小半徑曲線非對(duì)稱連拱隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：重慶市馬家?guī)r隧道立交工程是目前國內(nèi)最小半徑的曲線連拱隧道，施工過程中通過采取先進(jìn)可靠的開挖方法、優(yōu)化光面爆破參數(shù)和先進(jìn)的測(cè)量、監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小半徑隧道超欠挖的有效控制，滿足了工期、質(zhì)量和安全要求，取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：小半徑連拱隧道，中導(dǎo)洞，光面爆破，TPS測(cè)量，監(jiān)測(cè)

http:///
一、工程概況及地質(zhì)條件

1.1，工程概況

重慶沙坪壩區(qū)馬家?guī)r立交由小半徑曲線非對(duì)稱連拱隧道和二個(gè)下穿道組成。其中，隧道分A、B匝道雙洞隧道。A匝道隧道全長150.242m，隧道進(jìn)口凈寬10.5m，位于直線段上。隧道出口處于半徑R=23.5m的園曲線上，隧道凈寬

9.61m，凈高7.21m。整個(gè)隧道的平曲線從設(shè)計(jì)起點(diǎn)開始依次為R=∞，L=25m，R=57.5m，R=∞，L=23.5m。 B匝道隧道出口在直線段上，隧道進(jìn)口在半徑R=25m的園曲線上。隧道全長114.011m，整個(gè)隧道的平曲線從原設(shè)計(jì)起點(diǎn)開始依次為R=∞,R=25m，B匝道隧道凈寬11.42m，凈高7.77m。見A、B匝道隧道平面圖及斷面圖。

1.2，工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形高差大，最高處高程為378.60m，最低處為327.98m，相對(duì)高差50.62m。

場(chǎng)地整體上東高西低。A、B匝道穿越了現(xiàn)有的路線及鄰近一小山丘�，F(xiàn)有線路部分地形較平坦，地形坡角一般小于10°。丘陵部分地形較陡，自然斜坡部分坡角一般約35°—40°，局部人工開挖的邊坡部分達(dá)70°。

場(chǎng)地位于沙坪壩背斜東翼。據(jù)基巖露頭調(diào)查得知，地層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀108°＜10°。場(chǎng)區(qū)發(fā)育有兩組裂隙，場(chǎng)區(qū)內(nèi)無斷層及構(gòu)造破碎帶，裂隙不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

根據(jù)地表調(diào)查及鉆孔揭露，路線區(qū)鉆探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)土層（Q4）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）的基巖。

擬建場(chǎng)地位于淺丘斜坡地帶，無崩塌、泥石流、滑坡、巖溶洞穴、煤與瓦斯、有毒有害氣體 、地溫異常等不良地址現(xiàn)象。

二、隧道開挖斷面及方法

2.1，中導(dǎo)洞工藝代替原三導(dǎo)洞工藝

本工程原設(shè)計(jì)是“三導(dǎo)洞”施工工藝，但該工藝存在諸多不足，主要是工序繁多，需要撤除的臨時(shí)支護(hù)多，工作面狹小，不能使用大型機(jī)械，工效低，費(fèi)用高，施工周期長。由于本工程位于主城區(qū)交通中心，工期緊張，采用三導(dǎo)洞施工工期不能保證。

通過對(duì)工程的圍巖情況研究，并根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，向建設(shè)方，監(jiān)理方提出將施工工藝改為中導(dǎo)洞工藝施工。即中導(dǎo)洞先行無側(cè)壁導(dǎo)洞的工藝，二次襯砌是采用大型液壓式鋼模板臺(tái)車全斷面一次性澆筑。

相對(duì)三導(dǎo)洞施工法，采用中導(dǎo)洞施工法具有以下優(yōu)點(diǎn)；工序較少且簡(jiǎn)單，施工干擾少，省去了側(cè)導(dǎo)洞開挖和部分臨時(shí)初期支護(hù)及拆除工序，施工空間大，便于使用大型機(jī)械設(shè)備，施工質(zhì)量易于保證。在確保施工安全的同時(shí)，可加快進(jìn)度、縮短工期、提高效益、降低造價(jià)。

2.2，本工程中導(dǎo)洞施工工藝要點(diǎn)

根據(jù)馬家?guī)r立交隧道工程中導(dǎo)洞開挖貫通的實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)隧道主洞開挖方法再次進(jìn)行研究，通過B洞出口試驗(yàn)段，證明采用中導(dǎo)洞上下臺(tái)階法開挖主洞是安全可行的，而且可以加快進(jìn)度，針對(duì)隧道主洞開挖試驗(yàn)段提出以下工藝要點(diǎn)：

2.2.1根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃安排選擇在B隧道出口段15m范圍內(nèi)作為試驗(yàn)段；臺(tái)階開挖的高度設(shè)在起拱線的位置，上臺(tái)階長度要大于10m；

2.2.2嚴(yán)格控制爆破進(jìn)尺和超欠挖，每循環(huán)進(jìn)尺的最大長度控制在

1.5-2.0m；爆破采用光面爆破法，雷管的分段為15段。

2.2.3初期支護(hù)加強(qiáng)：原類圍巖的型鋼支護(hù)的間距60cm變成50cm，其他超前小導(dǎo)管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護(hù)參數(shù)不變，Ⅳ級(jí)圍巖的型鋼支護(hù)的間距80cm、變成60cm，超前小導(dǎo)管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護(hù)參數(shù)同V級(jí)圍巖；

2.2.4加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)工作，加大試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)的頻率，及時(shí)量測(cè)信息指導(dǎo)施工，通過反饋信息來不斷完善設(shè)計(jì)，達(dá)到施工安全、快速、經(jīng)濟(jì)的目的。

必測(cè)項(xiàng)目有拱頂下沉、洞內(nèi)水平收斂位移、支護(hù)內(nèi)應(yīng)力量測(cè)、錨桿拉拔力及地震波檢測(cè)。

2.2.5在軟弱圍巖條件下，堅(jiān)持“管超前，嚴(yán)注漿；短開挖，弱爆破；強(qiáng)支護(hù)，早封閉；勤測(cè)量，二襯緊跟；信息及時(shí)反饋，及時(shí)修正”的原則；

2.2.6開挖后，立即進(jìn)行初期支護(hù)，縮短圍巖暴露時(shí)間，確保噴射混凝土的強(qiáng)度和厚度，并緊貼巖面；

2.2.7仰拱超前，二次襯砌距開挖面不超過30cm；

2.2.8如發(fā)現(xiàn)局部邊墻圍巖變差，應(yīng)用拱腳鎖腳錨桿加強(qiáng)初期支護(hù)，控制拱頂下沉；

2.2.9左右洞掌子面開挖，應(yīng)錯(cuò)開50m以上，確定左右洞開挖間距的原則是，先行洞二次襯砌達(dá)到一定強(qiáng)度后，再進(jìn)行后行洞開挖，以減少后行洞開挖對(duì)先行洞的不利影響。

三、普通鉆爆設(shè)計(jì)

3.1，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺

本工程圍巖采用短進(jìn)尺，多循環(huán)掘進(jìn)。由于本隧道工程為曲線小半徑，為控制超挖值，對(duì)A洞、B洞的掘進(jìn)進(jìn)尺分別進(jìn)行計(jì)算（計(jì)算步驟略）。

經(jīng)計(jì)算側(cè)墻鉆角定為外側(cè)傾角0°即沿曲線切線方向鉆孔，拱部外側(cè)傾角為2°，對(duì)B洞臺(tái)階法施工掘進(jìn)尺外側(cè)2.0m，內(nèi)側(cè)1.21m。

3.2，炮孔深度,直徑

鉆孔采用YT-28風(fēng)鉆，炮眼孔徑為φ42mm，為克服巖石的夾制作用，除陶槽眼深度取掘進(jìn)進(jìn)尺加200mm以外，其余各炮眼深度取值按以上掘進(jìn)進(jìn)尺計(jì)算值確定。在實(shí)際操作中應(yīng)視掌子面的凹凸情況，調(diào)整各炮眼鉆孔長度，使所有炮眼（除陶槽眼外）眼底處于外側(cè)切線的法線面上。

四，光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

光面爆破是通過調(diào)整周邊眼的各爆破系數(shù)，使爆炸先沿各孔中心連線形

成貫通的破裂縫，然后內(nèi)圍巖體裂解，并向臨空面方向拋擲。光面爆破的目的是使爆破后的巖石表面按設(shè)計(jì)輪廓線成型，表面能較平順，超挖量最小，對(duì)坑道圍巖的撓動(dòng)較小。

確定合理的光爆參數(shù)是獲得良好光面爆破效果的重要保證。光面爆破的主要參數(shù)有：周邊眼間距（E）、周邊眼密集系數(shù)（m）、最小抵抗線（W）、不偶合系數(shù)（D）和裝藥集中度（q）。

4.1，連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)

不耦合結(jié)構(gòu)能夠比較均勻地降低炮孔壁所承受的峰值壓力，有助于保護(hù)孔壁少受徑向爆破裂隙的破壞。對(duì)陶槽眼及輔助眼應(yīng)采用較小的值，以提高炸藥的爆破效率，對(duì)周邊眼則可采用較大的值，以減小對(duì)圍巖的破壞。

炸藥在炮孔中爆炸后形成的爆炸沖擊波的平均壓力為：

其中：n：爆生氣體與炮孔壁碰撞時(shí)的壓力增大系數(shù)，n=8-10。

P：炮孔內(nèi)炸藥形成的平均值。

：炸藥的爆速。

：裝藥炮孔直徑。

：炸藥藥卷平均密度（0.9-0.95g/cm3）。

光面爆破技術(shù)的關(guān)鍵是炸藥爆破時(shí)對(duì)炮孔壁面產(chǎn)生的沖擊壓力不大于巖石的抗壓強(qiáng)度。P≤kbsc。

Kb：體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石的抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，kb=10。

Sc：巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，在掘進(jìn)過程中通過的巖石f=8～10。

4.2，間隔裝藥的單位裝藥長度

間隔裝藥單位裝藥卷直徑32mm炮孔直徑40mm，不能滿足連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)，所以采用空氣間隔裝藥，當(dāng)炸藥爆炸后，作用在炮孔壁上的沖擊力為：

式中：、分別為裝藥長度和空氣間隔長度，炸藥能量10%用于壓碎圍巖。