大跨度、淺覆土、小凈距隧道錨微擾動(dòng)開挖施工技術(shù)研究
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陳方東 豐月華 白雨東 鄭國平
（1．浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院杭州 310006；
2．浙江公路水運(yùn)工程咨詢公司 杭州 310 014；
3．浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州 310014）
摘要 為實(shí)現(xiàn)浙江省官山大橋大跨度、淺覆蓋、小凈距隧道錨的微擾動(dòng)開挖施工，文中采用有限元方法并結(jié)合施工組織及施工工效的比較，確定了臺(tái)階法在流紋斑巖等硬質(zhì)巖體隧道錨開挖施工中的適用性。施工過程中采用分區(qū)爆破、合理選擇爆破器材，以及動(dòng)態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)、開展監(jiān)控量測等措施，實(shí)現(xiàn)了爆破能量精準(zhǔn)發(fā)力。
關(guān)鍵詞 隧道錨小凈距微擾動(dòng)施工
懸索橋由于其強(qiáng)大的跨越能力而成為超大跨徑橋梁的首選橋型。錨碇是懸索橋的主要承載結(jié)構(gòu)之一，它的主要功能是將主纜張力傳遞給地基，目前常用的有重力式錨碇和隧道式錨碇，而隧道錨由于利用了巖體的抗剪強(qiáng)度，工程規(guī)模一般遠(yuǎn)小于相同承載力的重力式錨，因此具有巨大優(yōu)勢。
隧道錨利用了錨碇與周邊巖體的共同作用，即將主纜拉力通過索股傳到混凝土錨塞體，再通過混凝土與隧道圍巖相互作用傳遞給隧道圍巖。鑒于其特殊的作用原理，目前對其研究主要集中在錨洞巖體的多方法協(xié)同勘察，錨碇系統(tǒng)及基巖穩(wěn)定性分析技術(shù)研究；中夾巖變形規(guī)律及變形敏感度較高部位及關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析；施工間安全監(jiān)測及圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)等方面�？傮w而言，國內(nèi)懸索橋的建造歷史較短，而采用隧道錨的工程案例更是屈指可數(shù)，因此，對其力學(xué)機(jī)理、施工工藝的研究還有待進(jìn)一步深入。
本文以浙江省岱山縣官山大橋隧道錨為依托工程，介紹大跨度、淺覆土、小凈距隧道錨的微擾動(dòng)施工技術(shù)。
1工程概況
1.1錨洞及錨體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
官山大橋是浙江省第一座采用隧道式錨定的懸索橋，大橋位于舟山市岱山縣，是岱山縣與大陸連島工程的重要一步。主橋?yàn)?10 m+580 m+180 m雙塔單跨懸索橋，其中官山側(cè)錨碇采用混凝土隧道錨，洞室軸向長度45. 045 m，前、后錨室長16. 395 m、1.65 m，錨塞體長27 m，前錨面洞室尺寸（含初期支護(hù)噴混凝土厚度）9. 86 m×10m（寬×高），頂部為圓弧形，圓弧半徑為5.00 m;錨塞體前錨面單洞斷面尺寸為9. 86 m×10 m，頂拱半徑5 m;后錨面16. 292 m×16. 382 m（寬×高），頂部圓弧半徑為8. 191 m，前錨室主纜中心線的水平角40。；錨體洞室的凈距為16～9.508m。隧道錨總體布置見圖1～3。
1.2工程地質(zhì)情況
錨體位于中、微風(fēng)化流紋斑巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，發(fā)育陡傾節(jié)理裂隙，裂隙面緊閉，結(jié)合良好。地層深部分布有10～15 m厚流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r（含火山蛋），與流紋斑巖接觸面產(chǎn)狀為353。<40。，有扭曲，接觸面處巖體性質(zhì)相對較弱。
1.3工程特點(diǎn)及難點(diǎn)
(1)斷面大、傾角大，開挖斷面積由前錨面的88 m 2變化到后錨面的239 m2，且傾角大，開挖及出碴困難。
(2)埋深較淺，錨洞部分位于路面正下方，前錨面中心與路面間距約21.5 m，對覆蓋層的保護(hù)尤為重要。
(3)凈距小，錨塞體尾部及后錨面左、右洞室之間凈距逐漸變小，最小只有9. 508 m，屬小凈距開挖，中夾巖柱的保護(hù)非常重要。
(4)錨體底標(biāo)高為-8.2 m，位于海平面以下，存在海水通過基巖裂隙侵蝕錨體的可能性。
因此，需要優(yōu)化調(diào)整開挖方法及參數(shù)，采取更為精準(zhǔn)、有效的爆破設(shè)計(jì)，減少對覆蓋層、中夾巖的擾動(dòng)，提高圍巖整體完整性和密閉性，確保錨碇與周邊巖體共同作用以及錨體的耐久性。
2 施工開挖方法及參數(shù)
2.1開挖方法的分析與比較
目前對于大跨度、淺埋、小凈距隧道常用的施工方法有正臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及CRD法對地表及圍巖的變形控制效果最好，但分塊過小，施工難度大、施工速度慢，考慮到本隧道錨所處的圍巖強(qiáng)度高、傾角大，不作考慮。重點(diǎn)針對CD法和臺(tái)階法，采用平面有限元數(shù)值分析方法對圍巖穩(wěn)定性、中夾巖柱受力、施工組織、施工工效等方面進(jìn)行對比分析，見表1。
可見，在中、微風(fēng)化流紋斑巖巖體中隧道錨采用CD法和臺(tái)階法，圍巖級(jí)中夾巖的塑性區(qū)范圍、塑性變形值、收斂及拱頂變形均相差無幾，而后者在施工組織和施工工效方面的優(yōu)勢明顯，經(jīng)綜合分析采用臺(tái)階法，施工過程中遵守“弱爆炸、短進(jìn)尺”的原則，可將對圍巖及中夾巖柱的擾動(dòng)降到最低，并通過加強(qiáng)上臺(tái)階拱腳鎖腳錨桿、適當(dāng)擴(kuò)大拱腳等措施，確保了實(shí)際地表沉降量小于2 mm。
2.2施工參數(shù)的對比分析
對臺(tái)階法方案進(jìn)一步擬定了2個(gè)施工參數(shù)方案，基于三維有限元數(shù)值仿真及施工過程力學(xué)理論，分析了不同臺(tái)階長度與循環(huán)進(jìn)尺對隧道錨中夾巖柱的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。2種施工方案的參數(shù)及分析結(jié)果見表2。
通過對2種工況下的拱頂下沉、底板隆起、中夾巖柱水平收斂變形及塑性區(qū)的分析對比，除塑性區(qū)范圍相差較大外，其余均微乎其微。臺(tái)階長度的增加會(huì)很大程度增加塑性區(qū)范圍，6m臺(tái)階開挖方案更利于后期隧道錨穩(wěn)定。
2.3總體施工方案
基于上述分析，對開挖方法作如下總體設(shè)計(jì)。
(1)左側(cè)錨體的掌子面滯后右側(cè)錨體掌子面20 m。
(2)錨體前14 m(中夾巖墻厚度16.O～12.6m)采用臺(tái)階法開挖，分上、下臺(tái)階，臺(tái)階長度6．Om，開挖循環(huán)進(jìn)尺2.0 m。
(3)錨體后13 m及后錨室(中夾巖墻厚度12.6～9.508 m)采用上、中、下3臺(tái)階開挖，從保護(hù)中夾巖柱考慮，臺(tái)階長度縮短為4m，開挖循環(huán)進(jìn)尺縮短為1.5 m。
3爆破設(shè)計(jì)及振動(dòng)校核
洞室開挖時(shí)應(yīng)采取可靠的工程措施，確保巖體完整性不被破壞。本文以錨塞體為例，介紹爆破開挖的施工方案。
3.1 橫斷面分區(qū)爆破方案
錨塞體呈錐形，在鉆孔時(shí)周邊眼必須沿開挖輪廓線向外呈發(fā)散狀，向外傾斜約8。，內(nèi)圈眼與周邊眼平行，以保證光爆效果，然后逐漸修正。在錨體前14 m采取與前錨室類似的雙臺(tái)階開挖；錨體后13 m則采用上、中、下3臺(tái)階爆破，同時(shí)為了控制爆破振動(dòng)速度，一方面掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺調(diào)整為1.5 m，另一方面將中、下臺(tái)階分為左右2部進(jìn)行開挖，以進(jìn)一步降低爆破振動(dòng)影響。各臺(tái)階及分塊的爆破順序如下：
上臺(tái)階爆破一中臺(tái)階左部爆破一中臺(tái)階右部與下臺(tái)階左部爆破一下臺(tái)階右部爆破。同樣，為了防止爆破時(shí)爆破地震波相疊加，將選擇合適段號(hào)的連結(jié)雷管，確保爆破地震波降至最低。
3.2爆破器材選擇
根據(jù)隧道所穿越圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)f，以及巖石縱波波速等，選用威力適中、匹配性好、防水性能好的2號(hào)巖石乳化炸藥，雷管則選用國產(chǎn)II系列非電毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，周邊光面爆破采用專用的低爆速光爆炸藥。
3.3掏槽方式選擇
掏槽的作用在于為后續(xù)爆破創(chuàng)造臨空面，目前常用直眼掏槽和斜眼掏槽，后者又稱為楔形掏槽，即裝藥孔與開挖掌子面成一定角度，能充分利用原有的掌子面作為自由面實(shí)現(xiàn)掏槽爆破。因此，本隧道錨選擇了斜眼掏槽方式，見圖4。
3.4爆破臨界振動(dòng)速度選擇
以臨界振動(dòng)速度值作為爆破引起的建（構(gòu)）筑物的破壞評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是目前國內(nèi)外的通行做法。《爆破安全技術(shù)規(guī)程》( GB6722 - 2011)對交通隧道規(guī)定的爆破振動(dòng)安全允許值為10～20 cm/s，鑒于隧道錨對于懸索橋整體結(jié)構(gòu)安全的重要性，本工程將爆破振動(dòng)安全允許值取為7 cm/s。
齊爆藥量根據(jù)薩道夫斯基公式進(jìn)行估算。
式中：Q為最大一段齊爆藥量，kg；R為爆心至測點(diǎn)的距離，m; Vk。為允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s;K為與地質(zhì)條件、爆破方式、爆破條件有關(guān)的系數(shù)，中等硬度巖石取250～150;a為與傳播途徑、距離、地質(zhì)和地形等有關(guān)的衰減系數(shù)，中等硬度巖石取1.5～1.8。
按照分臺(tái)階、左右分部開挖錨塞體室的爆破方案，距離已經(jīng)成型右側(cè)錨塞體室最近距離為左側(cè)錨塞體的底部爆破開挖，爆心距離右錨塞體中夾巖壁最近距離為17. 654 m，取K-180，a-1.5，Vk。取7 cm/s，計(jì)算得允許的最大一段齊爆藥量Q=8.3 kg，大于斜眼掏槽的第一段齊爆裝藥量為4.8 kg。
在前錨室爆破開挖階段，通過現(xiàn)場爆破振動(dòng)監(jiān)測值反算擬合，得到滿足實(shí)際施工地段的K值在155～165之間、a值在1.45～1. 55之間，也即巖質(zhì)偏硬。進(jìn)而根據(jù)所控制的振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整最大一次齊爆藥量值。
4施工監(jiān)控量測
制定了洞內(nèi)外觀察、水平凈空收斂、拱頂下沉、地表及邊坡位移、底板隆起、錨桿軸力、爆破振動(dòng)速度等監(jiān)控量測項(xiàng)目。隧道軸向測點(diǎn)布置根據(jù)開挖后實(shí)際圍巖性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及施工方法而定，原則上每10 m布置一個(gè)斷面。同一斷面上，收斂變形及爆破振動(dòng)、拱頂沉降和底板隆起測點(diǎn)均布置于側(cè)墻、拱部、底板的中點(diǎn)。最終的監(jiān)測值見表3。
爆破振動(dòng)速度測試點(diǎn)布置在后掘進(jìn)隧道靠中隔墻位置，每個(gè)點(diǎn)布置1套振速測試系統(tǒng)（包括1個(gè)三向速度傳感器，1臺(tái)測震儀及配套設(shè)備）。爆破振動(dòng)速度測試值絕大部分在預(yù)警值7 cm/s以內(nèi)。
錨桿軸力在左洞的最大值為7.1 kN，在右洞的最大值為10.7 kN，均小于設(shè)計(jì)拉拔力。另外，錨洞開挖到位后，巖壁未發(fā)現(xiàn)滲漏水，消除了海水通過基巖裂隙侵蝕錨體的擔(dān)心。
綜上所述，可以認(rèn)為錨洞圍巖及中夾巖柱處于彈性變形、完整性良好，采用的施工開挖方案及爆破參數(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了對大跨度、淺覆蓋、小凈距隧道錨的微擾動(dòng)開挖。
5結(jié)論
(1)根據(jù)有限元計(jì)算分析，在中一微風(fēng)化流紋斑巖中采用臺(tái)階法開挖和CD法開挖，在圍巖及中夾巖柱塑性區(qū)范圍、內(nèi)凈空變形等方面的差別微乎其微，施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)也證明了臺(tái)階法開挖所產(chǎn)生的變形值在合理范圍內(nèi)，而且施工工效大大提高。
(2)通過上臺(tái)階斜眼楔形掏槽、中臺(tái)階和下臺(tái)階分區(qū)爆破、合理選擇爆破器材，以及動(dòng)態(tài)調(diào)整爆破參數(shù)等措施，實(shí)現(xiàn)了大跨度、淺覆土、小凈距隧道錨微擾動(dòng)施工，提高了圍巖尤其是中夾巖柱的完整性，從而增強(qiáng)了隧道錨的整體穩(wěn)定性和耐久性。
(3)水平凈空收斂量測、拱頂下沉量測、爆破振動(dòng)速度等項(xiàng)目的監(jiān)測值，對于掌握圍巖動(dòng)態(tài)及施工力學(xué)性能，了解支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同情況下的受力狀態(tài)，及時(shí)改進(jìn)施工參數(shù)及支護(hù)強(qiáng)度具有重要作用。
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