長距離小斷面輸水隧洞施工下穿高速公路控制技術(shù)

黃智剛，汪宏兵，鄭守銘，趙 健，衛(wèi) 魏，李國徽

（1.福州水務(wù)平潭引水開發(fā)有限公司，福建福州350000；2.浙江省隧道工程集團有限公司，浙江杭州310005；3.福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建福州350000；4.中國地質(zhì)大學<武漢>，湖北武漢430074）

1 概述

大量下穿的隧道（洞）工程實踐表明，隧洞施工必然會引起上部地層沉降和變形[1-3]，新建隧洞從既有高速公路下方穿越時，如果隧洞與既有高速公路凈距過小，會導(dǎo)致隧洞襯砌發(fā)生較大的位移，從而對隧洞自身安全有嚴重的影響[4-5]；另外下穿隧道施工還會引起地表發(fā)生沉降，特別是當隧洞上方地表有公路時，地表沉降過大會影響公路的安全與運營。為了減少下穿隧洞對高速公路的影響，保證隧洞自身施工的安全，對隧洞下穿施工技術(shù)良好的控制顯得尤為關(guān)鍵。

2 工程概況

大樟溪—東張水庫輸水隧洞是福建省平潭及閩江口水資源配置工程的重要組成部分，屬于暗挖輸水隧洞。大樟溪—東張水庫輸水隧洞下穿G534 替代繞行線（以下簡稱G534 國道）位于東張支洞（樁號DD21+732.713）下游658.812m處，輸水隧洞與G534國道下穿交叉投影點（下穿交叉點）隧洞樁號DD22＋391.525，公路樁號K05 ＋625，下穿交叉點坐標（X＝2845930.514，Y＝40425276.228），隧洞頂板與公路路面的高差為21.935m。

輸水隧洞下穿G534國道位置隧洞圍巖情況如表1所示。

表1 下穿位置隧洞圍巖一覽表

3 隧洞施工

根據(jù)現(xiàn)有施工條件，下穿位置隧洞開挖擬采取鉆爆法進行施工。其施工程序為：小導(dǎo)管超前支護→隧洞開挖→初期支護→重復(fù)上面循環(huán)至開挖結(jié)束→現(xiàn)澆混凝土襯砌。

首先進行小導(dǎo)管超前支護，由于下穿地段為Ⅴ類圍巖，圍巖的穩(wěn)定性較差，為了提高圍巖的穩(wěn)定性，因此在隧洞開挖前首先進行小導(dǎo)管超前支護。通過小導(dǎo)管超前預(yù)加固，對未開挖巖體進行預(yù)加固，從而提高圍巖的自穩(wěn)能力，防止塌方的產(chǎn)生。小導(dǎo)管超前支護完成后即可進行隧洞開挖，隧洞開挖包括布孔、鉆孔、鉆孔質(zhì)量檢查、裝藥起爆、通風、灑水、清理浮石、出渣運輸。隧洞開挖結(jié)束后，進行初期支護，初期支護包括初噴混凝土、架設(shè)鋼拱架、小導(dǎo)管超前支護、鎖腳錨桿、掛網(wǎng)、復(fù)噴混凝土。初期支護結(jié)束后，進行下一循環(huán)開挖。待隧洞開挖全部結(jié)束后，進行隧洞現(xiàn)澆混凝土襯砌。至此隧洞施工結(jié)束。

下穿位置隧洞施工工藝框圖如圖1所示。

圖1 下穿位置隧洞施工工藝框圖

3.1 復(fù)雜地層施工

復(fù)雜地層是指在破碎、松散、下穿構(gòu)（建）筑等不良復(fù)雜地層、地段中施工。這些位置通常處于斷面破碎帶、隧洞淺埋等地段。復(fù)雜地層的圍巖具有如下特點：

（1）圍巖的自穩(wěn)時間很短：在這些地段的圍巖，自穩(wěn)時間只有數(shù)十分鐘，往往開挖后來不及進行臨時支護就發(fā)生了片幫與冒頂。

（2）地壓較大：在這些地段采取常規(guī)錨噴支護手段，仍不能保持圍巖的穩(wěn)定。對于圍巖自穩(wěn)時間很短的地段，在隧洞開挖前，應(yīng)首先對圍巖進行預(yù)加固，提高圍巖的自穩(wěn)能力，之后再進行開挖與支護。對于地壓較大地段，則應(yīng)提高臨時支護的承載能力。在復(fù)雜地層中施工，擬采取如下一些措施，在實際施工中，再根據(jù)實際情況進行選擇。

3.2 預(yù)加固施工方法

（1）超前錨桿預(yù)加固。施工中一發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)破碎帶的跡象，馬上沿隧洞輪廓線鉆孔，孔深至少應(yīng)大于循環(huán)進尺1m（一般為3～5m），然后注入砂漿，再插入錨桿，錨桿的外插角宜為10°～15°，安設(shè)的錨桿使一定區(qū)域成為一個整體，以錨桿長度作為控制長度形成模擬擋土墻，通過這個擋土墻來抵抗背后土壓，以達到超前支護的效果。由于這些錨桿對未開挖部位的巖石起到了預(yù)加固的作用，從而提高了開挖后圍巖的自穩(wěn)時間。

（2）超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固。超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固應(yīng)用在圍巖裂隙較多或巖石特別松散，孔隙率較大的地層。這些地層因巖石破碎而自穩(wěn)能力降低，通過所灌注的漿液將破碎巖石膠結(jié)成一體，從而提高圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

（3）管棚預(yù)加固。管棚預(yù)加固就是在隧洞輪廓線的外側(cè)鉆鑿一排?100mm～?146mm 的鉆孔，然后將?89mm的鋼管插入孔內(nèi)并注入水泥+水玻璃漿液，由于管棚的支撐作用，防止隧洞頂板的冒落，管棚預(yù)加固施工方法與洞口管棚預(yù)加固基本相同。

超前錨桿預(yù)加固和小導(dǎo)管預(yù)加固常應(yīng)用在相對較差的地層，在圍巖穩(wěn)定性極差地層，則采取管棚法，同時管棚可承受較大的地壓。三者也可同時使用。

4 下穿位置隧洞開挖爆破設(shè)計

下穿位置隧洞圍巖類別為Ⅴ類，隧洞開挖洞徑為5.2m（直徑），斷面為平底圓型，開挖斷面面積S＝26.25m2。

4.1 炮孔布置原則

隧洞掘進爆破時，由于只有一個自由面，四周巖石夾制力很大，爆破條件困難，因此，掏槽孔的布置極為重要。掏槽孔的作用就是在工作面上首先造成一個槽腔作為第二個自由面，為其他炮孔爆破創(chuàng)造有利條件。輔助孔的作用是擴大和延伸掏槽的范圍。光爆孔的作用是控制隧洞斷面規(guī)格形狀。為了提高其他炮孔的爆破效果掏槽孔應(yīng)比其他炮孔加深0.15～0.25m。掏槽孔：本工程設(shè)計采用平行空眼直線掏槽，掏槽孔由5 個炮孔組成，各掏槽孔互相平行且呈對稱形式排列，炮孔間距0.2m，中間一個為空眼。輔助孔和光爆孔：布孔均勻，既要充分利用炸藥能量，又要保證巖石按設(shè)計輪廓線崩落。其間距根據(jù)巖石性質(zhì)而定，本工程輔助孔0.53～0.7m，光爆孔距隧洞輪廓線取0.1～0.15m。底孔：底孔布置較為困難，有積水時易產(chǎn)生盲炮。因此，底孔孔口應(yīng)比隧洞底板高出0.1～0.2m，但其孔底應(yīng)低于底板0.1～0.2m，孔間距0.55～0.61m。底孔裝藥量介于掏槽孔和輔助孔之間，裝藥深度為孔深的0.7～0.8倍。

4.2 光面爆破參數(shù)

為了最大限度地減少爆破對圍巖的破壞，全隧洞實行光面爆破。對于極破碎巖石地段則應(yīng)采取預(yù)裂爆破。爆破參數(shù)按《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范（SL378-2007）》光面爆破與預(yù)裂爆破參數(shù)表選取。見表2。

表2 光面爆破參數(shù)

4.3 全斷面法開挖爆破參數(shù)

下穿位置隧道采取全斷面法開挖爆破施工時，進尺取1.2m，炮孔深度取L＝1.3m，炮孔直徑d＝38～42mm。根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗，合理經(jīng)濟地選取循環(huán)進尺。

用圖解法確定炮孔數(shù)量為63 個，采用毫秒微差非電雷管全斷面一次起爆方法。炮孔起爆順序為：掏槽孔—輔助孔—底孔—光爆孔，應(yīng)選用多段毫秒雷管，相鄰炮孔的起爆時差應(yīng)不大于100ms。每10～20發(fā)導(dǎo)爆管雷管外面裸露管連接到2發(fā)二級簇聯(lián)導(dǎo)爆管雷管上，所有的二級簇聯(lián)導(dǎo)爆管雷管必須是相同段位的。將所有的二級簇聯(lián)導(dǎo)爆管雷管并聯(lián)在一起，由非電起爆器引爆進而引爆整個網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路圖如圖2所示。

圖2 全斷面法開挖起爆網(wǎng)路示意圖（數(shù)字為雷管段別）

5 爆破安全分析驗算

爆破工程主要有害效應(yīng)主要有爆破振動、空氣沖擊波、個別飛散物及爆破噪聲，輸水隧洞下穿G534 國道，系地下暗挖爆破工程，爆破對G534 國道運營安全可能的影響是爆破振動。本工程屬淺孔爆破，淺孔爆破頻率范圍為40～100Hz。G534國道屬于水泥混凝土路面，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014），套用新澆大體積混凝土（C20）標準，確定G534 國道爆破振動安全允許振動速度為10.0～12cm/s，取中間值11cm/s。

《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014規(guī)定的爆破振動安全允許距離計算式如下：

式中：R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg，本段最大單段藥量設(shè)計為9.0kg。

V——保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速，cm/s，V＝11cm/s；

K、α——與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)?？砂础侗瓢踩?guī)程》規(guī)定的安全允許標準選取，見表3。

表3 爆區(qū)不同巖性的K、α值

巖性取軟巖石，則K＝300，α＝1.9。將上述各參數(shù)代入式（1）得：R＝11.9m 說明爆破振動對于距離輸水隧洞頂21.9m處的G534國道道路路面是安全的。

6 結(jié)語

長距離小斷面輸水隧洞下穿高速公路施工過程中，下穿隧洞以“短進尺、弱爆破、快封閉、勤觀測”為原則進行隧洞施工。同時加強運行車輛管理，采取“下穿左幅時，左幅封閉，右側(cè)通行；下穿右幅時，右幅封閉，左側(cè)通行”，實行半幅封閉，嚴格控制車輛的載重量和運行速度，保證了下穿隧洞施工的質(zhì)量安全和上部既有高速公路的安全運營。