小半徑曲線非對稱連拱隧道開挖關鍵技術研究
小半徑曲線非對稱連拱隧道開挖關鍵技術研究
摘要：重慶市馬家?guī)r隧道立交工程是目前國內最小半徑的曲線連拱隧道，施工過程中通過采取先進可靠的開挖方法、優(yōu)化光面爆破參數(shù)和先進的測量、監(jiān)測手段，實現(xiàn)了對小半徑隧道超欠挖的有效控制，滿足了工期、質量和安全要求，取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。
關鍵詞：小半徑連拱隧道，中導洞，光面爆破，TPS測量，監(jiān)測
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一、工程概況及地質條件
1.1，工程概況
重慶沙坪壩區(qū)馬家?guī)r立交由小半徑曲線非對稱連拱隧道和二個下穿道組成。其中，隧道分A、B匝道雙洞隧道。A匝道隧道全長150.242m，隧道進口凈寬10.5m，位于直線段上。隧道出口處于半徑R=23.5m的園曲線上，隧道凈寬
9.61m，凈高7.21m。整個隧道的平曲線從設計起點開始依次為R=∞，L=25m，R=57.5m，R=∞，L=23.5m。 B匝道隧道出口在直線段上，隧道進口在半徑R=25m的園曲線上。隧道全長114.011m，整個隧道的平曲線從原設計起點開始依次為R=∞,R=25m，B匝道隧道凈寬11.42m，凈高7.77m。見A、B匝道隧道平面圖及斷面圖。
1.2，工程地質條件
場區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形高差大，最高處高程為378.60m，最低處為327.98m，相對高差50.62m。
場地整體上東高西低。A、B匝道穿越了現(xiàn)有的路線及鄰近一小山丘。現(xiàn)有線路部分地形較平坦，地形坡角一般小于10°。丘陵部分地形較陡，自然斜坡部分坡角一般約35°—40°，局部人工開挖的邊坡部分達70°。
場地位于沙坪壩背斜東翼。據(jù)基巖露頭調查得知，地層呈單斜產出，產狀108°＜10°。場區(qū)發(fā)育有兩組裂隙，場區(qū)內無斷層及構造破碎帶，裂隙不發(fā)育，地質構造簡單。
根據(jù)地表調查及鉆孔揭露，路線區(qū)鉆探深度范圍內地層為第四系全新統(tǒng)土層（Q4）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）的基巖。
擬建場地位于淺丘斜坡地帶，無崩塌、泥石流、滑坡、巖溶洞穴、煤與瓦斯、有毒有害氣體 、地溫異常等不良地址現(xiàn)象。
二、隧道開挖斷面及方法
2.1，中導洞工藝代替原三導洞工藝
本工程原設計是“三導洞”施工工藝，但該工藝存在諸多不足，主要是工序繁多，需要撤除的臨時支護多，工作面狹小，不能使用大型機械，工效低，費用高，施工周期長。由于本工程位于主城區(qū)交通中心，工期緊張，采用三導洞施工工期不能保證。
通過對工程的圍巖情況研究，并根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，向建設方，監(jiān)理方提出將施工工藝改為中導洞工藝施工。即中導洞先行無側壁導洞的工藝，二次襯砌是采用大型液壓式鋼模板臺車全斷面一次性澆筑。
相對三導洞施工法，采用中導洞施工法具有以下優(yōu)點；工序較少且簡單，施工干擾少，省去了側導洞開挖和部分臨時初期支護及拆除工序，施工空間大，便于使用大型機械設備，施工質量易于保證。在確保施工安全的同時，可加快進度、縮短工期、提高效益、降低造價。
2.2，本工程中導洞施工工藝要點
根據(jù)馬家?guī)r立交隧道工程中導洞開挖貫通的實際地質情況，對隧道主洞開挖方法再次進行研究，通過B洞出口試驗段，證明采用中導洞上下臺階法開挖主洞是安全可行的，而且可以加快進度，針對隧道主洞開挖試驗段提出以下工藝要點：
2.2.1根據(jù)施工進度計劃安排選擇在B隧道出口段15m范圍內作為試驗段；臺階開挖的高度設在起拱線的位置，上臺階長度要大于10m；
2.2.2嚴格控制爆破進尺和超欠挖，每循環(huán)進尺的最大長度控制在
1.5-2.0m；爆破采用光面爆破法，雷管的分段為15段。
2.2.3初期支護加強：原類圍巖的型鋼支護的間距60cm變成50cm，其他超前小導管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護參數(shù)不變，Ⅳ級圍巖的型鋼支護的間距80cm、變成60cm，超前小導管、錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土的支護參數(shù)同V級圍巖；
2.2.4加強施工監(jiān)控量測工作，加大試驗段監(jiān)控量測的頻率，及時量測信息指導施工，通過反饋信息來不斷完善設計，達到施工安全、快速、經(jīng)濟的目的。
必測項目有拱頂下沉、洞內水平收斂位移、支護內應力量測、錨桿拉拔力及地震波檢測。
2.2.5在軟弱圍巖條件下，堅持“管超前，嚴注漿；短開挖，弱爆破；強支護，早封閉；勤測量，二襯緊跟；信息及時反饋，及時修正”的原則；
2.2.6開挖后，立即進行初期支護，縮短圍巖暴露時間，確保噴射混凝土的強度和厚度，并緊貼巖面；
2.2.7仰拱超前，二次襯砌距開挖面不超過30cm；
2.2.8如發(fā)現(xiàn)局部邊墻圍巖變差，應用拱腳鎖腳錨桿加強初期支護，控制拱頂下沉；
2.2.9左右洞掌子面開挖，應錯開50m以上，確定左右洞開挖間距的原則是，先行洞二次襯砌達到一定強度后，再進行后行洞開挖，以減少后行洞開挖對先行洞的不利影響。
三、普通鉆爆設計
3.1，掘進循環(huán)進尺
本工程圍巖采用短進尺，多循環(huán)掘進。由于本隧道工程為曲線小半徑，為控制超挖值，對A洞、B洞的掘進進尺分別進行計算（計算步驟略）。
經(jīng)計算側墻鉆角定為外側傾角0°即沿曲線切線方向鉆孔，拱部外側傾角為2°，對B洞臺階法施工掘進尺外側2.0m，內側1.21m。
3.2，炮孔深度,直徑
鉆孔采用YT-28風鉆，炮眼孔徑為φ42mm，為克服巖石的夾制作用，除陶槽眼深度取掘進進尺加200mm以外，其余各炮眼深度取值按以上掘進進尺計算值確定。在實際操作中應視掌子面的凹凸情況，調整各炮眼鉆孔長度，使所有炮眼（除陶槽眼外）眼底處于外側切線的法線面上。
四，光面爆破參數(shù)設計
光面爆破是通過調整周邊眼的各爆破系數(shù)，使爆炸先沿各孔中心連線形
成貫通的破裂縫，然后內圍巖體裂解，并向臨空面方向拋擲。光面爆破的目的是使爆破后的巖石表面按設計輪廓線成型，表面能較平順，超挖量最小，對坑道圍巖的撓動較小。
確定合理的光爆參數(shù)是獲得良好光面爆破效果的重要保證。光面爆破的主要參數(shù)有：周邊眼間距（E）、周邊眼密集系數(shù)（m）、最小抵抗線（W）、不偶合系數(shù)（D）和裝藥集中度（q）。
4.1，連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)
不耦合結構能夠比較均勻地降低炮孔壁所承受的峰值壓力，有助于保護孔壁少受徑向爆破裂隙的破壞。對陶槽眼及輔助眼應采用較小的值，以提高炸藥的爆破效率，對周邊眼則可采用較大的值，以減小對圍巖的破壞。
炸藥在炮孔中爆炸后形成的爆炸沖擊波的平均壓力為：
其中：n：爆生氣體與炮孔壁碰撞時的壓力增大系數(shù)，n=8-10。
P：炮孔內炸藥形成的平均值。
：炸藥的爆速。
：裝藥炮孔直徑。
：炸藥藥卷平均密度（0.9-0.95g/cm3）。
光面爆破技術的關鍵是炸藥爆破時對炮孔壁面產生的沖擊壓力不大于巖石的抗壓強度。P≤kbsc。
Kb：體積應力狀態(tài)下巖石的抗壓強度增大系數(shù)，kb=10。
Sc：巖體的單軸抗壓強度，在掘進過程中通過的巖石f=8～10。
4.2，間隔裝藥的單位裝藥長度
間隔裝藥單位裝藥卷直徑32mm炮孔直徑40mm，不能滿足連續(xù)裝藥的不耦合系數(shù)，所以采用空氣間隔裝藥，當炸藥爆炸后，作用在炮孔壁上的沖擊力為：
式中：、分別為裝藥長度和空氣間隔長度，炸藥能量10%用于壓碎圍巖。
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