关键词:隧道工程 超欠挖 因素分析 控制 爆破参数 就目前国内隧道工程施工发展趋势而言,在今后相当长一段时间内,“新奥法”在隧道施工仍然是修建山岭隧道的主流施工方法,其主导地位是其他施工方法所无法替代的。根据有关资料显示,在钻爆法施工的隧道中平均超挖值为38.7cm,最大能达到76cm。隧道的超欠挖会使隧道局部应力集中,围岩的塑性区、变形量显著增大;衬砌施工时因超挖回填导致砼不密实,使结构受力处于不利状态,并且易积水,形成质量隐患。同时超挖会造成开挖轮廓不圆顺,表面凹凸不平,造成局部应力集中,受力不均,对安全也极为不利,违背了隧道施工“爱护围岩”的原则。事实上,围岩自身的强度和稳定性,往往比回填混凝土好得多。要想将全部超挖用混凝土喷平,操作起来非常费劲,喷混凝土表面的不平顺,会给挂设防水板带来困难,难以掌握防水板富余量,造成衬砌时防水板紧绷而破裂,严重影响防水效果,隧道渗漏水是最难整治的病害之一。另外,大的超挖会在二衬施作时造成台车偏压,或者出现堵头挤
爆现象,严重影响衬砌的整体质量。同时,超挖引起多装、多运碴土,超挖空间还要用混凝土或喷射混凝土回填,从而造成人工、工期和材料的超额浪费,致使工程成本增加。由此可见,有效控制岩石隧道爆破时的超挖问题对隧道施工的工程质量、安全进度产生及经济效益有着深远的意义。论文以宜万铁路第38标段两座铁路隧道,长5353m的广成山隧道和长2417m的庙垭口隧道施工实践,分析了影响隧道超欠挖产生的五个主要因素,并提出了控制隧道超欠挖所应采取的技术措施,直接指导了该两座隧道的施工,取得了良好的效果。
1 广成山和庙垭口隧道工程简介
宜万铁路东起鸦宜铁路花艳站(含),西止达万铁路万州站(含)。宜万铁路工程第三十八标段有隧道2座,总长7770m,其中广成山隧道5353m,庙垭口隧道2417m。其中,广成山隧道工程区属构造剥蚀、侵蚀中低山区,地形起伏较大,局部地段呈陡崖,自然坡度约35～60°,坡顶大都呈浑圆状,相对高差约200～400m,最高峰为广成山,标高约1002m,山坡坡面植被较发育,坡顶多辟为旱地或经济林带,零星分布水塘和村舍。隧道进口段地形相对较平缓,出口段地形陡峻。隧道主要穿越的地质条件为:岩溶、煤层、顺层、滑坡、断层破碎带和崩塌等不良地质。庙垭口隧道起讫里程为DK412+451～DK414+868全长2417m,隧道主要穿越的地质条件为:岩溶、地下涌水、顺层、滑坡、断层破碎带和崩塌等不良地质。
根据《铁路隧道设计规范》中的隧道围岩分级方案的规定,结合物探解译资料,综合考虑隧道底板标高以上三倍洞径范围内的围岩工程地质条件及岩土物理力学性质诸要素,对隧道围岩进行工程地质分级,见下表1所示。
3 超挖原因分析
3.1 广成山和庙垭口超挖原因分析
(1)围岩地质条件:广成山和庙垭口两座隧道通过地段为构造剥蚀、侵蚀中低山区,基岩有砂岩、页岩、泥岩等,节理发育,地下水不发育,隧道通过地段岩石级别为Ⅱ、Ⅲ、IV、V级。由于隧道围岩情况复杂,节理、裂隙发育,岩体较破碎,且时常有地下水渗出,造成超欠挖很难控制,尤其是超挖现象比较严重。
(2)施工方法原因:①钻孔精度太低。由于钻孔作业覆盖空间有限,以及受隧道形状的影响,拱部范围内的上仰角、两侧边墙部位的外插角以及底板的下插角都相当难控制。对于钻孔角度的控制,由于实际
施工中除长大隧道之外的隧道基本上都采用的是钻孔台车人工钻孔,其钻孔角度的控制全凭操作人员的经验,难度之大是不言而喻的。②装药结构不合理。根据围岩情况选用合理的装药结构,可以减少由于爆破产生的振动和应力波对围岩的破坏作用,因而有利于减少超挖,提高轮廓质量。
3.2 超挖预防与控制
(1)提高钻孔精度:在光面爆破中,钻孔产生的超挖量远大于爆破产生的超挖量,因此提高钻孔精度是减少隧道超欠挖的重要途径之一。钻孔应严格按照爆破方案进行,掏槽孔根据爆破方案采取一定的倾角。但在实际施工中,由于受钻孔机械或入为的影响,或多或少的会形成一定的外插角。根据长期的工程实践,可以采取以下方法减少超欠挖:①必须对司钻人员进行培训,使其按照操作细则和设计要求进行施钻,保证规定的孔位、孔深和倾斜角。并由技术熟练的人员负责周边孔和掏槽孔的作业,在先钻的孔内插入导向管,依次作为基准钻其他炮孔。②钻周边孔时,通过钻孔位置少量内移来减少外插角。依据测量放线人员在掌子面上画的轮廓线,将钻孔孔位定位在轮廓线内侧1～3cm,从而减小外插角带来的不利影响。
(2)提高测量放线的精度:控制超欠挖主要是控制好开挖轮廓线的精度。在进行测量放样前应首先熟悉设计文件,掌握设计开挖断面各部位的尺寸,同时考虑预留沉落量和变形量。中线和标高的偏移,将使断面轮廓线向一侧偏移,造成开挖断面一侧超挖、一侧欠挖,因此首先
要保证中线和标高的准确口。通过本文依托工程的应用实践证明,在直线隧道采用激光照准仪定出控制点。再用支距法画出轮廓线,最后按照爆破设计画出孔位,是一个既经济又行之有效的方法。
(3)采用合理的爆破技术:爆破技术主要指爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法等,采取不同的爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法均对爆破超欠挖产生不同程度的影响。普通爆破效果和光面爆破效果的比较发现,光面爆破明显优于普通爆破。光面爆破能最大限度地使开挖面符合设计轮廓线,同时减轻对围岩的扰动。按“新奥法”原则施工,实行光面爆破或预裂爆破等控制爆破措施是控制超欠挖的有效方法。
在广成山和庙垭口隧道施工中,围岩地质条件是不断变化的,时常有软弱夹层、断层等不良地质情况出现。目前,爆破设计主要是采用经验类法比,并结合现场试验。在开挖过程中,随着围岩节理裂隙的变化,钻孔位置和角度、周边孔的参数等也应进行相应的调整。鉴于在掘进过程中围岩情况是不断变化的,在每茬炮后鉴定工作面围岩的变化。每茬炮爆破后,应认真分析这一茬炮的爆破效果,并结合围岩的变化情况,对一茬炮的爆破设计做出相应的参数调整。
3.3 隧道爆破参数选择及超欠挖控制
根据不断的实践,总结广成山和庙垭口隧道减少超欠挖光面爆破技术如下。
(1)钻爆施工工艺
①放样布眼:清理掌子面,利用水平仪、经纬仪测量画出开挖轮廓线,用红油漆标出主要炮眼位置(周边眼、掏槽眼、底眼),其误差不大于5cm,开挖台阶在15cm范围内,钻眼时,眼底应落在同一垂直面上;掏槽眼钻孔精度要高,误差在3cm之内,控制炮眼间距、深度和角度,严禁炮眼打穿、相交;辅助眼均匀分布,为便于排水,钻孔可稍微向上,但倾斜不大于1度,孔眼间保持互相平行,底板眼向下倾斜,最大不超过轮廓线10cm。钻眼过程中经常检查炮眼方向,及时校正,不符和要求的予以废除。
②装药:装药前,用高压风吹扫炮孔,药串和起爆药卷按要求加工好,盘好脚线,分段号存放在箱内,确保装药作业有序地进行;装药作业分片、分组进行,并按规定捣实堵塞炮泥,堵塞长度不小于20cm。
③爆破:起爆网络为复式网络,以保证起爆的可靠性和准确性,连接时,导爆管不能打结、拉细和破损漏气,各炮眼雷管段数与钻爆设计相同,引爆使用火雷管,雷管用黑胶布包扎在离一簇导爆管自由端10cm以上处,网络接好后,由专人负责检查。
④钻孔结束,用高压风管吹孔,按照钻爆设计的装药量和装药结构组织装药,采用非电导爆雷管联结,火雷管起爆。
(2)施工爆破参数选择
①全断面开挖光面爆破参数选择
周边眼间距E=60cm,炮眼直经Φ=48mm,最小抵抗线W=75cm,周边炮眼密集系数K=E/W=0.85,每循环进尺为2.0m,周边眼、掏槽眼、底眼深2.4m,炮眼利用率在90%以上,周边炮眼采用不偶合间隔装药结构,掏槽采用8眼垂直楔形掏槽,爆破顺序按掏槽眼、辅助眼、周边眼、底眼顺序进行。详见钻爆设计图。采用2号岩石硝铵炸药,药卷规格Ф38×200mm和Ф20×200mm两种,雷管为1～11段非电毫秒雷管,周边眼装药采用不偶合间隔装药。施工前进行试爆,根据围岩的实际情况调整钻爆参数。
②上下断面开挖光面爆破参数选择
上台阶开挖钻爆设计:施工采用光面爆破,根据围岩情况确定循环进尺,本设计以Ⅴ级围岩为依据,循环进尺1.0m,炮眼利用率90%,炮眼设计深度1.15m,掏槽眼及底眼取1.25m,掏槽形式采用6眼楔形掏槽。炸药选用2#岩石硝铵炸药,药卷直径Ф38、Ф20两种,周边眼按光面爆破设计,采用直径Ф20的药卷不偶合间隔装药。引爆方式采用非电毫秒雷管。
下台阶开挖钻爆设计:下台阶共有二个临空面,周边眼采用预裂爆破。炮眼布置及钻爆参数见台阶法钻爆设计图。施工前进行试爆,根据试验数据,调整钻爆参数。
(3)施工爆破参数选择要点
①光爆层厚度(B)。就是周边眼最小抵抗线。它与开挖的隧道断面大小有关。若断面跨度大、光爆眼所受到的夹制作用小、岩石比较容易崩落,则光爆层厚度可以大些;若断面小、光爆眼所受到的夹制作用大。则光爆层厚度可以小些。光爆层厚度与岩石的性质和地质构造也有关。坚硬岩石,光爆层可小些;松软破碎的岩石,光爆层可大些。确定光爆层厚度B为0.50～0.80m。
②周边眼密集系数(K)。是周边眼间距(a)与光爆层厚度(B)的比值。是影响爆破效果的重要因素。炮眼直径为38～46mm。周边炮眼间距为30～60cm。光爆层厚度为75～80cm。周边眼密集系数为0.6～0.8。
③周边眼的装药量。应严格控制并采用合理装药结构。尽可能地使药沿药眼长均匀分布。这是实现光面爆破的重要条件。光面爆破装药量的计算．主要是确定周边眼光爆层炮眼装药集中度,一般按q=QaB扭计算．也可采用实验方法求得或从同类T程中选取。式中:q为装药集中度,kg/m;Q为单位体积耗药量,g/m;a为周边眼间距,m;B为光爆层厚度,m。通过现场试验和施工经验数据．用计算法进行校核．确定本工程的装药集中度为0.15～0.25kg/m。
④装药结构。光面爆破采用不耦合装药,一般不耦合系数为1.5～2.0,炮眼装药按装药集中度计算出的药量均匀装入炮眼内。为克服底部炮眼的阻力,在炮眼底部放半个标准药卷,使光爆层易于脱离岩体。
⑤起爆方式。光面爆破的分区起爆顺序为:掏槽眼眼－辅助眼－周边眼－底板眼。采用多段微差起爆(由内向外),其中主爆区的,周边眼比辅助眼跳2段起爆,并用同一段雷管。主爆区使用非电毫秒雷管;光爆层的光爆眼用导爆索一次同时起爆。
4 结语
隧道的超欠挖会使隧道局部应力集中,围岩的塑性区、变形量显著增大;衬砌施工时因超挖回填导致砼不密实,使结构受力处于不利状态,并且易积水,形成质量隐患。同时,超挖也给后续工序作业(如支护、铺设防水板等)和结构安全造成一定的困难。
隧道钻爆法施工中超欠挖问题虽然是不可避免的,但是可以将其控制在一定程度之内。控制隧道超欠挖技术是一项综合技术,宜万铁路广成山和庙垭口施工实践表明,从钻孔精度、测量放线、爆破技术三方面抓起,在施工中根据不同围岩的地质条件进行相应的调整,并以严格的施工管理制度为保障,隧道施工中的超欠挖基本可以控制在可接受的范围内。因此,从技术和管理两方面人手,能达到控制隧道超欠挖,确保隧道的工程质量、进度和经济效益的目的。
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