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    【浅析黑石岭隧道进口段新奥法施工技术】新奥法隧道开挖的主要方法有哪些

    时间：2020-03-05 08:08:12来源：百花范文网本文已影响人

    (中铁二十二局集团四公司张石高速指挥部内蒙古公路工程局，内蒙古 呼和 浩特 010000)
    摘 要：文章以黑石岭进口段为例，简要阐述了隧道采用 新奥法施工技术方法的技术要点，包括钻爆法掘进施工技术，锚喷支护施工技术，及其防排 水的施工要点。
    关键词：公路山岭隧道；
    钻爆技术；
    锚喷支护
    中图分类号：U455  文献标识码：A  文章编号：[HTK ]1007—6921(2009)03—0235—03
    1 前言

    随着中国高速公路的发展，各种公路施工技术得到了很大的发展和提高，作为公路的控制性 构造物——隧道，其施工技术也得到很大的改进和完善。隧道施工方法的选择主要依据工程 地质和水文地质条件并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水 平等因素综合考虑研究确定。目前，山岭隧道施工方法主要采用钻爆法开挖掘进加锚喷支护 的施工方法——新奥法，新奥法是20世纪40年代开始发展起来的，它是以喷射混凝土和锚杆 为主要支护手段的一种隧道设计施工方法，这种支护能起到加固围岩的作用，在确保隧道稳 定的基础上，使设计更加经济合理，是目前公路山岭隧道最常用的施工方法。
    2 工程概况

    黑石岭隧道位于河北省蔚县与涞源两县之间的太行山山区，穿越太行山山脉，是张石高速公 路化稍营至蔚县段的控制性工程，隧道进口里程为：左线为LK72+970，右线为RK72+935，位 于蔚县宋家庄乡岔道村东边，隧道出口里程为：左线LK76+690，右线RK74+800，位于涞源县 刘家庄镇伊家铺村。

    黑石岭隧道地层岩性主要为震旦亚界蓟县系雾迷山组白云岩，石英含量较多，石质完整，坚 硬，岩石的单轴抗压强度为73.9MPa，存在构造应力，残余应力，岩浆浸入的挤压应力及岩 石自身的自重应力，岩爆较为频繁。

    黑石岭隧道为分离式隧道，公路隧道按高速公路双向四车道设计，设计车速为100km/h，洞 内路面设计荷载采用公路-Ⅰ级。左线全长3 720m，右线全长为3 870m，设计建筑限界为：
    净宽13.25m，净高为7.8m，隧道最大埋深为274m。
    3 钻爆法掘进施工技术

    黑石岭隧道系山岭公路隧道，依据其工程地质和水文地质条件并结合隧道断面尺寸、长度、 衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定使用钻爆法掘进施工技 术。
    3.1 爆破技术
    3.1.1 光面爆破主要参数的确定。光面爆破主要针对隧道断面的周边一层岩体的爆破，要在爆落岩体的同时，应形成光滑、平 整的边界。其原理是：光面爆破是隧道断面开挖的周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四 周作径向传播，相邻炮眼的冲击波相遇，产生应力波的叠加，并产生切向拉力，当岩体的极 限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后爆炸气体的膨 胀使裂缝进一步扩展。其主要爆破参数有：最小抵抗线、炮眼密集系数、不耦合系数、线装 药系数、孔距和起爆时差。光面爆破主要参数的确定，既要满足光面爆破的技术要求，又要 保证隧道快速掘进的需求。
    3.1.1.1 最小抵抗线与炮眼密集系数。为了加快施工进度，减少打眼的数量，尽量节约打眼的时间，压缩循环作业时间，周边眼间 距大一些可以少打眼，达到缩短循环工作时间的目的，在炮眼密集系数不变的情况下，最小 抵抗线也要增大，由此导致周边眼装药量的增加，造成炮眼周边局部岩石扰动过大，影响围 岩的稳定。

    隧道的开挖断面大于90m2，跨度大，光爆孔所受围岩夹制作用小，岩体容易爆落，经多次 爆破比较，以下取值比较合适。Ⅴ类围岩光面爆破间距E取40cm，最小抵抗线W取50cm,Ⅳ类 围岩光爆孔间距E取45cm，最小抵抗线W取60cm；
    Ⅲ类围岩光爆孔间距E取50cm，最小抵抗线W 取60cm。光爆孔密集系数K：Ⅴ类围岩为0.80，Ⅳ类围岩为0.75，Ⅲ类围岩0.84。

    隧道岩石坚硬，Ⅲ类围岩完整，在实践中对周边眼采用加大药量，减少不耦合系数，以达到 减少钻爆眼数量的目的。
    3.1.1.2 不耦合系数。一般岩石隧道不耦合系数K′取2.5比较合适，但结合黑石岭隧道围岩的物理特性，我们 根据多次实验与调整，K′取1.5较为合适，即炮眼直径为43mm，装30mm的咬卷光面爆破效果 很好。
    3.1.1.3 线装药密度。

    为了控制爆破引起的裂隙发展，保持岩石新壁面完整和稳固，要在保证炮眼连心线上得 以破裂贯通的前提下，尽量减少用药量。一般将线装药密度取为

    在进行爆破设计时，按具体爆破条件计算光面爆破眼的线装药密度。
    q0=KK1K2W
    式中：q0——线装药密度(kg/m)；

    K——炮眼密集系数，K=E/W；

    K1——岩性系数，一般取：软岩为0.5～0.7，中硬岩为0.75～0.95， 硬岩为1.0～1.5；

    K2——炮眼深度系数，一般为0.5，每加深1m增加0.2。
    黑石岭隧道在进行爆破设计时，按公式计算，围岩的线装药密度(q0)为：
    Ⅲ类围岩：q0=0.252；

    Ⅳ类围岩：q0=0.169；

    Ⅴ类围岩：q0=0.1。
    3.1.1.4 爆破进尺的选择。黑石岭隧道采用风钻钻眼，在施工过程中坚持“弱爆破，短开挖，强支护，早封闭”的原则 。从理论上计算应钻5m左右的眼，由于眼打的过长，钻眼时间加长，不容易爆破，隧道超欠 挖严重，经过多次爆破比较，眼深Ⅲ类围岩为3m，Ⅳ类围岩为2m，Ⅴ类围岩为1m。
    3.1.2 钻爆设计。全断面开挖地段每循环炸药用量：
    Q=qSL
    式中：q——爆破1m3岩石用药量；

    S——断面面积；


    L——眼深：Ⅲ类取3m，Ⅳ类取2m，Ⅴ类取1m。
    q取值：Ⅲ类围岩1.0左右，Ⅳ类围岩1.2左右，Ⅴ类围岩取1.25左右。
    其中掏槽眼药量增加30%，辅助眼取(0.55～0.6)q。
    炮眼数目：
    N=0.0012×(qS/ad2)
    式中：q——单位用药量(kg/m3)；

    S——开挖断面面积(m2)；

    a——炸药装填系数,取0.7；

    d——药管直径,取0.04m。
    3.2 爆破效果及影响因素

    黑石岭隧道平均超挖一般小于8cm，最大超挖量小于11cm，局部欠挖小于5cm，炮眼利用率90 %以上，较好地段达到95.8%；
    炮眼痕迹保存率：拱部达到94%以上，边墙达到90%以上。由此 说明黑石岭隧道爆破设计符合该隧道地质情况，较为合理。
    4 锚喷支护技术

    根据黑石岭公路隧道的设计文件规定，该隧道采用系统锚杆作为衬砌支护结构的一部分，而 其理论依据就是锚杆组合拱作用机理理论。
    4.1 锚杆组合拱作用机理的运用

    锚杆组合拱作用机理主要是依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定深度范围内 形成拱形承载结构，充分发挥围岩岩体抗压强度高的特点，发挥围岩的自承能力，见下图1 。

    
    系统锚杆沿隧道开挖轮廓线径向呈梅花形布置，如图2所示。

    系统锚杆采用两种型式：中空注浆锚杆和砂浆锚杆(当采用砂浆锚杆时，应按设计要求截取 杆体长度，并应调直、除锈、除油)。这两种锚杆都属于全长粘结型锚杆，即用水泥浆或水 泥砂浆作填充粘结剂，使锚杆和孔壁粘结牢固，提供摩擦阻力，阻止岩体发生位移，并通过 安装在孔口的锚杆托板对岩壁的约束力来抑制围岩变形或承受围岩荷载。根据设计文件中规 定，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用的是：喷混凝土+锚杆+钢筋网+钢拱架支护结构形式。因此，Ⅳ 、Ⅴ级围岩锚杆支护没有采取锚托板结构，而仅在Ⅲ级围岩采用了锚托板，锚托板形式为15 0mm×150mm×10mm。

    锚杆安装作业应在初喷混凝土后及时进行。在施工过程中，由于围岩地质情况的复杂性，尤 其是在岩层层面或岩体主结构面与锚杆布置方向平行时，系统锚杆作业不应完全按照隧道开 挖轮廓线径向布置，而应尽可能成大角度布置，由此才能把不利结构面或岩层“串”在一起 ，有效地形成组合拱结构。在系统锚杆成大角度布置安装时，须注意以下几个要点：①隧道开挖后，应及时观察分析开挖面岩体的主结构面或岩层层面的走向；
    ②对于锚杆需成大角度布置部位应明确予以标记或记录；
    ③应对锚杆钻孔作业人员进行认真准确的技术交底，技术交底内容应包括准确的钻孔部位、 方向和深度，同时要求必须吹孔，以保证孔内清洁；
    ④还应充分考虑锚杆成大角度布置时应避免施工中相互干扰或交叉作业，便于施工。

    作为永久支护的全长粘结型锚杆，良好的全长粘结效果，不仅可以保证锚杆砂浆与孔壁的摩 擦力，使锚杆与围岩共同工作，同时还可以保证锚杆不受腐蚀，以利用其长期的作用效果， 要做到这一点，就必须确保锚杆全长注浆饱满，使其与岩体连成整体。锚杆注浆因锚杆形式 不同而有不同的注浆方式。中空注浆锚杆可以通过锚杆杆体直接进行注浆。砂浆锚杆的注浆 方式有两种：一种是将注浆管与锚杆杆体一同放入钻孔。对于拱顶部位的锚杆宜采用这种方 式，便于施工过程控制，但应注意锚杆钻孔孔径的大小能够满足注浆管径和杆体直径的需要 ；
    另一种是先将注浆管放入钻孔内，缓慢注浆，待注浆结束后，再迅速将杆体插入孔内。这 种方式宜用于侧壁锚杆安装。

    注浆作业应按照《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94的有关规定进行，同时应符合设计文 件的要求。
    依据设计文件在锚杆外露端设有锚杆托板时，托板安装应紧压孔口岩面(初喷混凝土面)， 对围岩产生压力，使锚杆周围岩体处于三向应力状态，形成梨形压力区，增加围岩的稳定性 。因此要求在初喷混凝土时必须保证表面平整。

    在设计文件中，对于Ⅲ级围岩人行横洞防火门段施工支护采用局部锚杆支护形式，利用锚杆的悬吊作用达到施工支护安全的目的。
    4.2 锚杆悬吊作用的运用
    锚杆悬吊作用机理，如下图3：
    

    在局部范围(约2～3m)内，爆破开挖后围岩岩体出现松动，产生裂隙，且岩层呈薄层状构 造，岩块易发生塌落时，宜采用局部锚杆支护方式。局部锚杆支护设计参数为：

    局部锚杆支护的钻孔布置应尽量垂直于岩面，如受施工条件的限制，也应保证成大角度布置 。若锚杆钻孔施工危险性较小，可在喷混凝土前及时进行锚杆支护作业。钻孔后应进行吹孔 ，以清除孔内泥渣，可采用钻杆注水方式清洗钻孔，直至孔内流出清水为止。清孔完毕后， 将水泥卷放入孔内，同时向孔内注水，边注水边搅拌。当水泥卷放入量不少于锚杆孔深的一 半时，即可将杆体插入孔内，如插入困难可用锤击。杆体插入孔内的长度不应短于锚杆全长 的95%。在孔口溢出水泥浆时，用干水泥进行封孔。

    封孔后应及时安装锚杆托板，托板安装应紧贴岩面，其作用同前述系统锚杆托板。注意在安 装托板时不得随意敲击锚杆。

    在施工过程中，当围岩破碎，锚杆孔成孔困难时，一般可采用自进式锚杆，即用钻杆代替锚 杆，并利用钻杆中孔完成锚杆孔内注浆，但注浆时间和注浆量较难控制，一般视围岩破碎情 况及施工组织安排现场确定。
    5 岩爆处理措施

    在隧道左、右线施工过程中，均有不同程度的轻微岩爆发生，具体里程：左线LK73+630～LK 73+755和LK73+790～LK73+866，右线RK73+610～RK73+739，在以上区段内呈零星分布，分布 区段最大埋深243m，最小埋深205m。

    中等岩爆发生在隧道右线RK74+637～RK74+650.5段，其最大埋深达274m。
    5.1 岩爆地段的开挖措施

    ①加强光面爆破控制，尽量保证开挖断面轮廓圆顺规则；
    ②在中等岩爆地段采取短进尺，一般进尺控制在2～2.5m，全断面开挖一次成形，弱爆破， 减小对围岩的扰动；
    ③做好地质预报工作。目前，关于岩爆的一些预测方法主要有：地质超前预测法、σθ/σc 判断预测法、声发射法(AE法)和岩芯饼化法等。
    5.2 支护措施

    ①采用喷射混凝土、系统锚杆(或局部锚杆)和钢筋网的柔性支护方式。待岩体应变能释放 结束，围岩处于相对稳定状态时，及时进行初喷3～5cm厚砼封闭岩面，然后打设Φ22mm、长 度2.5m的砂浆锚杆，间距1m，梅花型布置，挂φ8mm、20×20cm钢筋网，进行二次或多次分 层喷射混凝土；
    ②在可能继续发生岩爆的掌子面上，采用超前支护措施，超前锚杆为Φ22mm、长度3m的砂浆 锚杆。在超前支护的同时，打若干大孔径超前应力释放孔，孔径45mm，间距1m，孔深2～3m ，以减弱岩爆的强度或降低掘进过程中岩爆发生的可能性。
    5.3 防护措施

    ①无论何种类型的岩爆，都可能危及施工人员和机械设备的安全，因此，在岩爆发生时，必 须加强施工人员的个体防护，和机械设备的安全防护，并设专职安全员，采取岩爆区警戒和 报告措施；
    ②对可能发生岩爆的地段，必须事先做好有关的技术防范措施和相应的施工准备措施；
    ③对参加施工的管理人员和作业人员加强岩爆知识的教育，以增强自我保护意识，坚决杜绝 违章指挥和施工。
    6 结语

    黑石岭隧道施工实例说明了采用新奥法施工，压缩各工序作业循环时间，充分利用隧道空间 ，合理配备人力、机械，隧道开挖施工进度得到了提高。

    光面爆破是隧道施工的关健。爆破设计要根据隧道地质情况，施工机械状况，合理选 用爆破进尺。光面爆破需认真设计，最小抵抗线，爆眼密集系数，不耦全系数，线装药密度 要在实际应用中不断修改完，以达到最佳爆破效果。光面爆破做得好，隧道超欠挖小，隧道 周边围岩扰动小，衬砌回填量小，有利于提高施工进度，同时又可以保证施工质量。

    黑石岭隧道施工遇到了岩爆等不良地质地段，采用新奥法施工技术可以根据岩爆的强 烈程度采用喷混凝土锚杆加固围岩钢拱架锚喷网联合支护施工方法来处理岩爆，达到安全通 过岩爆段的目的。
    ［参考文献］
    ［1］ 钱东升.公路隧道施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2003.
    ［2］ 张继春.控制爆破概论［M］.成都:西南交通大学出版社,1998.

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