超大跨扁平洞室开挖技术成都03.docx
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超大跨扁平洞室开挖技术成都03
鉴定文之
大跨扁平洞室开挖技术
完成单位：
中铁二局集团有限公司
一、工程概况
某洞室工程埋深70m,地表植被茂密，属山区地貌，洞室明洞及洞身部分地形较陡峭，洞室口地势平坦。
该工程地质以浅肉红色的钾长花岗岩为主，局部地段为灰白色斜长花岗岩。
局部岩层挤压错动面上分布有大量暗绿色片状绿泥石和粉末状次生矿物。
工程区属于区域性构造体系中的次级构造体系，标段内发育五条压扭性小断层、挤压破碎带及大量贯通性节理，岩体从破碎到极破碎，大跨条件下稳定性较差。
地下水为裂隙水，受地表降水影响较大，主要集中在洞口破碎带及断层位置。
暗洞段围岩分级由洞口向内依次为：
27mW级、193mm级、70mH级及21.7mW级（即断层影响段）。
本洞室工程由3部分组成，即主洞室（含门库和口部人员通道）、人员掩蔽部、机械通风洞。
主洞室是在原16m跨、净高6.8m的小型洞室的直通道基础上扩挖而成，成型后净跨度为40m，净高12m。
本标段主洞室施工长度为316.664m，最大开挖宽度44.4m，高度14.54m，矢跨比为0.188，属大跨扁平洞室。
二、工程特点
1、主洞室开挖跨度大，净空高
主洞室最大开挖宽度44.4m，高度14.54m，属大跨扁平洞室。
目前这样大跨度的洞室施工在国内尚属首次。
2、支洞室多，断面变化大
该洞室工程I标段有13处支洞室与主洞相贯交叉，位置各不相同，断面大小不一，形成一组庞大的地下洞群，结构应力复杂。
三、主要分部开挖方法
（一）开挖方案改变及论证
根据设计和召标文件要求，该洞室工程开挖方案拟定为横向跳格开挖，初期支护紧跟，每开挖纵向长度达到10米左右，即进行被覆台架、模板的拼装，被覆混凝土施工。
根据现场实际施工情况，按照该方案每完成10米洞室的开挖、初期支护和被覆施工总时间近120天左右，大大超过合同工期要求。
由于该工程断面大，结构复杂，且由于该工程设计文件中对该工程地质情况探测不十分清楚。
根据现场踏勘及查阅相关技术资料，初步拟定开挖方案为分部开挖，即先在洞室的左侧开挖宽度12米的导坑，洞口段30米围岩破碎带段采用上下导坑开挖，其余段为全断面开挖；左导洞开挖完成后选定一段围岩完整性较好的洞室进行横向开挖，开挖宽度控制在20米内。
根据左导洞开挖揭示的地质状况，选定在K0+320~+340段进行横向跳格开挖，首先充分利用原16米跨即有洞室作为临空面开挖即有洞室同等宽度的右导洞（②③部），初期支护紧跟；其次采用上下台阶法开挖宽度为6.9米的右侧墙（⑥部），以减少每次爆破数量，减少围岩受到较强的二次扰动，初期支护紧跟；最后采用上下台阶法开挖宽度为9.5米的中侧墙（④部），以减少每次爆破数量，减少围岩受到较强的二次扰动，初期支护紧跟；开挖完成后即进行被覆台架的拼装，形成被覆工作面，待被覆混凝土达到规范和设计要求一定强度后顺序进行上部跳格开挖的各部分，从而顺序进行被覆混凝土施工。
在初步方案确定后，2002年9月在施工现场组织召开了“该洞室施工方案论证会”，分别采用了三维空间结合二维平面应变模型的数值模拟手段，利用北京软脑软件有限公司2D、3D—（T软件，西南交大采用ANSYS软件进行仿真分析。
分别分析了不同开挖部分和不同开挖长度围岩稳定性能等参数进行互为参考和验证，以探讨施工方案的可行性及合理的纵向开挖长度。
在合理的仿真模拟分析基础上并通过在隧道及地下工程领域有较深造诣的专家的技术论证，采用有限长度的纵向开挖（开挖长度20米），围岩和结构是稳定的，即能保证施工安全，使工序间衔接合理，工程进度又得到较大提高。
总体施
方案由原来的跳格开挖改为以左导洞先行，以探明地质状况，右导洞、右侧
图2）
墙和中隔墙顺序开挖的施工方案得到了专家与甲方的认可（如图1、
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（二）、总体施工方案
主洞室是由原16m跨洞室扩挖成40m跨洞室。
为确保施工安全，采取先在洞室左侧开挖12m的导洞（对于4-4断面和5-5断面，梁垫处拱角留至被覆施工前开挖并支护），左导洞开挖采用多功能开挖台架配合风动凿岩机进行全断面开挖（洞口30米地质破碎段采用上下台阶法进行开挖，下台阶预留开挖高度4.5米），以探明地质。
左导洞分别从K0+528.24和K0+387.6两个工作面向洞内方向掘进，掘进完成后，在K0+320~+340处横向开挖中隔墙、右导洞、右侧墙并及时支护以形成被覆工作面。
随后在K0+325~+335断面范围内拼装1#被覆台架，进行被覆混凝土施工，第一模被覆混凝土施工完毕后，在混凝土达到设计和规范要求的强度后，移动台架至K0+430~+440断面处，从K0+320处往洞外顺序进行右导洞、右侧墙、中隔墙开挖和初期支护，开挖宽度满足被覆工作面后，进行被覆，循环纵向掘进。
隧洞在开挖、初期支护、被覆混凝土施工的全过程中严格按照新奥法原理进行监测，及时的反馈信息，指导施工。
根据K0+340~+305段开挖、初期支护、被覆等过程的监测，其监测结果基本同仿真模拟分析结果接近，并满足规范要求。
在具有可靠的监测信息技术和已经施工段取得一定经验和所达到的技术标准为指导的前提下，随后从K0+425~+440和标段分界点类同K0+340~+305段顺序进行中隔墙、右导洞、右侧墙开挖，形成三个有限长度纵向开挖和被覆工作面，施工安排和进度进行平行推进开挖（详见图2）。
全过程开挖中均合理选择爆破参数和控制爆破方法，有效的解决了超欠挖等隧洞施工中长期存在的技术难题。
（三）、左导洞施工
1、开挖方法
采用全断面光面爆破的施工方法，若遇围岩破碎，调整爆破参数或改用台阶法开挖，钻爆设计充分考虑以下因素：
1）、尽可能地减少爆破对围岩的扰动，保证围岩稳定。
2）、保证开挖后光面平整，杜绝欠挖，尽量减少超挖。
3）、严格控制爆破振动，保证洞室被覆、支护及其它结构不受损坏
2、爆破参数确定
1）、每循环掘进钻眼深度L:
计划每循环进尺II类围岩3.0m、山类围岩2.5m，所以风钻选用7655型，钻杆长度分别选用3.5米和3.0米，炮眼深度分别L=3.2m和2.7m。
炮眼直径d:
采用二臂液压凿岩台车钻眼，炮眼直径掏槽眼d=50mm,其余眼d=40mm。
炮眼间距E：
周边眼间距取600mm,外层炮眼间距800mm,中间眼间距为800~1000mm。
掏槽方式为直眼掏槽。
不耦合系数K:
周边眼不耦合系数K=42/25=1.68，扩爆眼系数
K=42/32=1.31，掏槽眼系数K=50/32=1.56
装药集中度q:
周边眼采用①25小药卷，中间眼及掏槽眼采用①32药卷，炸药为2#岩石乳化炸药，对于I类围岩取q=0.3kg/m,II类围岩取q=0.28kg/m，
对于川类围岩取q=0.12kg/m。
3、钻爆设计
根据以上参数选择，进行导洞全断面爆破钻爆设计，设计图如下：
4、施工工艺
1）、工艺流程框图（如图4）
2）、施工工艺
a.测量布眼
钻眼前，测量技术人员用红漆准确绘出开挖断面的中心线及轮廓线，标出炮眼位置，其误差不超过20mm。
b.定位开眼
按设计炮眼位置正确钻眼，对周边眼和掏槽眼开眼偏差不大于20mm其它眼开眼偏差不大于30mm。
施工准备
测量、布眼
1
L
钻孔台车定位
钻眼
1
F
清孑L
1
r
装药堵塞
连接起爆网络
1
F
起爆
爆破后检查处理
图4:
左导洞钻爆施工工艺流程图
c.钻眼
周边眼钻孔时，应严格控制外插角，眼底超出开挖边界线不大于150mm,其它眼钻眼时应垂直于开挖面，应严格控制炮眼间距、深度和角度，严禁炮眼打穿相交。
d.清孔
装药前，必须用小直径的钢管通入高压风将炮眼中的石屑杂物吹净。
e.装药堵塞
装药前，对于周边眼和中间眼应事先按其装药量用竹片和胶布将药卷分段固定，装药需分片分组按设计药量和雷管段位进行，所有炮眼均用砂子及黄土做的炮泥堵塞，堵塞长度不小于300mm
f.连接起爆网络
起爆网络采用塑料导爆管复式网络，按设计依次从预裂爆破眼、掏槽眼至中间眼顺序起爆，各炮孔所装雷管段位见钻爆设计图。
孔外导爆管用双发1段即发非电毫秒雷管簇联，最后用火雷管引爆。
网络连接好后要有专人进行检查。
g.网络检查完毕，撤出所有人员、机具设备至安全警戒线后由专人负责引爆，引爆时必须有安全员在场。
h.爆破后检查处理
爆破并通风完毕后，由爆破人员首先进入作业面检查是否有盲炮或危石，若有应按有关安全作业规程处理后，经洒水降尘及通风后才能让下道工序作业人员进场。
5、爆破技术措施和质量标准
1）、主要技术措施
a.根据围岩地质情况合理选用循环掘进进尺以及各炮眼设计参数；
b.根据岩石强度和节理裂隙发育情况，合理地选定周边光爆眼间距和光爆层厚度，并采用不耦合空气间隔装药结构；
C.采用塑料导爆管非电起爆系统，运用微差和等差爆破实现从中部掏槽眼，到周边光爆眼的有序间隔起爆；
d.准确控制钻孔位置、方向和深度，钻炮眼前应绘出开挖断面的中线、水平和断面轮廓，并根据爆破设计标出炮眼的位置，经复测检查符合设计要求后，方可钻眼。
e.炮眼的深度、角度、间距按设计要求确定，并符合设计精度要求。
f.钻眼完毕，应按炮眼布置图进行检查，并做好记录，经检查合格后，方可按设计装药结构进行装药。
装药完毕立即堵塞炮泥，周边眼的堵塞长度不小于200mm。
g.装药前应将炮眼内泥浆、存水及石粉吹洗干净。
h.周边眼一般装同段位非电毫秒雷管，以便同时起爆。
当在软岩地段或岩脉处必须对爆破震动加以控制时，周边眼可根据地质条件调整眼距，间距装药，分组起爆。
i.开挖中应根据围岩变化情况和实际爆破效果不断修正和优化光爆参数，以使光爆效果达到最佳程度，确保炮孔痕迹保存率高于规范要求。
2）、光面爆破质量标准（见表1）
表1:
爆破质量标准
岩性
项目
中
硬
硬
规范验收标
准
本工程采用
标准
规范验收标
准
本工程采用标
准
围岩扰动深度/m
0.8
0.5
0.5
0.3
平均线形超挖/cm
15
15
10
8
最大线形超挖/cm
25
20
20
15
两炮衔接台阶最大尺寸
/cm
15
15
15
15
局部欠挖/cm
5
5
5
5
炮眼残痕率
>70%
>80%
>80%
>90%
炮眼利用率
>95%
>95%
>90%
>90%
岩壁
爆后围岩稳定，无剥落现象
（四）隔墙切口施工
隔墙切口开挖始于K0+320~+340段，切口轴线与洞轴线垂直。
切口宽度
20m。
隔墙切口共分成4个部分，即左导洞左侧尖角部分、中隔墙、右侧墙、右导洞挑顶部分。
隔墙切口施作时，围岩净空大，处于复杂的三向应力状态，应力重分布效果明显，拱顶下沉量大，极易形成坍塌，在实施中严格遵循和实施了“管超前、弱爆破、强支护、早成环、勤量测”的新奥法原理。
其监测结果同模拟分析结果基本一致。
施工过程中围岩处于比较稳定的状态，各工序间衔接合理，进度较为理想，也保证了隧洞开挖质量。
隔墙切口采用上下台阶法开挖，上台阶高5m,超前支护采用6m长©25
注浆锚杆，锚杆水平夹角5~8度，间距2X2m,梅花型布置。
支护采用锚杆挂网喷砼支护，锚杆长4m,间距1.5X1.5m，径向梅花型布置，钢筋网为©8双层钢筋网，网格间距150X150mm,喷射砼为200mm厚C30钢纤维喷射砼。
开挖采用震动较小的光面爆破，上台阶循环进尺3m，下台阶循环进尺3m,其炮孔布置如图5。
对右导洞挑顶剩余的未开挖到位部份，采取浅眼、密眼放欠挖的处理方式进行处理。
对5-5断面两侧梁垫处尖角部分，采用浅孔预裂爆破方案（具体施工方案见（六）），循环进尺控制在0.8〜1.0m之间，并严格控制装药量。
隔墙切口开挖后，及时进行监控量测，检查围岩变形，监测变形满足规范和设计要求后，及时施作被覆砼。
（五）右导洞扩挖施工
1、开挖方法
右导洞开挖跨度16m，方案是先拆除原洞室被覆钢筋砼再进行扩挖，扩挖滞后于原钢筋砼拆除2〜3m。
右导洞开挖从标段终点向洞外方向掘进，开挖采用二臂凿岩台车钻孔、非电毫秒雷管进行爆破。
2、原洞室拆除
原洞室拆除同右导洞的开挖同步进行，即开挖紧跟拆除，其间距不大于3m,拆除采用浅眼、密眼爆破方案。
钢筋砼拆除前先人工凿缝，暴露出部分原被覆钢筋，用氧焊将钢筋切断后再进行钻眼。
钢筋砼被覆厚0.6m，孔眼分两排布眼，环向间距0.3m，层间距0.2m，钻眼深度为2.0m。
3、爆破设计
右导洞开挖利用原洞室临空面，进行预裂爆破后再从下至上依次引爆。
其装药方式及技术标准同左导洞开挖基本相同。
由于开挖是在原洞室上扩挖，围岩属二次扰动，故掘进中必须加强对围岩的观察与监控量测。
其炮孔布置如图6。
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（六）、中隔墙施工
切口被覆砼施作完毕后，立即施作中隔墙开挖，中隔墙开挖如图2所示进行，被覆紧跟开挖，两者距离不得超过3〜5m,爆破要控制震动，同时控制被覆施作后下循环爆破时间，防止被覆砼因强度不足而受损。
前几个循环由于被覆台架与开挖面较近，要加强防护工作，防止飞石砸坏被覆台架。
隔墙开挖分成三个部分，即左右导洞间的中隔墙④、右侧墙⑥及4-4和
5-5断面的尖角部分⑤。
中隔墙施工充分利于左右导洞形成的临空面，直接进行襞裂爆破。
尖角部位采用特殊控制，其炮孔布置图如上图9所示。
（七）特殊部位（拱脚）爆破方案比选
由于该工程拱脚⑤部分断面不规则，围岩开挖时受挟持严重，且该部分
围岩在左导洞和右侧墙开挖时已经受到扰动，因此，该部分开挖时，为了保证开挖时围岩的完整和稳定性，在左导洞K0+450~+400段进行了以下三种方案的比选。
1、方案一：
光面爆破如图9:
1）、炮孔布置：
如图所示，在周边炮孔的拐角地带均设置空眼，每个空眼距拐角或外侧临空面的间距为200mm,距另一侧装药孔为300mm，期于间距为500mm,主爆孔距周边孔距为700mm。
2）、炮孔直径为：
©42~©48mm。
3）、炮孔深度为：
2.0~3.0m。
4）、雷管段别即起爆顺序（如图9）:
1、3、5、7、9段非店毫秒雷管。
5）、装药结构：
（如图9）。
2方案二：
预裂爆破（如图9）
1）、炮孔布置
如图所示。
在周边孔的拐角均设空眼，每个空眼与临空面装药孔的距离均为200mm其余间距为400mm=中部主炮孔与周边孔的距离为500mm。
2）、炮孔直径为：
©42~©48mm。
3）、炮孔深度为：
2.0~3.0m。
4）、雷管段别即起爆顺序（如图9）：
周边孔可直接装导爆索与主炮孔一起起爆，或者用1毫秒雷管与导爆索相连与主炮孔一起起爆，主炮孔为
3、5、7、9段非电毫秒雷管
5）、装药结构主炮孔3.、5、7、9段炮孔与前面的光面爆破相同，周边孔装药结构
3.方案三：
沿纵向设水平钻孔3与方案一与方案二相结合。
1）、当与方案一相结合（光面爆破）时，其沿纵向水平钻孔和装药结
构参数与方案一的周边孔相同
2）、当与方案二相结合（预裂爆破）时，其沿纵向水平钻孔和装药参
数与方案二的周边孔相同
4.施工要求和施工技术要求
根据设计要求，拱脚为重点受力部位，在开挖过程中，为尽量减少对围岩的扰动和保持较好的开挖轮廓线。
用爆破开挖法施工时充分应用了光面爆破和预裂爆破技术。
特别在围岩层理裂隙较发育和前期对围岩开挖已造成扰动较大段，在选定合理方案后，从施工测量―钻孔―装药各工序中层层把关，达到了较为理想的效果。
图9:
⑤部开挖方案比选图
四、方案特点
该工程由原设计要求跳格开挖变更为左导洞先行，探明地质情况后，在
监测信息技术的指导下，采用有限纵向长度开挖，多工作面同时推进。
该方案变更后，每次开挖断面明显变小，避免了大爆破造成对围岩的不利影响。
工序衔接合理，施工进度比原方案具有较大的提高，施工过程围岩稳定，围岩及设计承载结构安全储备满足设计和规范要求，基本保证了施工的安全性和工期要求，并对特殊部位进行方案比选和优化，整个洞室开挖过程中围岩基本稳定，开挖成型良好。
取得了较好的社会效益和经济效益。
五、几点体会
1、对于大跨度扁平洞室进行合理的分部开挖，大大的减少了大爆破对围岩的强烈扰动，增强了围岩的自承能力，保证了施工安全。
2、大跨度、大断面扁平洞室进行合理的分部开挖，工序间衔接合理，施工成本大大减少，工序安排能够得到充分的发挥，工作面能够得到全面的开展。
3、合理的分部开挖，能够充分运用光面爆破等控制爆技术，大大提高了隧洞开挖质量，有效的解决了隧道超、欠挖等隧洞施工中普遍存在的技术难题，有效的控制了施工成本，取得了较好经济效益，也保证了施工和结构安全。
4、利用合理分部开挖，可以开展多工作面采用有限长度纵向推进开挖方案，有利于施工组织，加快了施工进度，取得了较好的社会效益。
5、超欠挖对工程施工的影响
大型地下工程开挖过程中的超欠挖对大型地下工程施工的综合效益具有很大的影响，包括经济效益、施工进度、壁面美观、喷射砼效果、排水、设计结构的安全性及社会效益等多方面，其中突出的两点为大型地下工程施工的经济效益和结构稳定，根据该大型地下洞室开挖结果统计分析，并根据现场实际地质情况和不同地质段不同的开挖方法进行统计分析，将该工程开挖
过程中存在的部分问题及对工程综合效益的具体分析，总结见下页表2:
表2:
超欠挖及开挖效果对大型地下工程经济效益和结构稳定的影响
影响
项确
大型地下工程的经济效益
大型地下工程结构的影响
影
响内容
爆破法造成超挖，增加了爆破的成本费及机械的运输费用。
超欠挖造成大型地下工程产生局部的应力集中，使围岩的塑性区显著增大，开挖后洞身变形较大，局部有掉块现象发生。
超挖造成衬砌混凝土量增加，增加了被覆成本费用。
超挖增加机械运输量和被覆砼施工用量，延长了循环作业时间。
该工程由于开挖难度大及部分管理人员对开挖意识不够，采用“欠挖法”指导施工，造成部分地段欠挖面积较大，造成洞身二次或多次开挖，围岩扰动次数增加，结构面破坏较大。
超挖造成开挖面的不平整，给初期支护工序造成施工上的困难，增加了施工难度和增长了工序循环时间。
欠挖造成断面检查不合格，进行二次或多次爆破处理，影响相临工序施工和增加人工费和成本费。
超欠挖往往造成被覆砼回填不密实，使结构受力处于不利状态，并且空洞、空隙部分容易集积混凝土施工中散发的水分和地卜裂隙水，造成地下工程漏水等病害，且处理相当困难。
在左导洞二次开挖过程中，造成二处
（K0+520、+395）小坍塌，计约30立方米；在右侧墙二次开挖过程中，造成K0+225~+217段右侧墙坍方，坍方数量计约75立方米。
直接经济损失约20万元。
并对工期具有一定的影响。
超欠挖往往造成被覆砼回填不密实，空洞、空隙部分容易集积混凝土施工中散发的水分和地下裂隙水，造成地下工程漏水的病害，处理费用相当高。
6、及时、准确、可靠的信息监测技术，并及时的对监测数据进行处理、分析，在该工程施工中起到了积极的指导作用，确保了施工安全。
7、由于该工程分部多，采用分部开挖法进行洞室施工，合理的相邻工序间的组织很关键，在该隧洞施工过程中部分相邻工序存在一定的干扰。
在施工过程中通过合理的组织和协调，很好的解决了工序多，工序间相互干扰等矛盾。
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