石质围岩隧道爆破开挖施工技术

朱佳俊

（中交一公局第三工程有限公司，北京 通州 101102）

0 引言

随着社会经济建设的发展，对基础设施建设的投资不断增加。隧道工程作为交通基础设施领域的重要内容，其应用越来越广泛。大量的铁路隧道和公路隧道持续开发建设[1]。因为地形地质条件以及线路的平垂水平指标等各项因素的限制，公路隧道中暴露出越来越多的支护参数难以确定、初始支护选择困难等问题[2]。在我国隧道施工中普遍采用新奥法施工理念，施工中多采用爆破开挖法。石质围岩隧道本身稳定性并不好，爆破冲击带来的荷载联通反复扰动使得围岩的稳定性总体偏低，再加上一些岩体因为某些原因塑性形变，更加加快巷道的变形现象[3]。施工时，假设爆破或维护参数不恰当，很有可能会造成工程事故[4]。

1 石质围岩隧道衬砌断面分析

依照岩石的Drucker-Prager 准则和地下结构设计，估计围岩承载力，使用有限元方法对石质围岩隧道衬砌在围岩中的断面进行分析。考虑开挖方式和顺序给围岩稳定性带来的干扰，模拟石质围岩隧道衬砌断面的开挖过程[5]。

（1）围岩地质条件。石质围岩隧道地形为侵蚀构造，位于海拔500～900m 的低山区。钻探资料和工程地质结果结合区域地质情况显示，隧道中的浅层侵入岩组由岩石和岩脉的形态产生。绝大多数的山体被残留剩余的斜坡沉积物所掩埋，基岩却大部分都裸露在外。沟底有厚度为2～8m 的覆盖面。隧道东北入口及隧道两侧主要为粗粒花岗岩和细粒花岗岩，可观察到的岩石风化程度较大，大部分山体被残余坡积物覆盖，厚度为0.29～1.15m。

（2）围岩的分类情况。依照地质调查结果、钻探资料、波速相关实验结论证明等，对石质围岩隧道的围岩定性特征、基本质量和数量指标做分析研究，根据《公路隧道设计规范》中的有关规定将石质围岩隧道按四级和五级来衡量考虑。

（3）水文地质特征。降雨量会很大程度上影响到渗水量的大小，处于雨季时水分充足，非雨季时没有水分或水分稀少。雨季有大量地表水补给，雨季施工时很可能会有基岩裂隙渗水，但水量有限，对过程的影响不会很大。

（4）隧道入口段工程地质评价。由于强风化，大部分山体被残余坡积物覆盖，厚度为0.29～1.13m。边坡稳定，树木发育良好。在施工开挖、大面积降雨等情况下，容易发生剥落和塌陷。

结果表明，有限元模拟与监测数据分析相结合对隧道围岩稳定性判断有较好的效果。通过对城市地下工程爆破和开挖引起的地面振动的测量和分析，研究了地面颗粒的振动特性。国内专家学者对爆破振动对围岩的影响范围进行了分析，振动对围岩影响及边坡稳定性影响范围主要通过振动速度结合应力分布来判断，目前尚无完善、合理的爆破冲击评价标准；对于边坡稳定性的判断还停留在静态研究上，虽然有学者提出了地震作用下边坡平均动力安全系数的概念，但其具体应用还有待研究。

2 隧道爆破开挖施工技术

2.1 不同类型隧道(围岩)爆破情况分析

在对施工方案进行选择时，主要影响施工的因素包括：隧道水文地质条件；施工机械设备；施工期间的供应；项目投资后的效益和经济；施工安全；与污染有关的环境限制。国内施工主要使用新奥法施工加固措施。针对不同围岩等级的隧道施工，选用恰当的开挖爆破方法，制定合理的开挖爆破措施，对防止隧道冒顶甚至塌方以及其他施工安全隐患起着关键性作用。在制订方案时，应考虑地质施工断面尺寸、隧道断面受力（是否存在偏压）、隧道周边环境（居民、水电、燃气管道等）、围岩类型、边坡结构、气候等一系列条件。合理处理施工与结构形式、材料质量、经济方案、工期具体要求、应急方案等之间的关系，主要采用方法如下：

（1）全断面开挖法是指对工程断面进行成形的开挖施工方法，这种方法的好处在于可以减少施工对隧道的扰动频率，围岩天然承重拱的形成也就会更加方便，在大型机械施工进行时速度更快，施工防水工艺操作简单。这种方法的缺点在于围岩必须有很强的稳定性，这就要求严格规定地质条件。

（2）分步台阶开挖法施工是将断面分成几个工作面分步开挖。分步台阶开挖法具有灵活性和适应性强的优点。对于软弱围岩和沉积层必须采用步进法，这是各种方法中最基本的方法。工作空间大，施工速度快，适用于局部地层无水的情况。对于岩层、破碎段，可采用吊网喷锚支护施工，防止岩崩。

（3）正台阶环开挖法又称开挖核心法，一般将断面分为三部分。依照断面大小，环形拱交替开挖时可以被分为很多端面，该方法适用于一般土体或易坍塌的软围岩。根据初支变形或施工布置情况进行二次衬砌施工。其优点在于开挖方法快速，可以第一时间搭建初始支护，因此稳定性好，施工安全性好。

（4）单侧壁导轨方法是利用侧壁导轨的尺寸使台阶的支撑作用最大化。单侧壁导流法的应用在于每个开挖步骤的宽度小于单面墙指导方法，最初支持承载力闭式很大，所以单面墙指导方法适用于软松散围岩大截面跨度和难以控制地表沉陷。

（5）双侧壁导坑法是利用中间支撑钢拱架把隧道大致按照比例竖直分为三个部分，中间连接拱顶部分最后开挖，可以保证隧道拱顶位置受力均匀，隧道两侧先行开挖，中间部分分两次开挖，在隧道开挖完两侧并完成支护后，开挖上方核心土，然后再开挖下部，中间开挖预留台阶进行开挖。适用于隧道Ⅴ级复杂围岩的施工。

2.2 光面爆破及施工顺序

为了保证围岩在施工时的稳定和安全，隧道采用光面爆破法，隧道施工过程中施工步骤如下：首先，建立浅埋隧道模型；其次，施加重力荷载模拟初始应力场；接下来开挖模型上段岩体单元，激活上部支撑结构单元，开挖模型下的岩体单元，激活下段支撑结构单元；最后研究计算结果。

数值计算的过程中采用荷载释放系数模拟施工时间效应和空间隧道开挖效应，将释放荷载的形式虚拟化，使其可以反向加载隧道轮廓线。依照相关文献和工程参考模拟隧道，取荷载释放系数为0.15，即开挖后释放荷载为25%，锚杆支护释放10%的荷载，喷涂搅拌释放50%的荷载。具体的模型如图1 所示。

图1 数值模拟模型图

模型中考虑了边界效应。将模型的两侧和下部分别取两倍孔径，上部取实际表面并进行合理简化。模型的边界是由滚子约束的，其中两侧水平约束，底部垂直约束，上部为自由曲面。在建模过程中，加强拱110°厚度0.45m 范围内的围岩性质，模拟小管超前注浆支护，并考虑喷射混凝土（20cm 厚）和锚杆支护。钢格栅以刚度贡献的形式转化为喷射混凝土，围岩采用摩尔库仑模型。

2.3 爆破振动监测

保证在隧道开挖爆破孔段施工过程中的安全问题，施工质量就有了一定的要求，施工爆破也要在可控范围之内，坚决要对爆破开挖时的隧道进入口处所引发的爆破震动进行信息化施工监测，以及分析爆破地震波的具体规律，严格计划工程爆破参数的设计以及后续的一系列施工工作。爆破振动监测主要用于地面振动监测、临近孔洞爆破振动监测、衬砌一次结构振动监测、衬砌二次结构振动监测。当隧道埋深较浅时，隧道爆破的影响会很大，波及地表建筑物，也会对地表造成一定的影响。

为探究隧道的稳定性，对爆破时隧道地表发生的振动实施了具体严谨的监测。当相邻的两个隧道一起施工作业时，在施工的一条隧道对另一个在施工的隧道会有影响，具体表现在结构稳定性的波动上。为了分析邻近隧道爆破施工的影响，对爆破振动进行了监测。由于一次衬砌与隧道工作面距离较近，施工完成后衬砌强度未达到标准强度，爆破振动对一次衬砌和二次衬砌影响较大。隧道洞口深度较浅，一般深度为9m 左右，因此隧道爆破施工对地表影响较大，所以在隧道洞口浅埋段应监测隧道爆破施工的地表振动。爆破振动测试一般归属于振动测量的领域范围之内，但爆破振动测试和一般的振动测试还有着不一样的地方，它总体来说更为复杂，比一般的振动测试难以掌控一些。首先，爆破振动可以在短时间内释放出更大的能量，这就要求测试系统在施工作业时要具备更加优质的动态响应性质。除此之外，爆破振动引起的非周期脉冲信号具有较宽的连续谱，所以测试系统应具有较宽的频率响应。

现场监测的监测点要求每一个都有一个固定的位置，要存在于自己所应该处于的具体位置之上。根据测点位置变化和工作面位置的变化，分析研究出爆破地震波所检测到的规律变化，为第一时间准备隧道开挖施工方案和改善爆破设计参数给予了更好的条件。监测后的观测结果表明，光面爆破能显著降低复杂环境下浅埋隧道的爆破振动效应。在开挖隧洞入口段的时候，一定要专门关注混凝土拱的结构两端，其反射应力波的延展破坏效应需要被重视。与此同时，爆破振动对环拱与围岩连接处的岩体及支护结构的影响也是必须重点关注的。

2.4 区别于传统爆破方法的优势

研究浅埋隧道的变形规律、支护效果以及围岩在爆破压力的作用下应力具体变化和地表测点的速度分布，结合施工现场监测数据和数值模拟结果，研究对比位移所需时程。岩质围岩隧道爆破开挖施工技术不同于传统爆破方法的优势在于：从监测数据可以看出，被开挖的隧道断面逐渐趋于稳定状态，地表的振动速度检测到的数据可以看出，隧道上方岩体因为爆炸隧道所受到的影响较大，振动速度超过3.5cm/s，有的测点甚至超过12cm/s，对围岩产生较大扰动。由于隧道顶面高程基本相同，所以沿着隧道断面方向的振动速度也是基本一致的。可以观察到，自形成隧道区域的地表振动速度向未开挖区域延伸，沿隧道开挖方向振速逐渐减小。隧道开挖过程中，隧道断面埋深尺寸、施工方法以及隧道的地形地质条件都与爆破振动的变化规律有着直接的关系。若想对隧道洞口围岩的扰动减小，就要注意爆破的准确性。在掘进基本原理的基础上，依据“弱爆破、短开挖、快速封堵、强支护、频繁测量”的原则施工隧道体。隧道机械开挖可以防止开挖过程中的塌方，同时可以防止安全事故的发生，保证安全。

3 结束语

本文对岩石围岩隧道爆破施工技术进行了探讨和分析，根据监测数据研究出隧道在爆破荷载压力作用下所受到的具体影响，依靠现场监测数据分析的基础，提出了合理的围岩隧道施工工艺，以保证周围环境及施工的稳定和安全。整理现场所得到的数据，确保数据准确无误，将错误的数据摒除，并对监测数据进行数理统计分析，使其能够反映隧道的实际变形情况。然而，岩巷围岩风化破坏严重，应力分布复杂，在施工扰动下易发生失稳。关于石质围岩隧道爆破开挖施工技术的探索，还有许多方面需要进一步研究和改进。