宁立宙　蓝健宁

摘要：为提高隧道原位扩建工程开挖面精度的控制程度，文章结合廷心隧道原位扩建工程项目实例，基于该项目所处的地质情况和改扩建工程的特殊性，采用弱爆破配合机械开挖的扩建方式，并根据不同围岩情况提出针对性的爆破方案。

关键词：公路隧道;原位扩建;超欠挖;精度控制

中图分类号：U455.4

0 引言

公路交通建设一直是国家基础建设的重中之重，而随着公路建设的不断推进，隧道工程的建设也越来越多。据统计，21世纪以来，我国公路隧道的年增长率高达20%[1]，并且呈现出逐年加快的趋势。我国国土面积辽阔，地形地貌多样，隧道工程的建设面临着艰巨的挑战，但也因此推动了隧道工程技术的发展。目前，我国隧道工程建设在难度、数量以及规模上已居世界前列，继续推动工程建设的空间缩小。同时，早期建设的部分工程已不能满足日益增长的交通需求，在这一背景下，公路隧道工程的改扩建逐渐变成一种趋势[2-4]。

原位扩建属于常规采用的隧道扩建形式，需要将原有的隧道结构拆除，同时加大隧道断面面积，重新对其进行支护和衬砌。既有隧道在早期开挖过程中早已遭受多次扰动，原有的岩石结构已然遭到了破坏，只能通过人工支护进行平衡。而原位扩建不仅破坏了这个平衡，同时还需要加大隧道断面，多次的应力扰动使得开挖过程难度增大，这对开挖面的精度控制提出了更高的要求。

目前，我国在隧道原位扩建施工方面的工程实例较少，技术应用不够成熟。广西区内更是由于复杂的地形条件、成本技术限制等，在在建高速公路隧道原位扩建工程方面并无先例。本文基于廷心隧道单侧原位扩建工程，对隧道原位扩建开挖面精度控制进行分析，以期为隧道原位扩建方面的研究提供实例支撑。

1 工程概况

既有廷心隧道位于河池市大化瑶族自治县羌圩乡洪筹村，为分离式隧道。隧道总体走向正北，左线长507.5 m，右线长516 m，进出口路面设计高程分别为211.781 m、208.961 m，属中隧道，是广西首个原位扩建的高速公路隧道工程。

廷心隧道原设计为双向四车道高速公路，现进行扩建至双向六车道。原隧道建筑限界：净宽为（0.75+0.75+2×3.75+1.0+1.0=11.00） m，行车道净高为5.0 m。扩建后隧道建筑限界：净宽为（0.75+0.75+3×3.75+1.0+0.75=14.5） m，行车道净高为5.0 m。

1.1 地质条件

隧道区属剥蚀低山地貌，地形起伏较大。廷心隧道穿越相同山体，地面高程在210～339 m，相对高差约为129 m。隧道洞身埋深不深，最大为109.6 m。进出口段山体斜坡自然坡角约为40°～60°。隧道所穿越山体地层岩性主要为三叠系百逢组砂岩，隧道进出口段岩石较破碎，强风化，围岩等级Ⅴ级。洞身段岩石较完整，中等风化，围岩等级Ⅳ级，力学强度较高，抗风化能力强，工程地质稳定性较好。

1.2 水文条件

隧道区内无大的地表水体，主要为地表溪流，具有季节性，水流量受大气降雨影响较大。地表水沿覆盖层中的空隙或纵向裂缝垂直下渗，隧道开挖时洞室一般以淋雨或涌流状出水为主，局部裂隙发育。

2 开挖方案选择

在一般的隧道开挖设计中，围岩的破碎程度、节理裂隙发育程度以及岩石强度都是开挖技术方案选择中需要考虑的重要条件。而在改扩建工程中，还需考虑原工程拆除难度和拆除后围岩的扰动情况。

本改擴建工程涉及的隧道是已建成通车的隧道，仰拱、二衬、初支等结构物内有大量型钢拱架、钢筋网、超前导管和混凝土，强度高、体积大。同时，二衬表面光滑，表面混凝土在内部钢筋等的结合下较坚硬，仅仅使用破锤机破除速度十分缓慢，且破除过程中易发生碎石飞溅，容易造成人员受伤，破锤的钻头也会加速损伤，造成额外的更换成本。

依托工程隧道围岩以Ⅳ级、Ⅴ级为主，岩性多为中风化砂质页岩，岩质偏软，结构面松散或发育，胶结面一般，自稳能力差，使用少量的炸药即可对原隧道坚硬的二衬混凝土起到很好的碎裂效果，减少机械作业时间。

因此，项目采用弱爆破配合机械开挖的方法进行原结构物破除和开挖掘进工作。进洞方式为单洞双向掘进，以减少对另一侧洞口围岩的扰动。弱爆破碎明洞混凝土后，破锤机可轻松地将爆破后开裂松散的衬砌混凝土进行破除，配合挖机和土方运输车将废弃物运出。

3 爆破技术控制

原位扩建隧道围岩经多次扰动已产生应力松弛，围岩整体变形比新建隧道大，同时扩挖侧围岩压力较大[5]，不适宜的爆破手段更容易造成超欠挖。因此，爆破方法和技术参数的选择尤为重要。

依托工程廷心隧道分为Ⅴ级、Ⅳ级围岩，结合爆破安全规程[6]，针对不同围岩等级采取不同的开挖方法：Ⅴ级采取单侧壁导坑上下台阶开挖法;Ⅳ级围岩采取上下台阶法掘进，其中上台阶分为两个区域爆破。

3.1 爆破参数

3.1.1 炮孔设置

项目针对不同的开挖方式制定了不同的炮孔设置方案，各开挖方式炮眼布置如图1所示。

3.1.2 炮孔参数

（1）炮眼直径

采用气腿式凿岩机YT28钻孔，使用40 mm钻头，d=40 mm。

（2）循环进尺

Ⅴ级围岩上台阶设计循环进尺L=1.3 m，下台阶L=1.5 m。Ⅳ级围岩段设计进尺为1.5 m。

（3）炮孔深度

根据炮孔利用率计算孔深。炮孔利用率为85%，则Ⅴ级围岩孔深L=1.3/0.85=1.5 m，Ⅳ级围岩段设计深度为L=1.5/0.85=1.8 m。

（4）掏槽形式

Ⅴ级围岩与Ⅳ级围岩上台阶部分采用掏槽爆破方式开挖（见图2），掘进中掏槽效果的好坏直接影响隧道单侧壁导洞开挖的正常进行，因周边岩石的夹制作用大，所以炮孔不宜过深。

Ⅴ级围岩采用楔形掏槽，掏槽孔间距设计为0.6 m，排距为1.0 m，开口宽度初步定为1.0 m，掏槽孔深度为1.6 m，装药系数为0.60。现场可按照作业面实际情况调整掏槽角度和长度，掏槽孔比正常装药量多10%～20%，周边孔则减少10%。

Ⅳ级围岩采用直眼掏槽，掏槽眼共5个，其中空眼1个，超深20 cm，掏槽眼比正常眼装药量多10%～20%，周边孔则减少10%。

结合工程经验，辅助眼和周边孔深度基本一致，掏槽眼深度一般超深30～50 cm。施工时根据围岩实际情况，针对性处理并调整相关设计参数，不断完善爆破设计，力求达到最佳的爆破效果。

（5）辅助眼参数

辅助孔设计孔距为0.7～0.9 m，排距为0.6～0.8 m。由于本区段开挖形状不规则，采取多钻孔少装药的方法，确保爆破一次成型，按大致均匀、局部适当调整的原则布置。

（6）最大单响药量

最大单响药量根据实际情况确定，Ⅴ级围岩上台阶控制≤5 kg，下台阶≤3.75 kg，Ⅳ级围岩控制≤7.5 kg。

（7）每循环装药量

Ⅴ级围岩采取单侧壁导坑法开挖，以机械掘进方式为主，减弱松动爆破为辅，药量初步计算过程如下：

Q=ηqLS（1）

式中：q——单位炸药消耗量（kg）;

L——炮眼深度（m）;

S——开挖隧道面积（m2）;

η——炮孔利用率（%）。

经计算，Ⅴ级围岩上台阶整个断面爆破每循环理论用药量为：Q=0.90×0.80×1.5×14.53=15.7 kg，下台阶为：Q=0.95×0.7×1.5×15.86=15.83 kg;Ⅳ级围岩整个断面爆破每循环理论用药量为：Q=1.0×0.90×1.5×8.98=12.12 kg。

（8）炮眼数确定

炮眼数量计算：

式中：N——炮孔数量（个）;

f——岩石坚固性系数;

S——开挖隧道面积（m2）。

经计算，Ⅴ级围岩上台阶N=37个，Ⅳ级围岩上台阶N=29个。由于本开挖断面形状不规则，为便于控制截面形状，采取多钻孔、少装药的方式，实际取炮孔数会略少于理论值。

（9）装药结构和起爆顺序

需要爆破的周边眼、掏槽孔、辅助孔均采用不耦合连续装药结构，所有炮孔均堵塞≥30 cm的炮泥。其装药结构如图2所示。

爆破的起爆顺序为：掏槽眼→辅助眼→底板眼→周边眼。采用多段微差起爆（由内向外），微差时间为30～50 ms。同一次爆破使用同类型、同厂家的雷管。

3.2 爆破安全验算

3.2.1 爆破振动对围岩及支护结构的安全距离验算

爆破地震波安全距离采用萨道夫斯基判据公式（针对隧道围岩）：

式中：R——爆破地震波允许的安全距离（m）;

Q——单段最大装药量，取8 kg;

V——爆破地震安全速度（cm/s），隧道爆破洞口或明洞段时，对高压线塔等建筑物爆破安全振动速度V按≤2.5 cm/s 控制，保护对象主要是一般的砖混结构的建筑物，取V=2.0 cm/s;

K——介质性质系数，取200;

a——地震波衰减系数，取1.6。

由表1可知，临近爆破点位置爆破振动速度的实际值远远大于标准允许值。因此，一般隧道爆破对围岩及临近爆破点的初支结构会造成一定的影响，在施工过程必须要加强对隧道围岩及支护结构（特别是初支结构）的检查并及时排除险情，方可进入下一步施工。

4 围岩地质与测量放线

4.1 围岩地质条件

围岩地质条件是隧道开挖造成超欠挖的主要影响条件。这里所指的地质条件主要为围岩中存在的裂隙、节理、断层、软弱夹层等使围岩结构变得脆弱的现象。一旦开挖过程中触及到这些地质现象，就难以让岩石照着预定的轮廓线崩落，从而造成超欠挖的情况。

圍岩地质条件属于非主观条件，但也能采取一定的措施减小其对开挖精度的影响。首先就是做好围岩的地质勘察工作，为爆破参数的修改提供依据。详实的地质勘察资料，可以提供准确的受地质构造影响的脆弱面和脆弱部位的位置，从而让钻孔角度、钻孔位置等参数得到及时的更改，减小超欠挖的程度。

4.2 测量放线方面

精准的测量放线是控制超欠挖的有效手段。但由于隧道内能见度差，导致测量控制精度的困难性增大，放线误差大时，便会造成超欠挖的现象。因此，隧道的测量放线工作应该引起现场施工人员的更多注意。对于放线的标高和中线，一定要力保准确。这两个参数的偏差，会造成较大程度的超欠挖。同时，要做到勤测量，通过多次反复的确认，保证工作的精准程度。

5 现场施工效果

本文施工经验得以运用在廷心隧道原位扩建工程中。首先使用弱爆破进行既有隧道的衬砌拆除，在这一过程中注意爆破参数的选择，根据现场情况精细调整，尽可能避免产生过大震动，随后机械开挖至隧道轮廓线。根据现场情况，该工程在施工中超欠挖程度小，初支均匀，喷混凝土用量小，取得了良好的施工效果。

6 结语

本文依托廷心隧道的工程建设，对公路隧道原位扩建开挖面的精度控制开展了研究，将开挖面精度控制技术分为多个方面进行分析：首先是开挖技术方案的选择，项目充分考虑了工程自身的地质情况，采取了有效的开挖方式;其次是爆破技术的控制，根据不同的围岩情况设置不同的爆破方案和技术参数，同时根据现场情况灵活调整;最后在减少围岩超欠挖和测量放线误差上提供了意见，最大限度地保证了开挖面的精度，使工程得以顺利进行。本文研究成果可为今后类似工程的建设施工提供参考。

参考文献

[1]《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

[2]张俊儒，吴 洁，严丛文，等.中国四车道及以上超大断面公路隧道修建技术的发展[J].中国公路学报，2020，33（1）：14-31.

[3]林立宏，朱爱山，康三月，等.楼山隧道原位扩挖方案比选研究[J].西部探矿工程，2020，32（10）：177-180.

[4]李永山，陈良兵，黄锦春，等.特大断面隧道原位扩建的施工力学特性分析[J].路基工程，2018（2）：201-206.

[5]胡居义，黄伦海.原位扩建隧道围岩变形及力学特性研究[J].公路交通技术，2011（6）：83-87.

[6]GB 6722-2014，爆破安全规程[S].

作者简介：

宁立宙（1987—），工程师，主要从事公路工程路面与隧道施工技术管理工作;

蓝健宁（1996—），硕士，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作。