小半径曲线非对称连拱隧道开挖关键技术研究
小半径曲线非对称连拱隧道开挖关键技术研究
摘要：重庆市马家岩隧道立交工程是目前国内最小半径的曲线连拱隧道，施工过程中通过采取先进可靠的开挖方法、优化光面爆破参数和先进的测量、监测手段，实现了对小半径隧道超欠挖的有效控制，满足了工期、质量和安全要求，取得较好的社会效益和经济效益。
关键词：小半径连拱隧道，中导洞，光面爆破，TPS测量，监测
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一、工程概况及地质条件
1.1，工程概况
重庆沙坪坝区马家岩立交由小半径曲线非对称连拱隧道和二个下穿道组成。其中，隧道分A、B匝道双洞隧道。A匝道隧道全长150.242m，隧道进口净宽10.5m，位于直线段上。隧道出口处于半径R=23.5m的园曲线上，隧道净宽
9.61m，净高7.21m。整个隧道的平曲线从设计起点开始依次为R=∞，L=25m，R=57.5m，R=∞，L=23.5m。 B匝道隧道出口在直线段上，隧道进口在半径R=25m的园曲线上。隧道全长114.011m，整个隧道的平曲线从原设计起点开始依次为R=∞,R=25m，B匝道隧道净宽11.42m，净高7.77m。见A、B匝道隧道平面图及断面图。
1.2，工程地质条件
场区属剥蚀丘陵地貌，地形高差大，最高处高程为378.60m，最低处为327.98m，相对高差50.62m。
场地整体上东高西低。A、B匝道穿越了现有的路线及邻近一小山丘。现有线路部分地形较平坦，地形坡角一般小于10°。丘陵部分地形较陡，自然斜坡部分坡角一般约35°—40°，局部人工开挖的边坡部分达70°。
场地位于沙坪坝背斜东翼。据基岩露头调查得知，地层呈单斜产出，产状108°＜10°。场区发育有两组裂隙，场区内无断层及构造破碎带，裂隙不发育，地质构造简单。
根据地表调查及钻孔揭露，路线区钻探深度范围内地层为第四系全新统土层（Q4）及侏罗系中统沙溪庙组（J2S）的基岩。
拟建场地位于浅丘斜坡地带，无崩塌、泥石流、滑坡、岩溶洞穴、煤与瓦斯、有毒有害气体 、地温异常等不良地址现象。
二、隧道开挖断面及方法
2.1，中导洞工艺代替原三导洞工艺
本工程原设计是“三导洞”施工工艺，但该工艺存在诸多不足，主要是工序繁多，需要撤除的临时支护多，工作面狭小，不能使用大型机械，工效低，费用高，施工周期长。由于本工程位于主城区交通中心，工期紧张，采用三导洞施工工期不能保证。
通过对工程的围岩情况研究，并根据以往的施工经验，向建设方，监理方提出将施工工艺改为中导洞工艺施工。即中导洞先行无侧壁导洞的工艺，二次衬砌是采用大型液压式钢模板台车全断面一次性浇筑。
相对三导洞施工法，采用中导洞施工法具有以下优点；工序较少且简单，施工干扰少，省去了侧导洞开挖和部分临时初期支护及拆除工序，施工空间大，便于使用大型机械设备，施工质量易于保证。在确保施工安全的同时，可加快进度、缩短工期、提高效益、降低造价。
2.2，本工程中导洞施工工艺要点
根据马家岩立交隧道工程中导洞开挖贯通的实际地质情况，对隧道主洞开挖方法再次进行研究，通过B洞出口试验段，证明采用中导洞上下台阶法开挖主洞是安全可行的，而且可以加快进度，针对隧道主洞开挖试验段提出以下工艺要点：
2.2.1根据施工进度计划安排选择在B隧道出口段15m范围内作为试验段；台阶开挖的高度设在起拱线的位置，上台阶长度要大于10m；
2.2.2严格控制爆破进尺和超欠挖，每循环进尺的最大长度控制在
1.5-2.0m；爆破采用光面爆破法，雷管的分段为15段。
2.2.3初期支护加强：原类围岩的型钢支护的间距60cm变成50cm，其他超前小导管、锚杆、钢筋网及喷射混凝土的支护参数不变，Ⅳ级围岩的型钢支护的间距80cm、变成60cm，超前小导管、锚杆、钢筋网及喷射混凝土的支护参数同V级围岩；
2.2.4加强施工监控量测工作，加大试验段监控量测的频率，及时量测信息指导施工，通过反馈信息来不断完善设计，达到施工安全、快速、经济的目的。
必测项目有拱顶下沉、洞内水平收敛位移、支护内应力量测、锚杆拉拔力及地震波检测。
2.2.5在软弱围岩条件下，坚持“管超前，严注浆；短开挖，弱爆破；强支护，早封闭；勤测量，二衬紧跟；信息及时反馈，及时修正”的原则；
2.2.6开挖后，立即进行初期支护，缩短围岩暴露时间，确保喷射混凝土的强度和厚度，并紧贴岩面；
2.2.7仰拱超前，二次衬砌距开挖面不超过30cm；
2.2.8如发现局部边墙围岩变差，应用拱脚锁脚锚杆加强初期支护，控制拱顶下沉；
2.2.9左右洞掌子面开挖，应错开50m以上，确定左右洞开挖间距的原则是，先行洞二次衬砌达到一定强度后，再进行后行洞开挖，以减少后行洞开挖对先行洞的不利影响。
三、普通钻爆设计
3.1，掘进循环进尺
本工程围岩采用短进尺，多循环掘进。由于本隧道工程为曲线小半径，为控制超挖值，对A洞、B洞的掘进进尺分别进行计算（计算步骤略）。
经计算侧墙钻角定为外侧倾角0°即沿曲线切线方向钻孔，拱部外侧倾角为2°，对B洞台阶法施工掘进尺外侧2.0m，内侧1.21m。
3.2，炮孔深度,直径
钻孔采用YT-28风钻，炮眼孔径为φ42mm，为克服岩石的夹制作用，除陶槽眼深度取掘进进尺加200mm以外，其余各炮眼深度取值按以上掘进进尺计算值确定。在实际操作中应视掌子面的凹凸情况，调整各炮眼钻孔长度，使所有炮眼（除陶槽眼外）眼底处于外侧切线的法线面上。
四，光面爆破参数设计
光面爆破是通过调整周边眼的各爆破系数，使爆炸先沿各孔中心连线形
成贯通的破裂缝，然后内围岩体裂解，并向临空面方向抛掷。光面爆破的目的是使爆破后的岩石表面按设计轮廓线成型，表面能较平顺，超挖量最小，对坑道围岩的挠动较小。
确定合理的光爆参数是获得良好光面爆破效果的重要保证。光面爆破的主要参数有：周边眼间距（E）、周边眼密集系数（m）、最小抵抗线（W）、不偶合系数（D）和装药集中度（q）。
4.1，连续装药的不耦合系数
不耦合结构能够比较均匀地降低炮孔壁所承受的峰值压力，有助于保护孔壁少受径向爆破裂隙的破坏。对陶槽眼及辅助眼应采用较小的值，以提高炸药的爆破效率，对周边眼则可采用较大的值，以减小对围岩的破坏。
炸药在炮孔中爆炸后形成的爆炸冲击波的平均压力为：
其中：n：爆生气体与炮孔壁碰撞时的压力增大系数，n=8-10。
P：炮孔内炸药形成的平均值。
：炸药的爆速。
：装药炮孔直径。
：炸药药卷平均密度（0.9-0.95g/cm3）。
光面爆破技术的关键是炸药爆破时对炮孔壁面产生的冲击压力不大于岩石的抗压强度。P≤kbsc。
Kb：体积应力状态下岩石的抗压强度增大系数，kb=10。
Sc：岩体的单轴抗压强度，在掘进过程中通过的岩石f=8～10。
4.2，间隔装药的单位装药长度
间隔装药单位装药卷直径32mm炮孔直径40mm，不能满足连续装药的不耦合系数，所以采用空气间隔装药，当炸药爆炸后，作用在炮孔壁上的冲击力为：
式中：、分别为装药长度和空气间隔长度，炸药能量10%用于压碎围岩。
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