开挖施工关键技术研究
摘要：随着我国铁路建设事业的发展，铁路交通基础设施逐渐从平原地区转向山岭地区，其中水平节理泥岩及粉砂岩由于强度低，变形大，施工风险极大。在汉巴南铁路1标段隧道水平节理泥岩及粉砂岩层开挖施工中，采用三台阶加临时仰拱法施工技术，取得了非常好的施工效果。通过此工法不仅加快了施工速度，节约了成本，更有效的降低了隧道施工的安全风险。
关键词：隧道施工工法、Ⅳ级围岩、V级围岩、水平节理泥岩层、三台阶法。 High-speed railroad horizontal joint mudstone and siltstone tunnel excavation construction research
Wangdongli
(China Railway No. 3 Group Seventh Engineering Co, Ltd, Shenyang 110000, Liaoning)
Abstract: With the development of railway construction, railway transportation infrastructure gradually changes from plain areas to mountainous areas, including the horizontal jointed mudstone and siltstone due to low strength and large deformation, the construction risk is great. In the excavation of horizontal jointed mudstone and siltstone layer of the No.1 section of Hambanan Railway, the construction technology of three steps plus temporary invert method has achieved very good results. Through this construction method not only speeds up the construction speed, saves the cost, more effectively reduces the tunnel construction safety risk.
Key words: Tunnel construction method, Class Ⅳ surrounding rock, Class V surrounding rock, horizontal jointed mudstone layer, three-step method.
0 引言
水平岩层是隧道施工作业中常见的地质构造类型。隧道光面爆破如果处理不好，隧道拱顶会出现大面积平顶、落石、塌顶等现象，不仅直接影响隧道的光面爆破效果，还会影响隧道的围岩稳定性、初支支护的数量以及二衬混凝土的工程量，增加工程投资[1][2][3]。
王飞等[4]分析了水平岩层隧道的超挖与爆破作业扰动、开挖应力释放、地下水影响等因素均有关系。周宴成[5]以柳林隧道为例，通过将周边眼间距70cm调小为60cm，将单层掏槽眼改变为三层掏槽眼来控制隧道爆破成型。陈旺[6]以南吕梁山隧道为例，周边眼采用底部1卷炸药、中部1/3卷炸药的间隔装药结构来提高光面爆破效果。侯小军[7]以横山隧道为例，遵循短进尺、弱爆破、多分段次微差爆破，减少对围岩的扰动，加快了施工进度。冯海暴等[8]优化最大一段允许爆破装药量，将周边眼外插角控制在2°以内，隧道一次性开挖平均合格率从67.4%上升到83.9%。刘东等[9]从地质条件、钻孔精度、测量放线、爆破技术和现场管理5个因素提出了控制隧道超欠挖的技术措施。申洪雨[10]通过精细计算光爆层厚度、周边眼密集系数、装药量，提高了光面爆破效果，超挖量减少了15%。以上学者主要通过改变起爆间隔、周边眼装药、布置参数来提高光面爆破效果。
本文主要是通过对节理泥岩及粉砂岩层特性进行不断地摸索、总结、分析、掌握水平节理层岩性的特点及变形规律，并据此提出了适合水平层理岩施工的方法，着重阐述了水平岩层的施工要点，旨在为类似工程提供施工经验。
1 项目背景 1.1 工程概括
新建汉巴南铁路HBNZQSG-1标段全范围处于南充市境内，起于顺庆区潆溪镇，线路起止里程为DK0+000～D2K28+500，隧道长5.345km/7座，围岩等级主要为Ⅳ级围岩、V级围岩。
图1 Ⅳ级围岩施工现场图
图2 V级围岩施工现场图
1.2 地质情况
这里的地层主要是第四纪新近纪的沉积物，包括人工堆积的填土、冲洪积层的黏土和冲积层的细砂等。下面是白垩纪和侏罗纪的岩石，如苍溪组、白拢组、遂宁组、蓬莱镇组和沙溪庙组，以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，并呈现出相互交替的层位。此外还有残坡积层、崩积层等。
1.3 施工方法
其中Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖施工，V级围岩采用三台阶临时仰拱法施工。 2 工艺原理 2.1 工艺原理
将隧道设计断面分成三部开挖（不包括仰拱），其中上台阶超前一定距离后，中、下台阶同时并进，仰拱、二次衬砌紧跟下台。阶。开挖进尺根据地质预报和掌子面的实际地质情况进行现场钻爆设计动态调整，充分考虑拱部围岩的完整性、层理分布、节理发育和岩性的软硬程度来灵活调整。
2.2 工法特点
本工法跟常规工法相比，可以获得更好的爆破效果，对下一步工序施工提供了有利条件；此工法减少了炸药用量，施工过程操作简单，便于施工，施工进度快。
隧道钻爆施工过程中，隧道岩层水平分层，常规施工将会导致拱顶大面积掉块，存在重大安全隐患。根据这种岩层的特性，总结出隧道水平节理岩层开挖施工工法，保证了隧道净空要求，严格控制了隧道拱顶掉块现象，作业难度小，安全快捷，确保隧道施工的安全性和可靠性。
该工法极大改善了超挖现象，节约了大量喷射混凝土，减少了人工、材料、设备的投入，节约成本，取得了很好的经济效益。
2.3 适用范围
本工艺工法适用水平岩层状Ⅳ、Ⅴ级围岩地段修建的铁路双线隧道施工。 3 施工工艺流程及操作要点 3.1 施工工艺流程
施工工艺流程图如图3所示。
图3 施工工艺流程图 3.2 操作要点
开挖采用钻爆施工。拱脚、中、下台阶墙角增设锁脚锚杆，初期支护及时成环。采用风动凿岩机钻孔，毫秒延期电雷管起爆，湿喷作业。
在中下台阶的左右边墙开挖施工中，必须进行交错施工，禁止同时对两侧进行挖掘。在平行进行的三个台阶中，每次循环开挖的支护长度不得大于1个钢架的间距，边墙每次循环开挖的支护长度不得大于2个钢架的间距。在进行仰拱施工时，需要进行短开挖（石质围岩不得超过3米，土质不得超过1.5米），在隧道仰拱墙脚、拱脚等隅角处应预留足够的空间，方便人工开挖。 施工过程中需要早期支护、快速封闭和勤量测，并及时进行钢架支护，最终完成闭合成环。
图4 三台阶临时仰拱法施工工序图
3.3 施工准备
3.3.1风、水管和电线的敷设，建立施工便道和工场布置。还需要做好机械设备、人员和材料的配置，并修建防护和排水设施以及环保和水土保持设施。
3.3.2根据设计资料，对工程地质和当地水文地质情况进行了详细分析，并制定出适合的施工方案和措施。同时还制定了施工监控和测量计划，以及沉降观测计划。
3.3.3风钻、台车等机具检修完毕并放置在掌子面附近。 3.4 测量放样
开挖前经过测量人员对掌子面进行测量放样，放样出开挖轮廓线，确保开挖符合设计及验标要求，断面开挖加大5cm确保隧道二次衬砌厚度。在掌子面上画上开挖轮廓线并布设炮眼位置。
（a）Ⅳ级围岩上台阶爆破炮孔布置图
（b）Ⅳ级围岩下台阶爆破炮孔布置图
（c）Ⅳ级围岩中台阶爆破炮孔布置图
（d）V级围岩爆破炮孔布置图
图5 围岩爆破炮孔布置图
3.5 钻炮眼、通风
Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道采用三台阶法施工工艺，采用人工配合多功能台车钻眼。炮眼完成后进行隧道通风，消除烟尘等。
图6 钻炮眼
3.6 装药、爆破、排险
3.6.1对于钻爆施工，会根据实际情况和围岩变化进行修正，并优化爆破设计。每次爆破后，需要评估爆破效果，包括残眼率、炮眼利用率、药量大小、装药结构、爆破深度、抛砟距离及砟块大小等指标。通过统计、评估和优化爆破设计，尽可能地发挥围岩的自承载能力，并检验超前支护的效果。
图7 爆破后的岩面
3.7 出渣
出渣采用装载机配合自卸车装渣运输。 3.8 锚杆、挂网、钢架安装
Ⅳ、Ⅴ级围岩喷射混凝土为C25，拱墙厚度25cm、28cm、仰拱厚度10cm、28cm，拱墙Φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm。
Ⅳ级围岩中Ⅳb型衬砌拱墙采用Ⅰ18型钢钢架，间距均为1.0m。 Ⅴ级围岩采用全环Ⅰ20a/Ⅰ20b型钢钢架，间距0.6m。
在施工中，支护会及时跟随开挖面进行施作，以尽可能减少围岩的暴露时间，并抑制围岩变形，防止围岩在短期内出现松弛和剥落。
图8 钢架安装、挂网、锚杆
3.9 喷射混凝土
喷混凝土采用湿喷技术，先在洞外的混凝土拌和站将混凝土拌合制备好，再由混凝土搅拌运输车通过向洞内进行供料的方式进行施工，同时使用空压机提供所需的。
图9 喷射混凝土施工程序图
3.10 仰拱开挖及浇筑
在每循环开挖长度为3米的过程中，施工人员会安装仰拱格栅钢架，并与下一层台阶格栅钢架连接，通过初期支护使其形成一个封闭的环。然后进行仰拱砼的浇筑，每组仰拱砼的浇筑长度为6米。在仰拱施工期间，会使用自制的栈桥以保持车辆通行。
3.11 质量通病的处理
3.11.1光面爆破时，出现超欠挖严重现象通常原因是爆破参数选择不准确，未根据围岩变化及时调整爆破参数，炮眼质量控制不好。可采用以下措施：
针对不同围岩级别和基岩性，准确确定围岩光面爆破的技术参数，并在侧设开挖轮廓线的基础上，由专业的爆破人员全程监控从炮眼位置、倾角、炮眼深度、装药到起爆等环节的操作。根据围岩及实际爆破情况，及时进行修正爆破参数。
4 水平节理泥岩、粉砂岩隧道开挖施工参数确定
围岩钻爆参数可以帮助工程师确定钻孔的爆破参数，包括装药量、装药位置、药包直径等，以达到安全、高效、经济的爆破效果。通过合理的围岩钻爆参数设计，爆破可以达到预期效果，提高开采效率，减少矿山事故发生率，保证生产安全。
表1 围岩钻爆参数表
炮眼位置
眼个数
炮管个数
雷合计装药量
(个) (个) （Kg）
Ⅳ级围岩上台阶
05
105
1
84
Ⅳ级围岩中台阶
6
46
4.2
34
Ⅳ级围岩下台阶
8
48
4.1
35
V9928
级围岩上台阶
9 9 .0
V级围岩中台阶
3
63
6.4
27
V级围岩下台阶
8
68
6.3
25
表2 爆破参数取值
炮眼位置
循环进尺(m)
度)
掏槽眼(角
度)
崩落眼(角周边眼和二圈眼(角度)
Ⅳ级围岩上台阶
2.2m
2.0
(75°)
2.1m (90°)
2.8m (90°)
Ⅳ级围岩中台阶
2.1m
2.0
/
(90°)
2.3m (90°)
Ⅳ级围岩下台阶
2.3m
2.5
/
(90°)
2.3m (87°)
V级围岩上台阶
0.8m
0.6
(75°)
0.7m (90°)
0.9m (90°)
V级围岩中台阶
1.3m
1.2
/
(90°)
1.5m (90°)
V级围岩下台阶
1.3m
1.2
/
(90°)
1.5m (87°)
1）掏槽眼装药量计算
按装药系数确定直孔掏槽的炮孔装药量：
式中：Q------装药量；
η-------装药系数； l-------掏槽眼深度； q1------装药集中度。 2）崩落孔装药量计算
其中，
式中：w------抵抗线（根据经验取值）；
ar------炮孔间距； l-------崩落孔深度。
3）周边孔装药量计算 孔间距：抵抗线：装药集中度：装药量：
以上公式均为经验公式。 4）炮孔堵塞长度l0的计算
本文系数η均取0.5，根据现场实际情况经验取值。最终得出结果如表3所示。
表3 装药量计算结果表
炮眼位置
掏槽眼(kg)
崩落孔(kg)
周边孔(kg)
炮孔堵塞长度
l0 （mm）
Ⅳ级围岩上台阶
1.0 1.0 0.4 500
Ⅳ级围岩中台阶
/ 0.66 0.4 500
Ⅳ级围岩下台阶
/ 1.7 0.4 500
V级围岩上台阶
0.4 0.3 0.2 400
V级围岩中台阶
/ 1.0 0.25 500
V级围岩下台阶
/ 1.0 0.25 500
5 效益分析 5.1 经济效益
与传统隧道开挖功法相比，本工法节省了大量人材机等资源，在新建汉中至巴中至南充铁路南充至巴中段HBNZQSG-1标李家坎隧道工程中应用了本工法。采用“高速铁路水平节理泥岩、粉砂岩隧道开挖施工工法”，施工安全得到了有效控制，安全可靠，同时，大幅度缩短了施工工期，降低了人工成本，经济效益显著。
现阶段已开挖施工隧道665延米，共计节约成本81.2万元，获得效益81.2万元。
5.2 社会效益
该项技术的成功实施，改善了隧道普通钻爆开挖的效果，减少了超挖现象，节约了资源，施工安全质量得到了控制，安全可靠，提高了生产效率，总结出一套适用于水平节理岩层开挖的施工参数，为同类工程施工，提供了丰富的施工经验和技术指标。
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