單孔藥量為0.4kg，同時應根據掘進斷面的具體尺寸調整孔間距，以使布孔盡可能均勻。打孔時，孔間距誤差不能大于0.1m，具體情況進行適當調整。

（3）裝藥結構及起爆順序

裝藥，采用乳化炸藥，炮孔堵塞一般采用鉆孔巖屑、黃泥，采用木棍堵塞。各爆破孔裝藥結構見下圖。

炮孔應按周邊預裂孔、第一排主爆孔、第二排主爆孔…的先后順序起爆。

3.4懸臂掘進機掘進技術

懸臂掘進機通過前端的截割頭上下左右連續(xù)移動切割磨削巖體。根據設備性能，截割破碎開挖均為上下臺階開挖，上臺階高度為5m，下臺階高度為5.07m，由于設備切割過程對巖石擾動相對小，開挖循環(huán)進尺為0.8～1.2m。截割破碎效率約3～15m3/h。

巖體經過切割破碎后，通過設備自帶的輸送鏈條和前部鏟板上的星盤渣土刮板器至運輸系統(tǒng)，后可直接卸渣至自卸車內，或堆積一部分后采用裝載機直接裝車運出洞外，由于巖石切割過程中，大塊石隨節(jié)理面滑落造成無法及時運至洞外，影響設備運行，需配備一臺挖機及時清理大塊石。

另根據設備特性， 掘進機工作時要求1140V穩(wěn)定電壓，需要設置專用變壓器，變壓器容量可為1000/800/630KVA，高壓開關柜到變壓器一次側電力電纜，電纜耐壓為10KV，變壓器二次側輸出電壓為1.14KV。

4.結論及建議

結論：為保證工程建設節(jié)點工期實現，確保通過洞穿高速段109m安全高效地完成，結合現場實際情況，經過認真分析研究，通過以懸臂掘進機開挖為主，同時輔以破碎錘和預裂松動爆破技術相結合的開挖方法，提高了設備利用率，達到安全、高效、快速的目的;在資源配置、施工工藝、安全保障、施工工期、工程造價等諸多方面效益顯著。

建議：（1）根據當地氣候條件，加強低溫季節(jié)洞內保溫工作措施，保證混凝土初期強度，降低噴射混凝土的回彈量;

（2）根據揭露圍巖情況，采取合適的開挖方式，當巖石單軸飽和抗壓強度超過70Mpa時，對懸臂掘進機截齒的消耗非常大，施工成本增加較大，進尺慢單純懸臂掘進機施工不經濟，可輔以欲裂松動爆破，再進行掘進效果較好;懸臂掘進機更適用于巖石強度小于70Mpa地層。

（3）大重型鋼拱架安裝，需采用機械設備和工裝手段配合，不但能夠降低勞動強度，提高效率，而且安全性高;

（4）對于淺埋破碎巖體隧洞施工，應加強與路政管理部門、交通管理部門、公路管理部門的溝通與協(xié)調，做好相應的交通應急預案和道路導改方案，防止意外情況的發(fā)生。

參考文獻：

[1]楊輝斌《懸臂掘進機部分斷面掘進法在隧洞開挖施工中的應用》水利科技. 2021，（03）.

[2] 黃基富 肖功夷《懸臂掘進機在交通隧道施工中的實踐應用與適應性研究》現代隧道技術. 2021，58（02）

[3]徐仁軍《懸臂式掘進機在軟巖隧洞開挖中的應用》小水電. 2021，（01）

作者簡介：楊建春、1983.03、男、民族：漢、籍貫（山西省霍州市）、學歷：本科（學士學位）、職稱：工程師、研究方向： 隧道工程師要剛 ?1983.07，男，漢，河南省漯河市，本科，高級工程師，研究方向：隧道工程