高速公路隧道减震爆破施工监控总报告.doc

复杂地质条件下大跨度双联拱隧道
施工技术研究和施工监控总

1.工程概况
贵州清镇至镇宁高速公路东苗冲双联拱隧道为上下行合建的六车道高速公路联拱隧道。起止里程K9+290～K9+710全长420m。隧道进出口均为削竹式洞门并设置了8m长明洞衬砌。隧道净宽28m净高5.0m,由中隔墙分隔为左右两洞,内轮廓采用双心圆型式,外边墙为曲墙,中隔墙为直墙。净空面积左洞83.62m2,右洞88.51m2。隧道埋深约为77m最浅埋深约为5m进口较长地段偏斜严重。
本隧道处于剥蚀、溶蚀丘陵地貌类型隧道垂直一脊向南北的丘体地质情况复杂多变施工过程中判明的围岩类别同设计中地质描绘相比出入较大.围岩分类见下表：
围岩类别
设计长度〔m〕
实勘长度〔m〕
地质描绘
Ⅰ
45
255
溶洞极为发育区；强风化泥岩
Ⅱ
120
90
全强风化粉砂质泥岩、砂质页岩
Ⅲ
45
75
中-弱风化灰岩
Ⅳ
35

Ⅴ
175

详细地质情况及衬砌构造类型详见东苗冲隧道纵断面图1.1横断面图1.2,1.3。
隧道无地表水系地下水较贫乏地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水均承受大气降水补给。隧道施工中只出现滴水或小股脉状涌水但在K9+580～K9+0段60m范围内属岩溶强烈发育区在雨季时涌水量相对较大工程地质情况较差。

2.主要技术难点和课题研究内容
根据东苗冲双联拱隧道地质条件差、开挖跨度大、洞身采用三导洞法分部施工施工工序转换频繁,屡次扰动构造和围岩,受力状况复杂等技术难点确定了科研课题主要研究内容为：
1〕联拱隧道三导洞施工技术
2〕隧道施工监控及隧道构造稳定性判断
3〕隧道控制爆破技术

3.主要工程的研究和施行

东苗冲Ⅰ～Ⅲ类软弱围岩联拱隧道采用中导洞—

:双联拱隧道中导洞_双侧导坑三导洞法工序流程图
洞口地段加固

中导洞开挖并贯穿

中隔墙施工并完成顶部回填

右侧导坑开挖并贯穿
左侧导坑开挖并贯穿

右侧导坑侧墙衬砌
左侧导坑侧墙衬砌

左线主洞拱部开挖及二衬
右线主洞拱部开挖及二衬

左线主洞下部土体开挖
右线主洞下部土体开挖

右线主洞仰拱施工,形成封闭支护构造
左线主洞仰拱施工,形成封闭支护构造

左洞仰拱填充及路面施工
右洞仰拱填充及路面施工

左洞边墙防火涂料及电气安装
右洞边墙防火涂料及电气安装

工程开工

由于联拱隧道的特殊性分部开挖易使围岩受到屡次扰动围岩压力再分布复杂因此各工序的合理间隔间隔 非常重要间隔 太远不能及时形成有效的支护体系使围岩松弛变形过大而失稳；间隔 太近易造成各工序互相干扰窝工大近似单工序作业不能形成有效的消费才能而且易导致二次衬砌的开裂。东苗冲联拱隧道合理的施工步距控制在：
三导坑均采用上、下台阶法施工其中：Ⅰ类围岩采用超短台阶法施工台阶长度〔3－5〕m上台阶采用预留核心土环型开挖法循环进尺〔0.5-0.8〕m；Ⅱ、Ⅲ类围岩采用短台阶法台阶长度〔5－10〕m,循环进尺〔0.8-1.5〕m。中导坑先行开挖支护贯穿,两侧导坑等到中隔墙顶部回填完成并到达设计强度后相继进展左、右导坑错开约一倍洞径间隔 (30-40)m 。
在侧导坑边墙部二次衬砌强度到达设计强度后进展相应地段主洞开挖。正线隧道主洞开挖采用上、下台阶法施工, Ⅰ、Ⅱ类围岩地段拱部开挖采用环型开挖法.正线隧道拱部开挖支护一次成型初支完成后架立圆木中立柱进展临时支撑二次衬砌前撤除。一侧正洞先行开挖支护另一侧正洞滞后约〔30-40〕m；一侧主洞开挖地段另一侧主洞已施工衬砌混凝土强度在80％以上。二次衬砌紧跟一般和掌子面间隔 不超过30m仰供铺底混凝土适当超前一般和衬砌面保持20m以上的间隔 。

由于东苗冲联拱隧道施工跨度大、工程地质条件差施工中必须设置超前支护。本隧道在进出口Ⅰ、Ⅱ类围岩浅埋段设置了长度28m的Ф108×6mm无缝钢超前大棚棚钻机钻孔双液注浆机注水泥—水玻璃浆液；洞内Ⅰ、Ⅱ类围岩地段设置了Ф42钢超前小导采用风钻钻孔注浆机注水泥砂浆。洞内溶洞极发育地段设置了8m长Ф32超前自进式锚杆。超前支护的设置不仅对围岩进展注浆加固地层改善围岩的自承载才能而且增加了支护构造的刚度增大了支护构造的整体性进步了承载才能对隧道施工的平安性起到了较好的效果。

东苗冲联拱隧道初支护采用常规的钢支撑与锚杆、钢筋网、喷射混凝土结合支护形式。
永久支护Ⅰ类围岩地段下部设喷射混凝土刚性仰拱 Ⅱ、Ⅲ类围岩地段下部设钢筋混凝土仰拱。

按照新奥法原理初支护完成后一般应待围岩变形收敛后方可进展二次衬砌。在东苗冲联拱隧道施工中对此采取了灵敏的措施。考虑到围岩变形的开展意味着围岩松弛的加剧地压力在增加隧道的危险性也在增加隧道开挖掘进施工中及时跟进二次衬砌使初支和二衬形成共同作用的支护体系实现闭合构造承受荷载抑制围岩变形的继续开展。
衬砌纵向间隔 每10m一轮采用3015组合钢模 I18工字钢作模板背带门式钢脚手架作支撑。混凝土均采用集中拌合6m3混凝土运输车程度运输HBT60型混凝土输送泵垂直运输入模。
3.2减震控制爆破技术研究
为使既有工作面爆破不对邻近围岩、已施作的初支或二衬产生破坏东苗冲隧道施工中对出口左洞进展了爆破震动测试以研究爆破震动衰减规律测量和比拟不同爆破的实际减振效果得到合适本工程的最正确爆破方案确保邻近构造特别是中隔墙或围岩受到的影响最小。

取抗震才能最差的初支或二衬钢筋混凝土构造为测试对象作如下设定：
序
振动速度(cm/s)
平安状态
施工措施
1
0～4.0
正常
继续施工
2
4.0～5.0

优化爆破方案、控制爆破规模
3
＞5.0
超限
修改爆破方案、减小爆破规模
利用最小二乘法进展回归分析得出质点振动速度与一段装药量Q和测点至爆破工作面的间隔 R之间的关系曲线：
Q= R3× (V/K)3/α= R3×(5/88.235)3/1.606= 4.691×103×R3

根据Q=f(R) 关系式得出东苗冲隧道爆破开挖时不同间隔 条件下的一段装药量〔如下表〕并以此控制爆破规模。
R(m)
10
15
20
25
30
40
50
Q(kg)
4.7
15.8
37.5
73.3
126.7
300.2
586.4
根据爆破震动测试及相关分析东苗冲隧道减震控制爆破设计方案在施工过程中遵循以下几项原那么：
a〕、分步开挖缩小爆破开挖断面面积
b)优化钻爆参数降低单耗。
c)、采用中等的。
d)、采用非电毫秒大间隔微差使相邻段别的间隔大于100ms以减少每段的量及各段爆轰波的叠加让爆破主震相间无叠加效应到达减小对围岩扰动的目的。
e)、周边眼采用不耦合装药构造的光面爆破。
f〕、开挖中严格遵循“弱爆破、短进尺〞的施工原那么Ⅰ、Ⅱ类围岩进尺控制在〔0.5～0.8〕m,Ⅲ类围岩进尺控制在〔0.8～1.5〕m,以减小每次爆破的总用量。
g)、尽量减小周边眼的间距,根据围岩情况的不同,一般控制在〔30～40〕cm,周边眼采用小直径药卷间隔装药技术以控制开挖成型减小爆破对围岩的扰动。
h〕、掏槽方式采用楔型掏槽；采用非电毫秒大间隔微差使相邻段别的间隔大于100ms以减少每段的量及各段爆轰波的叠加到达减小对围岩扰动的目的。
实际施爆时预先已采取了如上措施爆破振动速度一直控制在正常状态。
i〕、每次爆破后利用断面仪对开挖断面进展检查记录并结合监控量测的信息及时调整爆破参数。
3.3典型断面不同工况下应力变化规律及相关分析
针对东苗冲双联拱隧道跨度大、地质复杂、进口埋深浅以及工序转换频繁的特点为确保隧道施工平安和技术方案的可行性及时准确地获得不同施工工况下围岩对衬砌、衬砌内和衬砌之间应力状况以及各种位移变化情况以便及时调整施工工序甚至修改设计施工中除对该隧道进展位移监测以外在隧道进口端K9+380断面还对隧道锚杆轴向力、钢架应力、围岩与喷砼层及喷砼层与模注混凝土间接触应力、喷砼变形进展量测和研究。
通过对观测成果分析及应力变化规律研究,我们得出：
〔1〕、本隧道的应力监测说明连拱隧道应力分布复杂用传统力学很难做出较准确分析对施工进展应力监测可以理解支护的变化动态和稳定情况。
〔2〕、本隧道支护构造的应力变化具有以下规律：
第一：地表山体倾斜导致偏压使左洞受力较右洞偏向较大。
第二：施工工况和开挖次序对围岩应力释放和支护构造受力产生较大影响。
第三：Ⅲ、Ⅳ类围岩地段初支护承当了大局部围岩压力二次衬砌受力较小根本上不承受围岩压力。
〔3〕、实测说明围岩压力和支护受力变形遵循“急剧变化—缓慢变化—根本稳定〞的变形规律说明本隧道支护构造的强度和刚度是合理有效的施工方案和施工措施平安可行。
3.4 施工阶段全过程位移变化规律及地质预报
东苗冲隧道跨度大、进出口段埋置浅监控量测非常关键是隧道施工的一个重要工序。针对东苗冲联拱隧道的特点施工过程中对地质及支护状态、净空收敛、拱顶下沉、地表下沉等工程进展了量测。

地质及支护状态观察分为洞外观察及洞内观察。洞外观察包括对洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水浸透的观察；洞内观察在每次爆破及支护后进展地质工程师负责观测围岩变化、地下水状态、检查支护构造外观是否发生变化等。对已施工区段的喷射混凝土、锚杆、钢架的状态每天进展一次观察。

通过观测成果分析及位移变化规律研究,有以下结：
〔1〕 从拱顶下沉量测时态曲线图分析说明：单洞上台阶开挖初〔2-3天〕变化较大后缓慢趋于稳定。下台阶开挖时变化急剧增加随围岩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类类别不同变化更明显。联拱隧道变形值最有可能发生在两主洞的拱顶局部从拱顶往两边矢量值渐小。因此我们认为联拱隧道施工应对拱顶下沉给予足够重视同时拱脚以下及边墙底部的衬砌厚度及质量保证也非常重要。
〔2〕隧道周边收敛量测时态变化曲线说明：
①边墙衬砌及封闭仰拱闭合成环后构造根本稳定初支护早封闭对围岩的稳定性起到重要作用；
②隧道围岩的稳定性与洞室开挖、支护形式有亲关系开挖施工过程也是围岩应力、应变调整的过程；下台阶开挖后临时支撑的撤除影响着围岩的稳定性。
③由于二次衬砌完工时间有一段间隔围岩应力释放至初支护已根本完成二次衬砌根本无沉降及变形。
(3 ) 地表下沉量测曲线说明：
①隧道埋深越浅地质条件越差洞顶同一部位地表下沉值越大；洞顶同一横断面联拱隧道的中墙部位地表沉降往两边逐渐减小说明中隔墙在承受竖向应力挥了极大作用中隔墙上部的三角地带在施工中要非常精细。
②地表下沉量与隧道偏压有一定关系：隧道进口K9+360～K9+400段为偏压浅埋段中洞及测洞开挖后地表下沉值达25cm纵向裂纹8～20cm不等地表有向右侧下滑。我们在位于衬砌边墙外侧,纵向间距3.5m布置9根3×2.m钢筋混凝土抗滑柱桩, 柱桩出露地表局部加设拱型挡土板反压回填土以抵抗山体对洞身的偏压,确保施工平安及构造的稳定性处理后地表下沉趋于稳定效果良好。

4、本课题获得的成果
4.1 软弱围岩复杂地质条件下大跨度、双联拱东苗冲隧道采用中导洞—双侧壁导坑法施工：先贯穿中导洞两侧导洞待中隔墙及顶部回填到达设计强度后相继施工；两主洞施工在侧导洞边墙施工完毕后进展 。施工方案平安、可靠保证了工程质量隧道得以顺利开工获得了较好的社会和经济效益积累了大跨度联拱隧道成套施工技术可为相近条件下联拱隧道的设计与施工提供借鉴施工技术有推广价值。
4.2 双跨联拱隧道施工中的几个关键问题的处理技术有所打破：
① 采用控制爆破技术减少对围岩的扰动
东苗冲隧道因其所处的地质复杂及隧道构造的特殊性开挖分部进展围岩屡次受到扰动施工中通过爆破振动测试及相关分析总结了爆破对邻近围岩及支护构造的影响规律。根据现场地质条件优化施工方案严格控制爆破作业并结合监控量测的信息反应及时调整爆破参数。理证明采取的控制爆破技术措施在减小对围岩的扰动及对中墙混凝土的震动方面是有效的。
②成功解决了中隔墙程度推力的平衡问题
中隔墙程度推力的平衡问题是联拱隧道施工成败的关键解决不好会引起拱部的支护开裂失稳造成严重后果。在东苗冲联拱隧道的施工中实在处理好了中墙的地基承载力、其侧壁圆木排架支顶平衡及其顶部喷射混凝土回填顶等问题保证了中隔墙的受力平衡及其稳定。合理组织好工序做好控制爆破尽量减小对围岩的扰动以控制中墙所受的不平衡推力减至最小；尽快施作仰拱铺底混凝土及二次衬砌使中墙与支护体系形成一个共同体承力加大其抵抗不平衡推力的才能。上述技术措施采取后效果显著受力体系转换过程中中隔墙稳定拱部无开裂、失稳现象发生。
③对联拱隧道中隔墙防渗漏水处理技术获得了一定的经历
二次衬砌与中隔墙联结处始终是联拱隧道防渗漏水的难点。针对这一质量通病课题组制定了中隔墙防排水施工方案从施行效果来看在极大程度上防治了这一质量通病。虽然还存在不完善的地方但本次施工的经历为今后同类工程提供了有益的借鉴。
4.3 通过典型断面不同工况下应力变化规律及相关分析获得围岩动态和支护工作状态的数据
通过对施工全过程进展位移监控量测理解位移变化规律及时根据反应的信息采取相应技术措施确保了隧道施工平安。同时为隧道设计和施工积累了资料为今后的设计和施工提供了类比根据。

5、经历与体会
东苗冲联拱隧道在施工过程中在浅埋及富含软—流塑状充填物溶洞发育段开挖面屡次出现小型垮塌严重地段垮塌冒顶。课题组通过认真研究积极探究采取了一系列有效措施使隧道于2004年5月30日顺利贯穿。施工间未出现任何平安质量事故。通过对本课题的研究今后在类似工程施工中以下几个方面要特别引起施工的重视：
①浅埋段隧道施工前对其地表要重点进展整治：地表杂物要清理干净便于洞内施工时对地表动态进展观测发现异常情况及时采取措施处理；地表要实、平顺、以防地表水渗漏及会聚；浅埋层为松软围岩时根据详细情况采取措施对地表进展预加固；建立地表完善的排水系统。
②洞内施工单循环超前支护长度及重叠长度不可过短；超前支护前端能嵌入稳定性围岩一定长度为最正确当不具备条件时单循环超前支护长度不宜小于4m软—流塑状围岩不宜小于8m。
③注意超前支护的角度加强超前注浆保证开挖范围内及周边一定范围内土体固结质量以防开挖岩面坍塌而引起拱部坍塌。
④围岩自稳状态较差开挖后初支护要迅捷缩短开挖面裸露时间；初支护顶部必须回填实不得有空洞以防因震动拱顶围岩受扰动后崩落土体逐步下陷冒顶。
东苗冲联拱隧道以其地质条件复杂、跨度大为特点课题组通过制定和施行科学合理的施工方案精心筹划周安排解决了联拱隧道施工中关键技术难题圆满完成了课题研究的全部任务获得了较好的施工效果为隧道构造的平安运营提供了科学保证。经安徽科学技术情报研究所查新：本课题研究内容全面完善其在施工中采用中隔墙圆木及方木支顶框架平衡推力的技术国内尚未见有文献报道。

6、工程主要完成者
李为强 罗传义 张炳根 黄正家 刘茂兵 楼金其 申海 汪树生 朱庆新 付志刚 欧林果 赵中华 黄 新 张军美 刘学伟 李秀丽

〔执笔人： 申海〕