环形开挖预留核心土法在杨柳垭隧道洞挖中的应用

杨 瑞 英， 田 艳 军

(中国水利水电第十工程局有限公司 三分局，四川 成都 610072)

1 概 述

杨柳垭隧道为分离式双洞隧道，位于达州市经开区境内，附近为汽车城、机电市场及农民聚居区。周边房屋一般为4～5层且无构造柱和圈梁，房屋抗震能力弱。进口端离建筑物的最近距离为5 m，出口端离建筑物的最近距离为27 m。

隧道断面由三心圆组成，按新奥法原理进行洞身结构设计，即以系统锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢架组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合的复合衬砌型式。隧道开挖面积按照不同的围岩等级分别为151.48 m2、159.4 m2、164.06 m2三种，衬砌成型后的面积为113.203 m2。隧道两洞之间的最大间距为65.68 m，其中洞口段为小间距，最小净距为24.24 m。隧道右线长690 m，左线长710 m，洞身埋深20～133 m。隧道的主要工程量为：土石方开挖38万m3(其中洞身石方洞挖211 993.4 m3)，混凝土6.4万m3，喷混凝土2万m3，钢筋3 040 t，型钢1 988 t，注浆5 053 m3，各种钢材及钢管947 t，锚杆4.7万根，沥青路面25 580 m2。施工总工期为18个月。

隧址区域进洞口位于达川区南外镇1号干道禾林汽车城西侧山脚，出洞口位于南外镇火烽山村村委会西侧的坡脚，隧道穿越地段为缓坡、陡坡、陡崖、山脊、冲沟等不同的地貌单元。地表植被主要以杉树、松树、灌木和草片为主。

隧道线路穿越范围内无活动断层、地下洞室、地面塌陷等不良地质现象，主要工程地质问题为：局部地段及因线路施工形成的人工岩土体边坡的稳定性。

2 施工方法比选

杨柳垭隧道右线YK0+443～YK0+885和左线ZK0+441～ZK0+885段的岩体为IV类围岩，开挖断面为151.48 m2，开挖跨度为16.13 m。隧道沿线为侏罗系中统上沙溪庙组砂质泥岩夹砂岩互层，厚～巨厚层状，层间结合一般，砂岩平均单轴饱和抗压强度为16.8～17.8 MPa，属较软岩。弹性波速为2 438～2 571 m/s，完整系数为0.53～0.54，为较破碎的单斜地层，无断层，节理裂隙较发育，贯通度较好，岩体呈块状、大块状，局部呈碎块状结构。拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时会失去稳定，爆破振动过大时易坍。无有毒、有害气体，无煤层，地下水为第四系松散堆积层孔隙水,裂隙统一含水体及层状裂隙含水体,涌水方式为点滴、线状～股状，修正后的围岩级别为IV类。鉴于此，针对软弱大跨度围岩的开挖选择合理的开挖方法至关重要。

2.1 开挖方法比较

(1)台阶开挖法。台阶开挖法一般有上下台阶法和三台阶法。根据地层条件和机械配套情况，台阶法又分为正台阶法和反台阶法。正台阶法能较早地使支护闭合，有利于控制其结构变形及由此引起的地面沉降。

优点：具有足够的作业空间和较快的施工速度，灵活多变，适用性强。

缺点：①上下部作业互有干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响。②台阶开挖会增加对围岩的扰动次数。③一次开挖面积大，若拱部开挖后围岩暴露时间较长，支护前拱部容易出现垮塌。

(2)环形开挖预留核心土法。环形开挖预留核心土法是一种先开挖上部导坑成环并进行初期支护，再在分部开挖剩余部分的施工方法。断面一般分成环形拱部、上部核心土、下部台阶三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5～1 m，不宜过长。台阶长度一般控制在1D(D-般指隧道跨度)以内。

优点：①开挖过程中留有核心土作为支撑以保证开挖面的稳定。②上部导坑开挖后立即进行初期支护，故核心土和下部台阶的施工安全得以保障。③与台阶法相比，台阶长度可以适度加长，以减少上下台阶的施工干扰。④一次爆破断面小，用药量小，爆破震动弱，对周边房屋扰动小。

缺点：对隧道断面下半部围岩强度和稳定性有一定要求；若支护结构不能及时形成全断面封闭，容易导致围岩变形增大。

2.2 开挖方法的选定

鉴于隧道沿线围岩较为软弱，同时隧道开挖断面面积及跨度较大，项目部结合两个开挖方案的优缺点，在综合考虑了施工进度、安全、质量控制以及对周边房屋扰动等方面的因素后，最终决定杨柳垭隧道IV类围岩段采用环形开挖预留核心土法洞挖。

3 环形开挖预留核心土法的施工工艺

杨柳垭隧道洞挖施工采用光面爆破，严格遵循“短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则，严格控制循环进尺和爆破震动。笔者简要阐述了环形开挖预留核心土法洞挖施工的工序及工艺。

杨柳垭隧道IV类围岩环形开挖预留核心土法洞挖的施工分区及各区施工顺序见图1。

图1 IV类级围岩段施工步序横断面图

杨柳垭隧道IV类围岩环形开挖预留核心土法施工工序如下：

(1)拱部超前支护①→拱部环形开挖②→拱部初期支护③。

(2)上台阶左侧超前支护④→上台阶左侧开挖⑤→上台阶左侧初期支护⑥。

(3)上台阶右侧超前支护⑦→上台阶右侧开挖⑧→上台阶右侧初期支护⑨。

4 施工监控量测

监控量测作为新奥法的重要组成部分，有助于正确认识和了解掌子面开挖后围岩的动态变化过程及趋势，为判断施工过程中隧道围岩的稳定性和支护结构的安全性提供科学依据。监控量测的主要对象是围岩的变化情况和支护结构的工作状态，通过量测后分析处理所采集到的监测数据，对围岩的各项指标进行反馈和预测，以保证隧道围岩及支护结构的稳定。同时，通过对围岩和支护的应力应变量测，合理修改支护参数，旨在保证隧道施工的安全。

根据杨柳垭隧道实际揭露的围岩条件和隧道施工情况，项目部合理开展了有针对性、有代表性的选测项目。隧道的主要监测项目见表1。

表1 杨柳垭隧道主要监控量测项目表

5 杨柳垭隧道爆破开挖采用的主要参数及措施

杨柳垭隧道爆破开挖遵循“短进尺、弱爆破、强支护、早衬砌”的原则，加强了施工临时监控量测，确保了施工安全。爆破参数的确定采用了理论计算、工程类比与现场试爆相结合的方式。在保证爆破震动速度符合安全规定的前提下，通过调整爆破参数，减少了爆破作业对周边房屋的扰动，提高了隧道开挖成型的质量和施工进度。

5.1 炮孔的主要技术参数

5.1.1 隧道爆破炮孔深度

爆破设计的炮孔深度主要受爆破震动强度控制，炮孔深度的设计根据隧道施工进尺的安全要求、结合设计图纸型钢钢架的间距(Ⅳ类围岩I18型钢全环钢架1 m/榀，V类围岩I20型钢全环钢架0.75 m/榀和0.6 m/榀)确定(表2)。

表2 杨柳垭隧道爆破炮孔深度表

5.1.2 炮孔直径

该工程的炮孔孔径为42 mm。

5.1.3 掏槽孔

杨柳垭隧道洞挖爆破采用楔形掏槽，掏槽孔布置在开挖断面中部以下，以便于其上部的辅助孔获得较好的爆破效果。

IV类围岩掏槽孔的布置：孔距为50 cm，打孔时两排掏槽孔向内打入，内插角为71o。上下两排孔底间距为20 cm，其布置情况见图2。

5.1.4 辅助孔

图2 IV类围岩掏槽孔布置图

杨柳垭隧道洞挖爆破炮孔直径d=42 mm，W=15～25d，该工程取W=80 cm，炮孔采用线形布置或环形布置且均匀布置，一般情况下，抵抗线为同排(或同环)炮孔间距的80%～100%，因此，最终将辅助孔间距取为100 cm。

5.1.5 周边孔

根据经验公式和工程类比法，软岩爆破时其周边孔间距宜控制在40 cm以内，中硬岩爆破时周边孔间距不宜大于50 cm，间距E=8～12d；抵抗线W=1～1.5E。该工程取E=40 cm，W=60 cm。炮孔布置在距开挖断面边缘20 cm处，该隧道周边孔间距取40 cm。

5.1.6 底板孔

底板孔应比隧道开挖断面底板高20 cm，以利于钻孔并防止灌水。为减少底板欠挖，该隧道底板孔孔距取40 cm。

5.2 隧道炮孔的布置

IV类围岩洞挖爆破炮孔布置参数见表3，布置情况见图3。

1.周边孔；2.掏槽孔；3.辅助掏槽孔；4.辅助孔；5.底板孔图3 隧道IV类围岩炮孔布置图

5.3 隧道爆破的药量控制

表3 IV类围岩洞挖爆破炮孔布置参数表

杨柳垭隧道的洞挖爆破采用2#乳化炸药，单根药卷一般长0.2 m，质量为0.2 kg。非电毫秒雷管(3、5、7、9段)选用7 m长导爆索；电雷管选用7 m脚线。塑料导爆索按一次安全距离为80 m计算。

炸药单耗取决于断面面积的大小、岩石性质、孔径的大小、孔深等因素。根据杨柳垭隧道的岩石坚固系数，炸药单耗按q=0.9 kg/m3控制。隧道爆破施工中，单孔与掏槽孔爆破最困难(爆破块度较大，较分散)，装药量最多；底板孔爆破难易度次之，装药亦次之；周边孔爆破容易，装药量最少；辅助孔装药量介于周边孔和掏槽孔之间；各类型孔采用分配系数得出单孔装药量，施工过程中根据岩石情况进行适当的调整。

该工程采用药卷直径为32 mm的2#乳化炸药，其规格为：单根药卷长0.2 m，单根质量为0.2 kg。

Q=q×v

式中Q为每循环总装药量；q为平均单位炸药消耗量，0.9 kg/m3;V为每循环爆破体积。

QIV=Q×V=Q×S×L=0.9×151.5×1.3

=177.255(kg)

QV=Q×V=Q×S×L=0.9×164×0.8

=118.08(kg)

每种炮孔的装药量如下：

(1)掏槽孔。

Q1=1.25×Q/N

式中N为每循环炮孔的数量(IV类围岩248个， V类围岩241个)。

Q1IV=1.25×177.255/248=0.9(kg)，取Q1IV=1 kg，5个药卷。

Q1V=1.25×118.08/241=0.6(kg)，3个药卷。

(2)辅助掏槽孔(取掏槽孔装药量)。

Q2IV=1 kg，5个药卷。

Q2V=0.6 kg，3个药卷。

(3)底板孔。

Q3=1.1×Q/N

Q3IV=1.1×177.225/248=0.8(kg)，4个药卷。

Q3V=1.1×118.08/241=0.5(kg)，取Q4V=0.6 kg，3个药卷。

(4)周边孔。

Q4=0.8×Q/N

Q4IV=0.8×177.225/248=0.6(kg)，3个药卷。

Q4V=0.8×118.08/241=0.4(kg)，2个药卷。

(5)辅助孔。

Q5=(Q-Q1-Q2-Q3-Q4)/N5

式中N5为每循环辅助孔的数量。

Q5IV=79.8/113=0.7 kg，3.5个药卷。

Q5V=61.68/122=0.5 kg，2.5个药卷。

6 结 语

杨柳垭隧道IV类围岩洞挖采用环形开挖预留核心土法，施工期间未发生塌方等爆破安全事故，施工安全可靠。由于施工过程中炮孔布置合理，装药量控制得当，洞挖爆破超挖小，洞壁平整，成型效果较好，爆破震动对周边房屋的影响亦较小，所取得的经验值得类似工程参考借鉴。