浅谈双洞小净距隧道的开挖.docx
《浅谈双洞小净距隧道的开挖.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈双洞小净距隧道的开挖.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
浅谈双洞小净距隧道的开挖
浅谈双洞小净距隧道的开挖
[摘要]小净距隧道的中夹岩是开挖后应力集中最大的地方，开挖方法选择的合理与否将
直接影响到中夹岩的稳定性，本文通过对京福高速公路小净距隧道群的开挖施工
总结就双洞小净距隧道的开挖方法按照不同的围岩级别逐一进行了介绍，同时，
提出了钻爆开挖过程中的测试、计算方法及降震措施。
[关键词]施工顺序施工要点震动测试降震措施
1前言
《公路隧道设计规范》JTJD70-2004第4.3.2条对并行公路隧道的净距作出如下规定：
高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。
分离式独立双洞的最小净距，按对两洞结构彼此不产生有害影响的原则，结合隧道平面线形、围岩地质条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素确定，一般情况可按下表取值。
分离式独立隧道双洞间的最小净距表1
围岩级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
最小净距（m）
1.0×B
1.5×B
2.0×B
2.5×B
3.5×B
4.0×B
注：
B—隧道开挖断面的宽度
隧道间的中间岩柱厚度小于表1建议值的隧道称之为小净距隧道。
小净距隧道是介于普通分离式双洞隧道和连拱隧道之间的一种结构形式，工程应用中它有以下优点：
（1）其造价和施工工艺同普通分离式双洞隧道相比差别很小；
（2）同连拱隧道相比，它的造价低得多，同时施工工艺也简单；（3）有利于公路整体线型规划和线型优化。
基于上述因素，该结构形式在中、短隧道设计中被广泛采用。
但由于小净距隧道的中夹岩的厚度远比普通双洞隧道要小（一般只有5m～8m），所以小净距隧道的围岩稳定与支护结构受力要比普通分离式隧道要复杂，同连拱隧道相比，它有其自身的特点。
为了保证该结构形式成功地应用于公路建设中，需要采取一定措施以保证围岩稳定与支护结构的安全。
小净距隧道的围岩力学特点表明，隧道在施工中必须慎重对待中夹岩的稳定性，应采取必要的设计、施工措施，确保小净距隧道施工安全。
本文通过对京福高速公路三明至福州段上多座小净距隧道施工资料的分析以及施工经验总结和对国内多座小净距隧道施工文献的调研，提出并行双洞小净距隧道开挖方法。
2开挖顺序及施工要点
小净距隧道施工的难点、重点是合理选取开挖顺序、控制爆破作业，确保隧道开挖过程围岩的稳定，减小两隧道之间由于净距较小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素。
对于软弱、破碎围岩来说，重在确定合理的开挖顺序，减少对围岩的扰动；对于坚硬、完整围岩，重在控制爆破振动对围岩稳定性的影响。
为确保开挖过程中围岩的稳定性，减少因隧道间距小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素的影响，满足小净距隧道中夹岩特有的加固要求，需对小净距隧道不同围岩级别段的施工采用不同的施工方法。
2.1Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩段
2.1.1施工顺序
采用超前导坑预留光爆层的开挖方法，按左洞先开挖制定，若右洞先开挖，则左、右洞施作顺序对调（见图1）。
左洞施工顺序为：
（1）开挖超前导坑1；
（2）开挖预留光爆层2；（3）初期支护；（4）隧道减底及水沟开挖；（5）防水层及二次衬砌施工。
右洞施工顺序同左洞。
图1Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩超前导坑开挖工序横断面图
2.1.2施工要点
（1）超前导坑超前长度应根据施工能力确定，一般为5～10m；
（2）右洞预留光爆层的开挖应在左洞初期支护完成并达到一定强度后进行，因此一般应滞后左洞预留光爆层开挖5～10m；
（3）在选择采用超前导坑预留光爆层法进行开挖时，应注意炮孔间距和单孔装药量等参数的调整。
（4）采用全断面爆破法进行开挖较有利于大型设备的施工，但应在爆破参数设计上严格执行《GB6722-86爆破安全规程》的规定，切实配合爆破震动测试资料及时调整有关参数，确保相邻隧道衬砌、支护的稳定性和工程安全；
（5）由于隧底开挖工作的精度直接影响隧道底部平整回填工作量，超前导洞一般高于隧道底面设计标高0.5～1m，将隧道减底工作留至精确抄平后与开挖同时进行；
（6）考虑到减底及水沟开挖若滞后二次扩挖面太远不利于各工序的平行作业，此工序与二次扩挖掌子面的距离应≤15m。
2.2Ⅳ级围岩段
2.2.1施工顺序
采用反向单侧壁导坑的开挖方法，施工工序按左洞先开挖制定，若右洞先开挖，则左、右洞施作顺序对调（见图2）。
左洞按下列顺序施工：
（1）上台阶1超前支护；
（2）上台阶1开挖；（3）上台阶1初期支护（含侧壁临时支护）；（4）下台阶1超前支护；（5）下台阶1开挖；（6）下台阶1初期支护（含侧壁临时支护及仰拱初期支护）；（7）上台阶2超前支护；（8）上台阶2开挖；（9）上台阶2初期支护（含侧壁临时支护）；（10）中夹岩上部水平贯通锚杆施工；（11）下台阶2超前支护；（12）下台阶2开挖；（13）下台阶2初期支护（含侧壁临时支护及仰拱初期支护）；（14）中夹层下部水平贯通锚杆施工；（15）防水层及二次衬砌施工。
右洞施工工序同左洞，但水平贯通锚杆施工应为水平贯通锚杆连接施工。
图2Ⅳ级围岩反向单侧壁导坑开挖工序横断面图
2.2.2施工要点
（1）Ⅳ级围岩多采用钻爆法开挖，为减少爆破震动对相邻隧道的影响，应将震动最大的爆破远离中夹岩进行。
（2）右洞（后掘进洞）上台阶1的开挖一般应落后于左洞下台阶1（先掘进洞）5～10m。
当左洞（先掘进洞）出现围岩稳定性较差、监控量测数据收敛性不好的情况时，右洞上台阶1宜滞后于左洞下台阶2进行。
同理，此时右洞上台阶2宜滞后于左洞二次衬砌完成后进行。
（3）侧壁临时支护拆除应在下台阶2完成20～30m后，二次衬砌开始前进行，临时支撑拆除后，仰拱回填和拱墙二次衬砌应尽早施作。
（4）左洞二次衬砌与左洞下台阶2开挖面的合理距离应根据左洞下台阶2开挖放炮震动情况作具体确定。
右洞二次衬砌与右洞下台阶2开挖面的合理距离应考虑放炮冲击和震动对衬砌的影响。
（5）在台阶施工拉开合理距离情况下，各台阶施工均可平行进行。
（6）中夹岩超前支护的打设角度可根据现场围岩状况和设计目的在500~300之间进行调整。
（7）如果掌子面稳定性差，单侧壁导坑分为两个台阶不能确保掌子面稳定，则可根据现场地质条件，将单侧壁的开挖、支护分为三或四个台阶进行。
2.3Ⅴ、Ⅵ级围岩段
2.3.1施工顺序
根据隧道围岩变形特点，在正常情况下，Ⅴ、Ⅵ级围岩采用正向单侧壁导坑的开挖方法。
施工工序以左洞先开挖制定，当右洞先开挖时，则将左、右洞施作顺序对调即可（见图3）。
左洞按下列开挖顺序施工：
（1）上台阶1超前支护；
（2）上台阶1开挖；（3）上台阶1初期支护（含侧壁临时支护）；（4）中夹岩上部水平贯通锚杆施工；（5）下台阶1超前支护；（6）下台阶1开挖；（7）下台阶1初期支护（含侧壁临时支护及仰拱初期支护）；（8）中夹层下部水平贯通锚杆施工；（9）上台阶2超前支护（含侧壁临时支护）；（10）上台阶2开挖；（11）上台阶2初期支护；（12）下台阶2超前支护；（13）下台阶2开挖；（14）下台阶2初期支护（含侧壁临时支护及仰拱初期支护）；（15）拆除侧壁临时支护；（16）仰拱回填砼施工；（17）防水层及拱墙二次衬砌施工。
右洞施工工序同左洞，但水平贯通锚杆施工应为水平贯通锚杆连接施工。
图3Ⅴ、Ⅵ级围岩正向单侧壁导坑开挖工序横断面图
2.3.2施工要点
（1）右洞（后掘进洞）上台阶1的开挖一般应落后于左洞下台阶1（先掘进洞）5～10m。
当左洞（先掘进洞）出现围岩稳定性较差、监控量测数据收敛性不好的情况时，右洞上台阶1宜滞后于左洞下台阶2进行。
同理，此时右洞上台阶2宜滞后于左洞二次衬砌完成后进行。
（2）侧壁临时支护拆除应在下台阶2完成20～30m后，二次衬砌开始前进行，临时支撑拆除后，仰拱回填和拱墙二次衬砌应尽早施作。
（3）左洞二次衬砌与左洞下台阶2开挖面的合理距离应根据左洞下台阶2开挖放炮震动情况作具体确定，右洞二次衬砌与右洞下台阶2开挖面的合理距离应考虑放炮冲击和震动对衬砌的影响。
（4）在台阶施工拉开合理距离情况下，各台阶施工均可平行进行。
（5）中夹岩超前支护的打设角度可根据现场围岩状况和设计目的在500~300之间进行调整。
（6）在Ⅴ级围岩掌子面稳定性较好、施工单位机具和施工能力许可的条件下，单侧壁导坑的上台阶1、下台阶1（上台阶2、下台阶2）可合为一步进行开挖。
（7）如果掌子面稳定性差，单侧壁导坑分为两个台阶不能确保掌子面稳定，则可根据现场地质条件，将单侧壁的开挖、支护分为三或四个台阶进行。
3爆破施工的控制
小净距隧道钻爆施工质量直接关系到隧道施工的成败，因此有必要采取对钻爆施工进行严格的监测和控制。
为确保开挖第二座隧道时第一座隧道的安全性，应将第一座隧道衬砌处的震动速度控制在15cm/s以内，并以此作为第二座隧道各段爆破药量的计算依据。
3.1测试方法
振动速度V的测定采用振速测试仪对隧道周壁围岩振动进行测试。
测试可分2步进行：
一是在左洞（先行洞）进行测试，测试点布置详见图4；二是在右洞（后行洞）开挖时测试振动速度，测点布置详见图5。
图4先行洞爆破振动速度测点位置示意（单位:
m）图5后行洞爆破引起振动的速度测点位置示意（单位:
m）
爆破振动持续时间的测定采用振动测试仪，在左洞（先行洞）开挖时距起爆点R处（R尽可能在两隧道间最小间距加1倍洞径以内）对独立的爆破振动进行记录，读取并记录从振动至振幅衰减到最大振幅1/5时的时间长度，计为该药量爆破在该处地质条件下引起的振动持续时间Ty。
由于主振时间随药量增加而增加，因此，测试数据应按地质条件、药量大小进行分类。
3.2计算方法
各段起爆时间应根据震动测试确定，或按经验值大于200ms为宜。
震动速度根据其衰减规律，采用下列公式进行预估算：
（1）
式
（1）中：
v——质点震动速度，cm/s；
K——与爆破场地有关的系数，取值参见表2；
Q——装药量（齐发时为总装药量，延发时为最大一段装药量，kg）；
R——测点到爆破中心的最小距离，m；
α——地质条件相关系数，取值参见表2。
不同地质条件爆破震动系数表2
地质条件
参数
坚硬基岩
基岩
覆盖浅层表土
K
150
220
300
α
1.70
1.67
1.60
对于Ⅳ级以上围岩地段的施工采用预裂爆破作业，对于Ⅲ级以下围岩地段的施工采用光面爆破作业。
对于预裂爆破和光面爆破，根据围岩性质、工程类比经验或施工规范，合理选择周边眼间距及最小抵抗线、相对距离和装药集中度等参数。
周边眼沿设计开挖轮廓线布置，必须采用小直径药卷，严格控制装药量，并使药量沿炮眼全长合理分布，采用毫秒雷管微差／顺序起爆，以使周边爆破时产生临空面。
掏槽炮眼布置在开挖断面的中央稍靠下部，以使底部岩石破碎，减少飞石。
辅助炮眼应交错均匀地布置在周边眼和掏槽眼之间，并垂直于开挖面，这样可使爆破的石碴块体大小适合装碴运输的需要。
钻爆作业中应监测围岩爆破扰动深度、爆破震动对周边及中间岩柱的破坏程度，对爆破震动加以控制，以利于中间岩柱的稳定。
爆破时间间隔的计算是通过记录的爆破振动持续时间，可按式
（2）确定2段爆破的时间间隔：
（2）
式
（2）中：
Ri、Ri+1——第i段和第i+1段爆破中心距要求的控制振动点的距离；
Vs——不同岩石中的波速值；
Tyi——第i段爆破振动持续时间（通过同条件下的测试数据综合确定）。
不同岩石中震动波传播速度表3
岩石名称
P波速（m/s）
S波速（m/s）
岩石名称
P波速（m/s）
S波速（m/s）
花岗岩
3960-6096
2133-3353
片麻岩
4724-5578
-
辉长石
6553
3444
冲积层
503-1981
-
玄武岩
5608
3048
粘土
1128-2409
579
纯橄榄岩
7986
4084
土壤
152-762
91-549
砂岩
2438-4267
914-3048
冰碛物
396
-
石灰岩
3048-6096
2743-3200
大理石
5791
3505
页岩
1829-3962
1067-2286
石英岩
6050
-
板岩
3658-4450
2865
片岩
4542
2896
注：
表中 Vs可选P波速或S波速进行计算，以计算所得爆破时间间隔最大为准。
3.3测试结论
通过对京福高速公路小净距隧道群的爆破震动测试得出如下结论：
（1）先行洞的测试数据除了用于控制隧道开挖的爆破振动速度外，还可用于对后行洞的爆破药量进行估算。
但根据计算和多次测试表明，在先行洞同一断面、同一位置处，同等药量在距此断面相同距离处在先行洞和后行洞的岩体中引爆，测得的振速有较大差异。
由于先行洞已开挖，后行洞引起的爆破振动速度将是先行洞开挖时引起的振动的2～6倍，最大可达12倍。
因此，利用先行洞开挖时测定的振动数据对后行洞的爆破参数进行设计时，应特别注意。
（2）由于同一围岩类别段的岩体中常存在局部的段落或局部区域出现岩质相对较差现象，为确保工程安全，应根据这些局部的围岩状况进行振动控制。
（3）根据爆破振动测试结果，预裂爆破、光面爆破与普通爆破相比，爆破引起的（质点）振动速度可降低10%～50%。
因此，隧道施工中应采用了预裂爆破和光面爆破技术。
（4）采用减轻振动的掏槽方法，可较好地减小振动。
3.4降震措施
为减少爆破震动对中夹岩的影响，可采用如下降震措施：
（1）采用低威力、低曝速炸药或采用小直径不偶合装药
某隧道工程中，在二号岩石硝铵炸药中混入13％的添加剂，制成低爆速炸药，使二号岩石硝铵炸药的爆速从3200m／s降至1800m／s，振动观察表明，降震效果可达40％-60％。
（2）采用微差爆破
试验表明，采用微差爆破后，与齐发爆破相比可降震约50％。
微差段数越多，降震效果越好（如图６所示）。
当每段起爆时间间隔大于100ms时，各段爆破产生的地震波无明显叠加，降震效果比较明显。
图6各种爆破情况下的波型图中实线为实测波型曲线，虚线为理论分析曲线
（3）采用预裂爆破或预钻防震孔
在爆破体与保护体之间钻凿不装药的单排、双排防震孔（如图７所示）或采用预裂爆破，降震率可达30～50％。
同时，也可以在预裂炮孔内侧打一排孔，酌情少量装药，与预裂孔同时起爆，从而形成破碎区，这就可为内部的大规模开挖建立隔震屏障，如图８所示。
（4）限制一次起爆的装药量
当保护体的容许临界振动速度确定后，可以根据经验公式，计算出一次爆破的最大装药量计装药量大于该值又无其他可靠降震措施时，则必须分次爆破，控制一次爆破的炸药量。
（5）采用分步开挖，增加临空面。
爆破体每增加一个临空面，其振动效应可相应降低10％～15％。
有了较好的临空面，可在较小药量、较小爆破震动的基础上取得良好的爆破效果，同时也可确保中夹岩的稳定。
4结束语
小净距隧道修筑的成败关键是如何保证中夹岩的稳定，在选择开挖方法时必须慎重，同时还必须在工序、循环进尺、爆破设计等多方面进行严格控制。
如果有效的减少对中夹岩的扰动，并采取一定的加固措施是可以保证其稳定和支护结构的安全的。
参考文献：
[1]中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范JTGD70—2004.人民交通出版社.2004.09
[2]张志毅、王中黔.交通土建工程爆破工程师手册.人民交通出版社.2002.10
[3]秦峰、吴存兴.小净距隧道开挖方法浅论.中铁西南科学研究院.现代隧道技术2003.12
升级会员 