屈 直

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隧道工程一直是全線的控制工程，影響著全線的施工成本，在保證質(zhì)量安全的條件下如何加快隧道的掘進(jìn)速度是許多學(xué)者關(guān)心的課題。目前隧道掘進(jìn)常用的方法有鉆爆法、盾構(gòu)法、懸臂掘進(jìn)法等，但這些施工方法都無(wú)法避免超欠挖的問(wèn)題，且受到“寧超勿欠”等錯(cuò)誤觀點(diǎn)的影響，因此研究不同開(kāi)挖方法對(duì)超欠挖的影響意義重大。

許多學(xué)者以鉆爆法對(duì)超欠挖的影響開(kāi)展了研究。張運(yùn)良等[1]根據(jù)工程實(shí)際和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)軟弱夾層地層隧道爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，減少了超欠挖量。實(shí)踐證明推演的軟弱條件下爆破成型與實(shí)際吻合較好；爆破參數(shù)調(diào)整后，爆破成型效果理想，超欠挖現(xiàn)象得到有效的控制。很多學(xué)者對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[2-3]。也有學(xué)者對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)在隧道中的應(yīng)用開(kāi)展了研究。朱廷宇等[4]針對(duì)滇西紅層隧道空間受限、施工速度慢的問(wèn)題，在紅層小斷面隧道中運(yùn)用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，與鉆爆法在投資、進(jìn)度、安全等方面進(jìn)行對(duì)比，證明懸臂掘進(jìn)機(jī)在該地層的適應(yīng)性。韓賀庚等[5]以蒙華鐵路隧道工程實(shí)踐為依托，分析了懸臂掘進(jìn)法相比于鉆爆法的優(yōu)勢(shì)。張旭輝等[6]針對(duì)目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭定位準(zhǔn)確性不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭定位系統(tǒng)，該技術(shù)可使掘進(jìn)定位更準(zhǔn)確，從而減少超欠挖量。林宏等[7]分析了懸臂掘進(jìn)機(jī)法的施工優(yōu)勢(shì)，闡述了懸臂掘進(jìn)機(jī)成套機(jī)械化作業(yè)線設(shè)備配套技術(shù)及施工組織方案。上述文章中大多研究了鉆爆法與懸臂掘進(jìn)法在各方面的對(duì)比研究。Jiang B等[8]研究發(fā)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)法在鐵路隧道施工中不受小斷面的影響，還可以提高圍巖的自穩(wěn)性，以及過(guò)深開(kāi)挖控制和輪廓成型的效果更好。

以黑莊坪隧道為工程背景，遵循光面爆破原理設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了適用于該隧道的光面爆破方案，并提出了出口懸臂掘進(jìn)組合方案，對(duì)比分析了懸臂掘進(jìn)法、鉆爆法、機(jī)械法施工超欠挖量的大小，對(duì)超欠挖量的控制具有參考意義。

1 鉆爆設(shè)計(jì)與鉆爆技術(shù)

1.1 爆破方案

按《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行爆破試驗(yàn)，以便合理調(diào)整爆破參數(shù)。由于此工程圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖且采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，所以采用雙臺(tái)階爆破方案。

1) 鉆孔布置。掏槽孔孔口和孔底的間距誤差不大于5 cm，輔助孔孔口的排距和行距誤差不大于5 cm，如采用人工鉆孔的周邊孔沿隧洞設(shè)計(jì)斷面輪廓線上的間距誤差不得大于5 cm，外斜率不得大于5 cm/m，孔底不超出開(kāi)挖斷面輪廓線10 cm，內(nèi)圈炮孔至周邊孔的排距誤差不得大于5 cm，并與周邊孔采用相同的斜率。

2) 清孔裝藥。炮孔按規(guī)定藥量裝藥后，炮口用炮泥堵塞，堵塞長(zhǎng)度不小于20 cm，輔助孔和掏槽孔采用連續(xù)裝藥。

3) 聯(lián)網(wǎng)爆破。用聯(lián)結(jié)元件將導(dǎo)爆管聯(lián)結(jié)成復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)。

4) 爆后檢查。本項(xiàng)目采用導(dǎo)爆管起爆。

1.2 爆破參數(shù)

爆破設(shè)計(jì)按照炮孔性質(zhì)與作用不同分別選取爆破作用指數(shù)。

1) 炮孔布置。黑莊坪隧道掘進(jìn)采用YT28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，鉆桿選用50 mm鉆桿，炮孔直徑d=50 mm。

a) 炮孔深度及角度。

黑莊坪隧道圍巖屬泥質(zhì)砂巖為軟巖，該砂巖堅(jiān)固系數(shù)f=1.6～3，每循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)達(dá)到1.5 m，炮眼利用率為100%，則Ⅴ級(jí)圍巖周邊孔炮孔深度2 m，掏槽孔較周邊孔深1 m，掏槽孔深度為3 m。

周邊孔的鉆孔外傾角為5°，炮孔口部應(yīng)距輪廓線5 cm，孔底控制在超出輪廓線10 cm以內(nèi)，采用楔形掏槽的爆破作業(yè)方式掘進(jìn)，掏槽孔孔口向中線傾斜，孔底間距20 cm，輔助孔略向中線傾斜。

b) 炮孔數(shù)目及孔距。

確定炮孔數(shù)目的原則是在保證爆破效果的前提下，盡可能減少炮孔數(shù)目并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果增減孔數(shù)，有

(1)

式中：N為炮孔數(shù)目；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)；S為隧道斷面面積。

采用楔形掏槽的爆破作業(yè)方式掘進(jìn)，掏槽同排孔距60～100 cm，周邊孔孔距為45～55 cm，輔助孔孔距為60～100 cm。掏槽眼以隧道中線為準(zhǔn)對(duì)稱布置，共10孔。炮孔排距為60～120 cm。

c) 光爆參數(shù)。

為控制隧道超欠挖較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，隧道周邊采用光面爆破技術(shù)。光面爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 光面爆破參數(shù)

2) 單位炸藥消耗量計(jì)算。隧道掘進(jìn)爆破的單位炸藥消耗量是指隧道單循環(huán)進(jìn)尺爆破所需要的炸藥量與爆落巖體總量之比，其大小取決于隧道斷面面積、圍巖類別、巖石的堅(jiān)固性、炸藥性能和施工技術(shù)等因素。根據(jù)炮孔的作用與性質(zhì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)算得到每一循環(huán)爆破的用藥量為

Q=q×S×L.

(2)

2#巖石乳化炸藥在軟石中的炸藥用量q=0.64 kg/m3、隧道斷面面積S=110 m2、炮孔深度L=2 m。因此每一循環(huán)爆破的用藥量Q=140.8 kg。最終實(shí)際裝藥量見(jiàn)表2。

表2 實(shí)際裝藥量

3) 裝藥結(jié)構(gòu)。

圖1～2分別是周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)和級(jí)圍巖兩臺(tái)階法開(kāi)挖炮眼布置。表3是圍巖臺(tái)階法光面爆破炮眼藥量分配。

圖1 周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)

由圖2可知，上臺(tái)階周邊眼的間距為50 cm，下臺(tái)階為70 cm。這是由于上下臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖的面積的不同，下臺(tái)階沒(méi)有設(shè)置掏槽眼，因?yàn)樘筒垩鄣淖饔檬钦ǔ鲆粋€(gè)槽腔，為后續(xù)爆破創(chuàng)造臨空面，但當(dāng)下臺(tái)階斷面面積較小時(shí)，輔助眼可以替代其作用。

表3 V級(jí)圍巖臺(tái)階法光面爆破炮眼藥量分配

圖2 Ⅴ級(jí)圍巖兩臺(tái)階法開(kāi)挖炮眼布置(單位：cm)

4) 起爆網(wǎng)絡(luò)。起爆網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。

圖3 起爆網(wǎng)絡(luò)

2 懸臂掘進(jìn)參數(shù)與懸臂掘進(jìn)技術(shù)研究

2.1 主要施工方案與施工工藝

1)主要施工方案。

洞身開(kāi)挖采用兩臺(tái)階的施工方法進(jìn)行施工，配合3臺(tái)自卸汽車及1臺(tái)裝載進(jìn)行同步出渣作業(yè)，CTR300R懸臂掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 CTR300R懸臂掘進(jìn)機(jī)總體參數(shù)

2) 施工順序。

隧道最大跨處凈空寬度為12.7 m，CTR300R掘進(jìn)機(jī)定位截割范圍的最大高度為6.78 m、最大寬度7.43 m，開(kāi)挖過(guò)程中需進(jìn)行一次移機(jī)，經(jīng)過(guò)第一階段的工藝總結(jié)，施工順序?yàn)椋荷吓_(tái)階右側(cè)開(kāi)挖→上臺(tái)階右側(cè)輪廓修邊→掘進(jìn)機(jī)移機(jī)至上臺(tái)階左側(cè)→上臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖→上臺(tái)階左側(cè)輪廓修邊→下臺(tái)階開(kāi)挖，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖流程及截割路線示意圖如圖4和圖5。

圖4 掘進(jìn)機(jī)截割路線及流程

圖5 掘進(jìn)機(jī)掌子面右側(cè)截割示意

2.2 施工進(jìn)尺與施工步距

1) 試驗(yàn)段臺(tái)階高度調(diào)整。

臺(tái)階高度調(diào)整方案中，臺(tái)階高度較試驗(yàn)段調(diào)整原設(shè)計(jì)調(diào)整40 cm(調(diào)整前上臺(tái)階斷面面積65 m2，調(diào)整后斷面面積70 m2，增加5 m2，下臺(tái)階斷面面積相應(yīng)減小)，支護(hù)作業(yè)臺(tái)架加高40 cm，保證了掘進(jìn)機(jī)可以順利從臺(tái)架中穿過(guò)和上臺(tái)階鋼拱架底腳不至懸空。

對(duì)試驗(yàn)段方案進(jìn)行工藝總結(jié)，原臺(tái)階高度的調(diào)整無(wú)法發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的最大功效(掘進(jìn)機(jī)定位截割最大范圍6.78×7.43 m-高×寬)以及由于掘進(jìn)機(jī)的自身性能，向下作業(yè)空間有限，無(wú)法完成仰拱開(kāi)挖作業(yè)，需進(jìn)一步調(diào)整臺(tái)階高度并配備挖掘機(jī)配合掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行交叉協(xié)同作業(yè)，調(diào)整后臺(tái)階高度見(jiàn)圖6。

2) 施工安全進(jìn)尺。

根據(jù)試驗(yàn)段采用的施工步距對(duì)掘進(jìn)機(jī)的具體施工過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，試驗(yàn)段方案掌子面至仰拱、二襯封閉成環(huán)端的距離為59、90 m，掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)仰拱步距不滿足要求，主要因上下臺(tái)階間坡道影響距離較大，在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際丈量分析后，確定仰拱封閉成環(huán)距掌子面的安全步距調(diào)整為65 m，仰拱步距加長(zhǎng)會(huì)縮短影響仰拱至二次襯砌端的作業(yè)空間，二次襯砌步距應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，二襯襯砌封閉成環(huán)端距掌子面的安全步距調(diào)整為95 m。

圖6 調(diào)整后臺(tái)階高度(單位：cm)

2.3 懸臂掘進(jìn)法施工超欠挖控制方法

隧道施工嚴(yán)格控制超欠挖，允許超欠挖值執(zhí)行現(xiàn)行JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范要求值和懸臂掘進(jìn)法超欠挖值見(jiàn)表5。

表5 隧道允許超欠挖值

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，黑莊坪隧道懸臂掘進(jìn)法拱部平均線性超挖為8 cm，最大超挖為10 cm，邊墻平均線性超挖為7 cm，均符合上述規(guī)范要求。

3 超欠挖量對(duì)比分析

3.1 鉆爆法與懸臂掘進(jìn)法

對(duì)黑莊坪隧道超欠挖量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別得到了隧道左線、右線出口與進(jìn)口超欠挖量見(jiàn)圖7和圖8所示。

由圖7可知隧道左線進(jìn)口用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，月平均超挖值為19～22 cm，當(dāng)隧道左線出口用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，月平均超挖值只有7～10 cm。由此可見(jiàn)在泥質(zhì)砂巖地層中，運(yùn)用懸臂掘進(jìn)法月平均超欠挖值只有鉆爆法的一半，相對(duì)于鉆爆法懸臂掘進(jìn)法可以更好的控制超欠挖。

圖7 隧道左線超欠挖對(duì)比

圖8 隧道右線超欠挖對(duì)比

3.2 機(jī)械開(kāi)挖

在一些特殊地段，無(wú)論鉆爆法或懸臂掘進(jìn)法在開(kāi)挖的過(guò)程中需要人工機(jī)械的輔助整修，施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)了機(jī)械開(kāi)挖的超欠平均值,見(jiàn)圖9。

圖9 機(jī)械法開(kāi)挖超欠挖量對(duì)比

由圖9可知:機(jī)械開(kāi)挖的月平均超欠挖量在13～16 cm之間，比鉆爆法少3～6 cm;但比懸臂掘進(jìn)法多6 cm左右，而鉆爆法比懸臂掘進(jìn)法多12 cm左右。由此可見(jiàn)單從超欠挖量的因素分析，懸臂掘進(jìn)開(kāi)挖要優(yōu)于機(jī)械開(kāi)挖和鉆爆開(kāi)挖。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)爆破試驗(yàn)，得到Ⅴ級(jí)泥質(zhì)砂巖雙臺(tái)階爆破時(shí)，炮孔直徑50 mm，上下臺(tái)階周邊眼孔深200 cm，孔距易在50～70 mm之間，單孔裝藥量為0.4 kg；上臺(tái)階掏槽眼孔深300 cm，采用楔形掏槽(向中線傾斜)，孔底間距為20 cm，單孔裝藥量圍為0.8 kg，下臺(tái)階不設(shè)掏槽眼；輔助眼孔深為200 cm，孔距為100 mm，單孔裝藥量為0.6 kg；底板眼孔深為310 mm，單孔裝藥量為0.8 kg。這些光面爆破參數(shù)在黑莊坪隧道得到了廣泛的應(yīng)用，所總結(jié)的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及主要參數(shù)可為類似地層的隧道提供借鑒。

光面爆破受到地質(zhì)構(gòu)造、圍巖級(jí)別等內(nèi)在因素的影響會(huì)造成超欠挖，且該隧道為泥質(zhì)砂巖地層，節(jié)理裂隙發(fā)育，涌水量較大，極易造成超欠挖現(xiàn)象，所以光面爆破的施工組織設(shè)計(jì)尤為重要。影響懸臂掘進(jìn)法超欠挖的主要因素有懸臂掘進(jìn)測(cè)量定位系統(tǒng)、地質(zhì)狀況、圍巖級(jí)別、懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒類型、施工步距、操作人員的技術(shù)等。

懸臂掘進(jìn)法月平均超挖值只有7～10 cm，鉆爆法月平均超挖值為19～22 cm，機(jī)械開(kāi)挖的月平均超欠挖量在13～16 cm之間，相比于鉆爆法施工，懸臂掘進(jìn)法施工由于精確的定位系統(tǒng)，其超欠挖量大大減小，提高了工程的質(zhì)量，節(jié)約了噴射混凝土的成本，預(yù)計(jì)節(jié)省工程成本15萬(wàn)左右。