IV级围岩隧道开挖工法优化分析

马培营

中铁十局集团第一工程有限公司 山东 济南 250000

摘要 辽宁兴城抽水蓄能交通洞、通风洞，围岩等级为II、III、IV级，开挖地质属于二长花岗岩，在保证隧道施工安全、质量可控的前提下，通过开挖工法优化，达到节约工期、提高隧道光面爆破效果和降低成本的目的。

一、引言

为了确保电力供应的稳定性并推动东北电网的壮大，国家致力于东北地区电力资源的最佳配置以及推动和规范电力市场的构建。遵循市场规范来进行“三公”电力分配，是服务东北地域经济增长的核心任务。我们以振兴东北这一传统工业区域以及推动该地区的经济进一步发展为我们的职责，全力落实服务“大东北”区域经济发展的战略方针。我们依据集团化的操作模式、集约化的发展途径、精细化的管理模式以及标准化的建设准则，努力将东北电网打造成为一个安全稳健、科技先进、结构科学合理、以及高度智能高效的高效而坚强的智能电网。在电网建设项目中，土木引水隧道、道路交通隧道和通风隧道的建设尤为关键。由于施工时间的特定要求，在各种地质环境中，选择合适的施工方式将直接决定施工进度和电网的实际运营时间。

二、工程简述

辽宁兴城市境内厂房交通洞、隧道线路长1475m，设计时速为20km/h，隧道为双向两车道，厂房交通洞最大埋深281米，采用单洞结构，隧道的净距为8.2m，为小净距隧道。各参数概况见下表。

名称		半径	平均坡度（%）	里程桩号	隧长（m）
隧道	厂房交通洞	R-4.1	5.5％	JTD0+000～JTD1+475	1475

（一）气象水文

1.气象条件

兴城抽水蓄能电站坐落于六股河流域，这个流域位于中纬度地带，属于温带大陆性半湿润季风气候区。这里的气候特点是四季温差明显、干湿分明，而冬季则以西北季风为主导，气候既寒冷又干燥；春季多西北风和东南风，降水稀少而集中。在夏天，东南季风是主要的风向，天气既炎热又多雨。

在塔子沟流域内，本工程并没有收集到任何实际的气象观测数据。然而，绥中气象站位于绥中县的附近。该气象站负责多种观测项目，包括但不限于降水、蒸发、气温、湿度、气压、风向、风速和日照等。气象站的观测场海拔高度为29.0m，与工程地点的直线距离大约是25.9km。根据该地区地形地貌特点和气象环境条件，结合多年来对该区域水文气象研究经验及成果，提出了适合当地实际情况的设计思路和方法，并进行技术经济分析比较。这个观测站拥有完备的观测项目和丰富的资料系列，可以作为上下水库气象要素统计的重要依据站。

2.水文条件

在隧址区内，该隧址区属于大陆性半湿润和半干旱的季风气候类型。地形复杂，气候温和，雨量适中，日照充足。该地区的多年平均降水量达到了613.7mm，而多年的平均蒸发量为1700mm，此外，无霜期长达170天。

（二）地质概况

1.隧道工程地质条件与评价

地形地貌。兴城市的地貌主要是由丘陵所构成，并展现出三种不同的地貌特征。由于其特殊的地质环境，导致区内地质灾害频发，因此需要对该区进行详细的勘察工作。在这一特定区域，有多种不同类型的岩土体工程地质存在，这些类型之间的差异对工程地质的分类产生了影响。从研究区内地质情况来看，该区属于中-微风化花岗岩区。除此之外，兴城市的北部也存在着一些小型的地质构造，但这些构造的发展程度相对较低。本文以兴城地区为例，对其进行地质分区。主要的岩石类型包括义县组的凝灰质安山岩、安山集块岩以及凝灰质角砾岩，这些岩石具有中等厚度的构造特点，以及块状构造和相对较少的裂缝。

地层岩性。补水系统的地层结构相对简单，根据成因，岩性可以分为燕山期侵入岩和第四系。前者有正长质斑状花岗闪长岩及斜长石片麻岩等岩石组成，后者以石英砂岩类为主。燕山期的侵入性岩石主要是由二长花岗岩和脉状分布的闪长（玢）岩组成；第四系以粉质粘土为主，夹少量砂岩及砂砾石岩层。第四系的土壤主要由含砾的细砂组成，而其他如粉土质砂的土层则主要在局部区域分布。现由新至老叙述如下：

第四系（Q4） 。补水系统的地层构造比较简洁，根据其形成原因，岩石可以被分类为燕山期的侵入性岩石和第四系岩石。其中，前二者为火山喷发形成的熔岩或凝灰岩，后两者为由沉积作用所形成的砂岩、砾岩或粉砂页岩。前者主要由正长质斑状花岗闪长岩和斜长石片麻岩等多种岩石构成，而后者则以石英砂岩为主导。由于构造活动频繁，形成了不同类型的断层破碎带，从而使其具有多期次发育特点。燕山期侵入性的岩石主要由二长花岗岩和脉状分布的闪长（玢）岩构成；其围岩为含石英细碎屑岩，绢云母云母片岩或黑云斜长角闪变质岩等。第四系主要由粉质粘土构成，并夹杂着少量的砂岩和砂砾石岩层。它们形成于大陆裂谷环境，属中低温热液矿床。第四系土壤主要是由含有砾石的细砂构成的，而其他类型如粉土质砂的土层则主要分布在特定的局部区域。

燕山期侵入岩。补水系统的地层结构相对简单，根据其形成的原因，可以将岩石分类为燕山期的侵入性岩石和第四系岩石。这两种类型的岩体都具有一定的岩性特征。在这些岩石中，前两种是由火山爆发产生的熔岩或凝灰岩，而后两种则是由沉积过程形成的砂岩、砾岩或粉砂页岩。在这两种岩性中都可见到少量石英脉和钾长石化等蚀变矿物组合。前者主要是由正长质斑状花岗闪长岩和斜长石片麻岩等多个不同类型的岩石组成，而后者则主要是由石英砂岩构成。这些岩性在平面上呈条带状展布，纵向上具多层分布特征。由于地质构造活动的频繁性，导致了多种类型的断层破碎带的形成，进而赋予了它们多个发育阶段的特性。区内断裂构造十分发育，并有明显的分带性。燕山期的侵入性岩石主要是由二长花岗岩和脉状分布的闪长（玢）岩组成的；其中脉状岩体与岩浆侵位关系密切，是本区重要的找矿标志之一。该地区的围岩主要由含有石英的细碎屑岩、绢云母云母片岩或黑云斜长角闪变质岩等组成。其中含金性较强的是二长花岗斑岩，其次为煌斑岩。第四系主要是由粉质粘土组成的，同时也夹杂着一些砂岩和砂砾石岩层。矿体呈层状产于第三纪红色地层内。这些矿床是在大陆裂谷的环境中形成的，并被分类为中低温热液矿床。矿区地层以红色为主，部分地区有白色及黑色物质沉积。第四系的土壤主要由含有砾石的细砂组成，而其他如粉土质砂的土层则主要集中在某些特定的局部区域。

二长花岗岩（γμ5 2）的特点是：其颜色为灰白，具有中到细的花岗结构和块状的构造，其岩石非常坚硬，主要的矿物成分包括石英、斜长石、碱性长石以及黑云母等。岩体呈透镜状产于伊通—抚松断裂北侧的北东向展布断裂带上，是区域地质作用下形成的产物。石英的含量超过了30%，斜长石的含量在20%~35%之间，碱性长石的含量大约是15%~35%，而黑云母的含量大约是2%~5%，这些矿物主要分布在补水系统的沿线地区。

三、主要施工方案

（一）施工方法与主要工序

隧道的建设方法是基于工程地质、水文地质状况以及机械设备等多种因素来确定的。其中，II、III级的围岩使用全断面法进行开挖，而IV级围岩的进洞则采用台阶法。后续，根据监测数据，计划将其优化为全断面法开挖；

台阶法                       全断面法

（二）洞身段施工方案

隧道的开挖工作总体上遵循“安全、实用、经济、合理”的原则，并以新奥法的原理为基础，使用钻爆法进行开挖。在初期支护阶段，采用了锚网喷法、仰拱超前和混凝土衬砌及时跟进的方法。通过对围岩进行分类及分级，确定不同级别的围岩类别，并提出相应的施工方案。采纳了湿喷的技术方法。施工中通过对围岩的监控量测分析确定了相应的参数并采取必要的工程措施确保其稳定与安全。隧道的支撑结构使用了喷射混凝土、钢筋网、钢拱架以及锚杆的组合方式。

1. 测量放样

为了精确控制开挖的轮廓线，我们应该使用高效的测量技术，并结合激光指向仪、隧道激光断面仪和全站仪等设备来确定轮廓线和炮眼的位置。

(1)测放中线和水平控制线并做出明显标记。

(2)依据预定的断面设计，准确地绘制出隧道的轮廓线，并依据现场监测的测量数据，合理地设定开挖的预留量，并在轮廓线上做出明确的标注。施工时在掌子面上按要求布设控制网，以确保放样的精度及测量结果的可靠性。根据爆破设计图纸，我们需要确定炮眼的位置，并分别标明掏槽眼、辅助眼、周边眼和底板眼。如果对眼的深度和倾斜角度有特别的要求，那么布点的标注应该是清晰和明确的。

按照爆破设计给出的各类型炮眼在掌子面上不同区域 的布置情况，在掌子面上准确地标记出若干位置控制参考点，参考点宜以隧道中垂面为对称面。

2. 钻 眼

(1)台车定位

三臂凿岩台车准确定位是提高钻眼精度的前提，台车距离掌 子 面 9m 左右、后视点距离一般不大于25m, 支撑点应坚实可靠 避免钻孔过程中晃动影响钻精度，周边眼钻孔时应结合全站仪测量画出的轮廓线进行校核，以保证周边眼开孔精度。

(2)开孔误差控制

①周边眼。开孔位置应准确，钻眼时先采用低冲击低推进慢 慢钻进，开出一个深3～5cm 的浅眼，再沿该眼以正确的钻进方 向钻眼；岩层产状比较复杂地段，先用低冲击低推进慢慢钻进10～15cm,  直至钻出的浅眼易于钻进，易于控制钻进方向为止。

②辅助眼。根据掌子面的实际状况，选择容易开孔的位置进行钻孔，可以根据围岩的硬度、节理裂缝的发展状况、岩层的产状等因素适当调整炮眼的间距。

(3)钻眼角度及方向控制

①周边眼外插角不宜大于3.80(即以每循环进尺3米，两循 环接茬台阶控制在15cm 内)。确保钻孔方向符合爆破设计要求，严禁出现“交叉孔”和“三角孔”。

②掏槽眼角度控制。在确定钻眼的角度时，我们必须考虑到开孔位置与台车推进梁的尾部到隧道中线的距离之间的联系。

③如果岩层层理明显，辅助眼方向应尽量垂直于层理面。

(4)当钻眼深度控制操作员在台车上完成定位后，首先在掌子面上测量多个点，并选择一个居中的里程点作为台车钻孔的参考面。根据爆破设计图纸，将每个孔钻到预定的位置。

(5)严格落实炮眼验收制度。清孔完成后应及时进行炮眼 质量验收。

3. 装药与堵塞

(1)装药应分片、分区、定人、定岗、定段、自上而下进行，以避免落石砸断或打破脚线引起瞎炮。

(2)周边眼应逐孔量测深度，采用小直径连续装药或间隔装药结构，增大炮眼不耦合系数，有条件情况下可采用低密度炸药，减少爆破能量。

(3)炮眼应编号，各炮眼所用毫秒雷管段别、装药量应能明确区分，并做好装药记录，严禁混装、错装、漏装雷管段别或药量。

(4)周边眼可试验采用特殊药卷爆破技术和现场混装乳化炸药技术，调节炸药密度，降低炸药爆速和猛度，实现低威力炸药连续耦合装药工艺。

(5)炮眼的堵塞段必须用炮泥捣实堵塞密实，按技术规程或爆破设计长度堵塞炮眼。

4.起爆网路连接及起爆

(1)隧道光面爆破炮孔起爆顺序:掏槽眼-辅助眼一底板眼一周边眼;采用毫秒微差逐孔起爆技术进行爆破作业，相邻段位的微差时间间隔宜控制在100ms，所有炮孔均采用反向起爆方法，即起爆药卷置于炮眼底部。

(2)周边眼采用导爆索串联，每10-15个炮孔设1根电子数码雷管，同时反向起爆;导爆索网路应采用搭接、水手结等方法联接，搭接时，两根导爆索的重叠长度不得小于15cm，中间不得夹有异物和炸药卷，搭接部分用细绳或胶布捆绑牢固，连接时禁止打结、打圈;导爆索网络连接时应考虑爆震波的传爆方向，必须使每一支路的接头迎着传爆方向，夹角应大于90°。

(3)在连接周边眼的导爆索之前，应完成所有周边眼堵塞，严禁先连接网路后堵塞炮眼。

（三）爆破参数优化调整

根据掌子面节理裂隙信息、围岩强度信息、超欠挖情况等，对上一循环炮眼布置、装药工艺参数等进行评价，对下一循环爆破设计进行优化。

1.优化调整原则

(1)周边眼间距:岩石强度提高，周边眼间距适当增加，最大不超过50cm;反之,周边眼间距适当缩小，最小不小于40cm。

(2)线装药密度:随岩石强度提高，装药密度适当增加，最大不超过0.4kg/m;反之，线装药密度适当缩小，不小于0.15kg/m。

(3)光爆层厚度:随岩石强度提高，厚度适当减小，不小于60cm;反之，光爆层厚度适当增加，不得超过75cm。

(4)炸药单耗:根据爆堆岩石破碎程度和循环进尺反馈,以 5~10cm为基准调整孔眼间距。易爆的岩体增加间距，难爆的岩体减小孔眼间距，从而改变孔眼数目，动态提高或降低炸药单耗。

2.优化调整后的实施

作业队伍严格按照优化后工艺参数进行下一循环钻爆施工，重点控制炮眼位置、炮眼倾角、装药工艺及装药量等工艺参数,以此往复不断优化调整。

四、施工工法

根据隧道超前地质预报及掌子面揭示，围岩稳定性较好。

隧道超前地质预报及掌子面揭示，该隧道的掌子面围岩主要是中生界侏罗系上统蓬莱镇组的砂质泥岩，这些岩层是水平分布的，具有层状构造和发达的裂隙，岩质相对较弱，因此岩体围岩的稳定性表现良好。

钻爆设计控制要尽可能地降低爆破产生的震动对围岩的干扰，以防止或增加已存在的裂缝；需要控制爆破后对隧道早期支撑或衬砌结构产生的震动效应；降低爆破振动对邻近构筑物的影响，保证施工期间周边居民及人员生命财产安全。按照分阶段的开挖计划，爆破操作不会对附近洞室的支撑结构稳定性造成影响。为了确保地面建筑物的安全性，需要控制爆破产生的震动对附近建筑的潜在影响。

根据隧道岩质情况，按表4-1《光面爆破参数表》进行选择。在施工过程中，通过对爆破效果的检查，并根据地质的实际变化进行适当的调整，以确保爆破的安全性、经济性和最优效果。

表4-1光面爆破参数表

参数 围岩状况	饱和单轴抗压极限强度Rb(Mpa)	装药不偶合 系数D	周边眼间距 E（cm）	周边眼最小抵抗线 W（cm）	相对距 E/W	周边眼装药集中度q（Kg/m）
硬岩	>60	1.25～1.50	55～70	70～85	0.8～1.0	0.3～0.35
中硬岩	30～60	1.50～2.00	45～60	60～75	0.8～1.0	0.2～0.30
软岩	≤30	2.00～2.50	30～50	40～60	0.5～0.8	0.07～0.15

所使用的炸药是φ32乳化炸药，其周边眼采纳了“导爆索+竹片+间隔装药”的设计，而掏槽眼、辅助眼和底板眼则使用了连续装药的方式，雷管则全部使用了数码电子雷管进行起爆。

图4-2

爆破各类炮孔装药结构示意图

1.循环进尺控制及安全步距要求

（1）II、Ⅲ级围岩每循环开挖进尺不得大于3.5m。

（2）IV级围岩每循环开挖进尺均不得大于3m。

（3）底板开挖距掌子面不大于120m。

（4）IV级围岩拱墙衬砌距离掌子面不大于200m；

2.主要围岩级别爆破设计

（1）厂房交通洞、通风洞II、Ⅲ级围岩全断面法钻爆设计，为充分发挥施工效率，加快循环进度，根据围岩条件及设计开挖方案，在II、Ⅲ级围岩地段中采用全断面光面爆破法施工。采用人工钻孔爆破，由于围岩稳定性较好，计划每循环进尺3.5m。

3.II、Ⅲ级围岩光面爆破

（1）光面爆破参数：

①周边光爆孔炮眼间距E：选用45cm；

②光面层厚度(周边光爆孔最小抵抗线)：选用60cm；

③周边炮眼密集系数K：K=E/W=0.75；

④炸药：φ32乳化炸药。

（2）II、Ⅲ级围岩喷锚断面全断面法开挖爆破设计见下图：

图4-2人工钻爆法爆破设计图

（3）厂房交通洞采用人工开挖进行打设掌子面爆破孔，爆破参数具体如下：

  厂房交通洞掌子面爆破设计孔155孔，爆破炸药用量264.6kg，爆破进尺3.5m，爆破方量约259.56m³，爆破单耗1.02kg/m3，II、Ⅲ级围岩装药设计如下表所示。

表4-2 隧道炮孔装药设计

五、施工工法优化可行性论证

在隧道的初步设计中，IV级围岩的进洞采用了台阶法进行开挖。但由于该隧道的断面尺寸较小，围岩状况良好，台阶法的工序转换频繁，施工过程中的干扰较大，这不利于机械的顺利展开，导致施工进度缓慢，从而影响了整体的工程进度。因此在原有方案基础上提出了新的施工工艺和技术措施。依据隧道的超前地质预测和掌子面的揭示，目前隧道开挖所揭示的围岩稳定性表现良好，监测数据也表明隧道的变形相对较小且稳定。同时也发现了在初期支护未及时跟进时存在着一定程度的安全隐患。因此，我们可以考虑使用全断面的光面爆破方法进行开挖，这样可以有效地提高施工的进度和效率。

为充分论证这两种工法变更的可行性，采用数值模拟的方法，对隧道的围岩-结构支护体系进行模拟计算。研究两种工法下，隧道结构的安全性

及工法优化的可行性。

结合分析可知，与全断面法在围岩应力计算上的结果对比，台阶法的差异并不显著，只是在数值上有轻微的不同，总体上围岩处于受压的状态；在支护结构受力方面，二者均是以拱脚和边墙为主，而不是以仰斜部位为主。从围岩变形的角度来看，台阶法在控制围岩变形方面优于全断面法，但如果采用全断面法进行施工，隧道的最大拱顶沉降位移也能满足控制要求，但是可以显著提高工期。

故该隧道采用全断面光面爆破法施工基本可以满足要求，但需注意以下几点：

（1）应严格按照设计要求及时施作超前支护，预加固掌子面前方围岩；

（2）根据现场监控量测数据及有关规定，及时施做支护、封闭成环，仰拱衬砌及时跟进。

（3）加强监控量测，随时掌握围岩变形情况，保证施工安全。

（4）施工过程中要做好超前地质预报工作，结合监控量测数据及超前地质预报数据，及时分析，动态调整开挖工法和支护参数。

六、取得的效果

（一）工期节省

1.台阶法工期情况：

表6-1台阶法工序循环统计

上台阶	开始	结束	中台阶	开始	结束	下台阶	开始	结束
开挖	0:00	3:30	开挖	9:30	12:00	开挖	19:00	21:30
支护	3:30	7:30	支护	12:00	16:30	支护	21:30	0:30
喷混	7:30	9:30	喷混	16:00	19:30	喷混	0:30	2:30

根据施工进度数据统计显示：台阶法完成全断面一个循环时间为26.5小时。

2.优化工法（全断面光面爆破法）工期：

全断面光面爆破法工序简单，施工效率大幅度提升。具体工序循环统计如下：

表6-2全断面法工序循环统计

工序	开始时间	结束时间
开挖	0:00	5:00
出渣	5:00	8:00
钢支撑支护及锚杆安装	8:00	13:00
喷混	13:00	16:00

根据统计全断面法光面爆破开挖完成全断面一个循环时间为16小时。每循环较台阶法节省工序时间约10.5小时，整个隧道预计提前工期2个月。

（二） 节约成本

台阶法在变更为全断面法后，根据现场估算，节约材料及工期折合数百万元。

七、结语

对于主要集中在义县组的凝灰质安山岩、安山集块岩和凝灰质角砾岩，这些岩石地质特点是具有中等厚度的结构，以及块状构造和相对较少的裂缝。在IV级围岩段的隧道施工中，与台阶法相比，全断面光面爆破法在保证安全性和质量的前提下，能显著缩短施工时间并降低成本。通过在工程实践中不断总结，摸索出了一套适合于此类岩性的施工工艺及方法。在这种地质环境下进行隧道建设具有很好的推广价值。

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