杨建春 师要刚

摘要：浅埋复杂地质水工隧洞施工存在围岩坍塌、冒顶的风险，当隧洞部分洞段处于高速公路正下方，隧洞施工期间要保证原线路高速正常通行的条件下，使得隧洞施工难度更高、安全风险增大;本工程通过对下穿高速公路隧洞段开挖施工方法的技术经济比选，采用了爆破与免爆方法相结合的实施方案，取得了良好的效果，为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：隧洞 复杂地质 下穿高速公路  开挖技术

1.前言

新疆某输水工程4#隧洞在施工过程中，由于下穿当地一条高速公路，该段覆盖层较薄仅为7.8m不足1倍洞径，且该处岩层为破碎岩体+断层带，属于Ⅴ类围岩，重型车辆通过时对隧洞顶部岩体形成较大振动压应力，在隧洞开挖过程中易形成掉快、坍塌等现象，可能造成路基变形。为此，通过对国内常用免爆开挖施工方法的技术经济比选，最终采用悬臂式掘进机进行施工，并结合液压劈裂和欲裂松动爆破等辅助措施，顺利完成了穿高速洞段的施工任务。

2.工程概况

本工程隧洞穿高速洞段全长109m，其中高速路下方长40m，隧洞结构为马蹄形，开挖洞径10.0m，覆盖层厚7.8m。隧洞断面结构如下图所示。

2.2地质条件

该段位于低山丘陵，地形平坦开阔，分布高程678～683m，高差相约5m。地表基岩裸露，局部表层分布第四系全新统洪积粉土质砂及人工堆积碎石土，结构松散，厚度1.0～2.0m;下覆为基岩，岩性为泥盆系中统阿勒泰组（D2a）二长片麻岩、黑云母斜长片麻岩，二长片麻岩，浅灰白色，次块状～块状构造;黑云母斜长片麻岩，浅灰黑色，薄～中层，基岩强风化层厚4～10m，岩石多破碎;弱风化层10～12m，节理裂隙发育。根据地表踏勘测绘及钻孔揭露，桩号97+283～97+353m，发育f1、f2挤压破碎带，宽约2～12m，产状295°NE∠65°带内以挤压碎裂岩为主，夹有糜棱岩和断层泥，与洞轴线夹角约10°，对洞室稳定影响较大。隧洞上覆岩体厚8～13m，洞身多位于弱风化基岩内，且有地下水，沿基岩裂隙面有滴水渗水现象。

3.常用免爆施工方法綜合比选

目前国内免爆施工方法常见的主要方式为：①静态破碎剂，②液压劈裂技术，③液压破碎锤，④悬臂式掘进机，现对上述四种免爆施工技术经济性对比分析。

3.1免爆开挖方案综合比选

思路 利用YT-28进行钻孔，将静态破碎剂调成流动状浆体，注入钻孔中，经水化后，产生膨胀压力将混凝土或岩石（抗拉强度为4～10 MPa）胀裂、破碎。分上下台阶开挖。 利用潜孔钻机（或其他钻机）预先在掌子面施打大于100mm直径的空孔作为释放孔，再利用YT-28手风钻打劈裂孔，然后将液压劈裂机的分裂器塞进劈裂孔中进行破岩。 利用潜孔钻对周边轮廓线进行钻孔，控制开挖轮廓线，利用液压破碎锤破岩，分上下台阶开挖。 采用机械破岩原理，上下左右连续移动截割头来完成破岩开挖工作，可用于任何断面形状的隧洞。分为上下台阶。

方案

优势 1、无需火工品供应，无爆破飞石;

2、围岩扰动小，开挖轮廓线控制较为精准，减少超挖量。 1、静态破碎岩体，无震动，无飞石，安全性高;

2、结构小，重量轻，机动性能好，使用方便。 单次破碎量可控制。

设备移动灵活，操作方便。 1、围岩扰动小，可精确控制开挖轮廓线，减少超挖量;2、开挖效率与岩石强度有关一般为3～15m3/h;3、施工安全性高，灵活方便，可实现连续化施工作业;4、超欠挖易控制、节约后续施工的混凝土喷射量，降低施工成本;

方案

劣势 1、钻孔数较多，工作量大，效率较低，需打100mm直径以上的空孔作为自由面。

2、不适用于极低温度施工和破碎岩体及裂隙发育岩体。

3、上台阶由于缺少自由面需要水平钻孔，水平钻孔时需要将流态的破碎剂事先装在封闭的塑料膜袋中，再进行填孔。 1、由于劈裂机的横向扩张有限，所以施打的劈裂孔的间排距很小约为30～50cm，所以钻孔量较大，单次破碎量有限。需设置一排空孔作为临空面。

2、适用于岩石完整性较好的脆性岩体，对于较为破碎岩体不适用。

3、由于单次破碎量小，施工效率较低。 1、为保证开挖轮廓线，减少岩石垮塌需要对轮廓线进行钻孔，钻孔数较多，孔间距20～30cm，钻孔工作量大。

2、易造成超挖，隧洞圆弧轮廓线不易控制。

3、无自由面时破岩开挖效率低。

4、受空间限制不够灵活。 1、开挖过程遇到零星完整的孤石，岩石硬度较高，破岩难度大，截齿磨损量大，费用高，开挖效率下降。

安全

性 反应时间不易掌握，易冲孔;

围岩暴露时间长，安全性差。 围岩暴露时间长安全性差 由于对岩体扰动大，容易产生局部跨石情况，安全性差 安全性高

3.2大管棚施工

根据地表测绘及钻孔揭露，在桩号97+283～97+353m段发育f1、f2挤压破碎带，宽度2～12m，带内以挤压破碎岩为主，加有糜棱岩和断泥岩，断层产状295°NE∠65°，与洞轴线夹角约为10°，对洞室稳定影响较大。为保证隧洞施工和高速公路运行的绝对安全，在穿高速段40m增加Ф108大管棚超前支护。管棚施工范围为洞顶120°～150°范围内扩挖形成，扩挖长度为4m，采取分台阶开挖方式。开挖完成后，立刻进行初期支护，支护形式为HW150型钢拱架，间距为50cm，布系统锚杆，挂网Ф8@200，喷C30砼20cm，二衬时对扩挖洞室按原结构混凝土回填。管棚为Ф108*6mm无缝钢管，一次钻进长度为40m，管节之间采用套管丝扣连接，管节接头错开2m，环向间距为30cm，外插角为3～5°，孔内注浆采取水泥浆液注浆，水灰比为0.6：1～1：1，灌浆压力为0.6～1.0Mpa。具体如下图所示。

3.3预裂松动爆破技术

3.3.1 预裂松动爆破流程

具体施工流程如下：测量放线→小导管超前支护→预裂爆破→上台阶松动爆破→上台阶悬臂掘进机开挖→上台阶出渣→上台阶支护→下台阶测量放样→下台阶松动爆破→下台阶悬臂掘进机开挖→下台阶出渣→下台阶支护。

3.3.2  施工方法

施工方法：采用上下台阶开挖方法，台阶开挖时，先对开挖轮廓线进行预裂爆破，辅助增加相应的空孔作为释放孔，减少对周边围岩扰动;主爆孔采取少装药进行松动爆破，最大单响药量控制在0.4Kg以内，采用非电毫秒延时雷管起爆网络，孔间延时50毫秒，另根据悬臂机掘进效率，单次钻孔深度控制在1.0m以內。

3.3.3 钻孔与爆破

（1）钻孔

钻孔布置图如下图所示。

φ165mm的释放孔采用CM351潜孔钻造孔，φ42mm爆破孔采用YT28手风钻钻孔。

（1）预裂孔

沿着开挖轮廓线设置预裂孔，预裂孔孔径为42mm，孔距为0.5m，一次钻孔深度为1.0m。单孔装药量为0.2kg。

（2）主爆孔

主爆孔孔间距的取值为1.0m，排间距为1.0m，可采取梅花型布孔，单孔药量为0.4kg，同时应根据掘进断面的具体尺寸调整孔间距，以使布孔尽可能均匀。打孔时，孔间距误差不能大于0.1m，具体情况进行适当调整。

（3）装药结构及起爆顺序

装药，采用乳化炸药，炮孔堵塞一般采用钻孔岩屑、黄泥，采用木棍堵塞。各爆破孔装药结构见下图。

炮孔应按周边预裂孔、第一排主爆孔、第二排主爆孔…的先后顺序起爆。

3.4悬臂掘进机掘进技术

悬臂掘进机通过前端的截割头上下左右连续移动切割磨削岩体。根据设备性能，截割破碎开挖均为上下台阶开挖，上台阶高度为5m，下台阶高度为5.07m，由于设备切割过程对岩石扰动相对小，开挖循环进尺为0.8～1.2m。截割破碎效率约3～15m3/h。

岩体经过切割破碎后，通过设备自带的输送链条和前部铲板上的星盘渣土刮板器至运输系统，后可直接卸渣至自卸车内，或堆积一部分后采用装载机直接装车运出洞外，由于岩石切割过程中，大块石随节理面滑落造成无法及时运至洞外，影响设备运行，需配备一台挖机及时清理大块石。

另根据设备特性， 掘进机工作时要求1140V稳定电压，需要设置专用变压器，变压器容量可为1000/800/630KVA，高压开关柜到变压器一次侧电力电缆，电缆耐压为10KV，变压器二次侧输出电压为1.14KV。

4.结论及建议

结论：为保证工程建设节点工期实现，确保通过洞穿高速段109m安全高效地完成，结合现场实际情况，经过认真分析研究，通过以悬臂掘进机开挖为主，同时辅以破碎锤和预裂松动爆破技术相结合的开挖方法，提高了设备利用率，达到安全、高效、快速的目的;在资源配置、施工工艺、安全保障、施工工期、工程造价等诸多方面效益显著。

建议：（1）根据当地气候条件，加强低温季节洞内保温工作措施，保证混凝土初期强度，降低喷射混凝土的回弹量;

（2）根据揭露围岩情况，采取合适的开挖方式，当岩石单轴饱和抗压强度超过70Mpa时，对悬臂掘进机截齿的消耗非常大，施工成本增加较大，进尺慢单纯悬臂掘进机施工不经济，可辅以欲裂松动爆破，再进行掘进效果较好;悬臂掘进机更适用于岩石强度小于70Mpa地层。

（3）大重型钢拱架安装，需采用机械设备和工装手段配合，不但能够降低劳动强度，提高效率，而且安全性高;

（4）对于浅埋破碎岩体隧洞施工，应加强与路政管理部门、交通管理部门、公路管理部门的沟通与协调，做好相应的交通应急预案和道路导改方案，防止意外情况的发生。

参考文献：

[1]杨辉斌《悬臂掘进机部分断面掘进法在隧洞开挖施工中的应用》水利科技. 2021，（03）.

[2] 黄基富 肖功夷《悬臂掘进机在交通隧道施工中的实践应用与适应性研究》现代隧道技术. 2021，58（02）

[3]徐仁军《悬臂式掘进机在软岩隧洞开挖中的应用》小水电. 2021，（01）

作者简介：杨建春、1983.03、男、民族：汉、籍贯（山西省霍州市）、学历：本科（学士学位）、职称：工程师、研究方向： 隧道工程师要刚  1983.07，男，汉，河南省漯河市，本科，高级工程师，研究方向：隧道工程