论文部分内容阅读
摘 要：本文结合向阳隧道的施工实践，就新奥法施工技术中钻爆法掘进、锚喷支护和岩爆处理措施等进行了详细阐述。
关键词：新奥法； 隧道施工；技术应用
新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法。
1 工程概况
向阳隧道左线长289m（ZK60+377- ZK60+666），右线长285m（K60+370-K60+655）；本合同段沿线出露地层从老至新依次有：寒武系(E)、奥陶系(0)、石炭系(C)、二迭系(P)及第四系(Q)。项目区大的构造单元包括晋东山区与高平盆地，其基本轮廓主要形成于中生代的燕山运动时期，受其影响先期形成的地层发生断裂，并伴随褶皱和岩浆活动。
隧道所穿越的地貌类型由西向东有破碎黄土原区、基岩低山区及基岩中山区。地面最大标高约1650米，位于终点处的王莽岭一带；最低标高约810米，位于起点处的河西镇一带，相对高差约840米，地势东高西低。
2 钻爆法掘进施工技术
依据其工程地质并结合隧道断面尺寸、长度、 衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定使用钻爆法掘进施工技术。
2.1 爆破技术
2.1.1 光面爆破主要参数的确定。光面爆破原理是：光面爆破是隧道断面开挖的周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四 周作径向传播，相邻炮眼的冲击波相遇，产生应力波的叠加，并产生切向拉力，当岩体的极 限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后爆炸气体的膨胀使裂缝进一步扩展。其主要爆破参数有：最小抵抗线、炮眼密集系数、不耦合系数、线装 药系数、孔距和起爆时差。
2.1.1.1 最小抵抗线与炮眼密集系数。
隧道的开挖断面大于90平方米，跨度大，光爆孔所受围岩夹制作用小，岩体容易爆落，经多次 爆破比较，以下取值比较合适。Ⅴ类围岩光面爆破间距E取40cm，最小抵抗线W取50cm,Ⅳ类 围岩光爆孔间距E取45cm，最小抵抗线W取60cm；Ⅲ类围岩光爆孔间距E取50cm，最小抵抗线W 取60cm。光爆孔密集系数K：Ⅴ类围岩为0.80，Ⅳ类围岩为0.75，Ⅲ类围岩0.84。
2.1.1.2 不耦合系数。一般岩石隧道不耦合系数K′取2.5比较合适，但结合向阳隧道围岩的物理特性，根据多次实验与调整，K′取1.5较为合适，即炮眼直径为43mm，装30mm的咬卷光面爆破效果很好。
2.1.1.3 线装药密度。
为了控制爆破引起的裂隙发展，保持岩石新壁面完整和稳固，要在保证炮眼连心线上得以破裂贯通的前提下，尽量减少用药量。一般将线装药密度取为在进行爆破设计时，按具体爆破条件计算光面爆破眼的线装药密度。q0=KK1K2W式中：q0——线装药密度(kg/m)；K——炮眼密集系数，K=E/W；K1——岩性系数，一般取：软岩为0.5～0.7，中硬岩为0.75～0.95， 硬岩为1.0～1.5；K2——炮眼深度系数，一般为0.5，每加深1m增加0.2。向阳隧道在进行爆破设计时，按公式计算，围岩的线装药密度(q0)为：Ⅲ类围岩：q0=0.252；Ⅳ类围岩：q0=0.169；Ⅴ类围岩：q0=0.1。
2.1.1.4 爆破进尺的选择。向阳隧道采用风钻钻眼，在施工过程中坚持“弱爆破，短开挖，强支护，早封闭”的原则 。从理论上计算应钻5m左右的眼，由于眼打的过长，钻眼时间加长，不容易爆破，隧道超欠 挖严重，经过多次爆破比较，眼深Ⅲ类围岩为3m，Ⅳ类围岩为2m，Ⅴ类围岩为1m。
2.1.2 钻爆设计。全断面开挖地段每循环炸药用量：Q=qSL式中：q——爆破1m3岩石用药量；S——断面面积； L——眼深：Ⅲ类取3m，Ⅳ类取2m，Ⅴ类取1m。q取值：Ⅲ类围岩1.0左右，Ⅳ类围岩1.2左右，Ⅴ类围岩取1.25左右。其中掏槽眼药量增加30%，辅助眼取(0.55～0.6)q。炮眼数目：N=0.0012×(qS/ad2)式中：q——单位用药量(kg/m3)；S——开挖断面面积(m2)；a——炸药装填系数,取0.7；d——药管直径,取0.04m。
2.2 爆破效果及影响因素
向阳隧道平均超挖一般小于8cm，最大超挖量小于11cm，局部欠挖小于5cm，炮眼利用率90 %以上，较好地段达到95.8%；炮眼痕迹保存率：拱部达到94%以上，边墙达到90%以上。由此 说明向阳隧道爆破设计符合该隧道地质情况，较为合理。
3锚喷支护技术
根据设计文件规定，该隧道采用系统锚桿作为衬砌支护结构的一部分，而其理论依据就是锚杆组合拱作用机理理论。
3.1 锚杆组合拱作用机理的运用
锚杆组合拱作用机理主要是依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定深度范围内形成拱形承载结构。系统锚杆采用两种型式：中空注浆锚杆和砂浆锚杆。根据设计文件中规定，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用的是：喷混凝土+锚杆+钢筋网+钢拱架支护结构形式。因此，Ⅳ 、Ⅴ级围岩锚杆支护没有采取锚托板结构，而仅在Ⅲ级围岩采用了锚托板，锚托板形式为15 0mm×150mm×10mm。
锚杆安装作业应在初喷混凝土后及时进行。在施工过程中，应尽可能成大角度布置，由此才能把不利结构面或岩层“串”在一起 ，有效地形成组合拱结构。在系统锚杆成大角度布置安装时，须注意以下几个要点：①隧道开挖后，应及时观察分析开挖面岩体的主结构面或岩层层面的走向；②对于锚杆需成大角度布置部位应明确予以标记或记录；③应对锚杆钻孔作业人员进行认真准确的技术交底，交底内容应包括钻孔部位、 方向和深度等。
锚杆注浆因锚杆形式不同而有不同的注浆方式。中空注浆锚杆可以通过锚杆杆体直接进行注浆。砂浆锚杆的注浆方式有两种：一种是将注浆管与锚杆杆体一同放入钻孔。对于拱顶部位的锚杆宜采用这种方式，便于施工过程控制；另一种是先将注浆管放入钻孔内，缓慢注浆，待注浆结束后，再迅速将杆体插入孔内。这种方式宜用于侧壁锚杆安装。
注浆作业应按照《隧道施工技术规范》的有关规定进行，同时依据设计文件在锚杆外露端设有锚杆托板时，托板安装应紧压孔口岩面，对围岩产生压力，使锚杆周围岩体处于三向应力状态，形成梨形压力区，增加围岩的稳定性。
3.2 锚杆悬吊作用的运用
在局部范围(约2～3m)内，爆破开挖后围岩岩体出现松动，产生裂隙，且岩层呈薄层状构 造，岩块易发生塌落时，宜采用局部锚杆支护方式。
局部锚杆支护的钻孔布置应尽量垂直于岩面，如受施工条件的限制，也应保证成大角度布置。若锚杆钻孔施工危险性较小，可在喷混凝土前及时进行锚杆支护作业。钻孔后应进行吹孔，以清除孔内泥渣，可采用钻杆注水方式清洗钻孔。清孔完毕后，将水泥卷放入孔内，同时向孔内注水，边注水边搅拌。当水泥卷放入量不少于锚杆孔深的一 半时，即可将杆体插入孔内，如插入困难可用锤击。杆体插入孔内的长度不应短于锚杆全长的95%。
在施工过程中，当围岩破碎，锚杆孔成孔困难时，一般可采用自进式锚杆，即用钻杆代替锚杆，并利用钻杆中孔完成锚杆孔内注浆。
4 岩爆处理措施
4.1 岩爆地段的开挖措施
①加强光面爆破控制，尽量保证开挖断面轮廓圆顺规则；②在中等岩爆地段采取短进尺，一般进尺控制在2～2.5m，全断面开挖一次成形，弱爆破， 减小对围岩的扰动；③做好地质预报工作。目前，关于岩爆的一些预测方法主要有：地质超前预测法、σθ/σc 判断预测法、声发射法(AE法)和岩芯饼化法等。
4.2 支护措施
①采用喷射混凝土、系统锚杆和钢筋网的柔性支护方式。待岩体应变能释放结束，围岩处于相对稳定状态时，及时进行初喷3～5cm厚砼封闭岩面，然后打设Φ22mm、长度2.5m的砂浆锚杆，间距1m，梅花型布置，挂φ8mm、20×20cm钢筋网，进行二次或多次分层喷射混凝土；
②在可能继续发生岩爆的掌子面上，采用超前支护措施，超前锚杆为Φ22mm、长度3m的砂浆锚杆。在超前支护的同时，打若干大孔径超前应力释放孔，孔径45mm，间距1m，孔深2～3m。
5结语
向阳隧道施工实例说明了采用新奥法施工，压缩各工序作业循环时间，充分利用隧道空间，合理配备人力、机械，隧道开挖施工进度得到了提高，施工质量也切实得到了保证。
关键词：新奥法； 隧道施工；技术应用
新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法。
1 工程概况
向阳隧道左线长289m（ZK60+377- ZK60+666），右线长285m（K60+370-K60+655）；本合同段沿线出露地层从老至新依次有：寒武系(E)、奥陶系(0)、石炭系(C)、二迭系(P)及第四系(Q)。项目区大的构造单元包括晋东山区与高平盆地，其基本轮廓主要形成于中生代的燕山运动时期，受其影响先期形成的地层发生断裂，并伴随褶皱和岩浆活动。
隧道所穿越的地貌类型由西向东有破碎黄土原区、基岩低山区及基岩中山区。地面最大标高约1650米，位于终点处的王莽岭一带；最低标高约810米，位于起点处的河西镇一带，相对高差约840米，地势东高西低。
2 钻爆法掘进施工技术
依据其工程地质并结合隧道断面尺寸、长度、 衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定使用钻爆法掘进施工技术。
2.1 爆破技术
2.1.1 光面爆破主要参数的确定。光面爆破原理是：光面爆破是隧道断面开挖的周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四 周作径向传播，相邻炮眼的冲击波相遇，产生应力波的叠加，并产生切向拉力，当岩体的极 限抗拉强度小于此拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心连线上形成裂缝，随后爆炸气体的膨胀使裂缝进一步扩展。其主要爆破参数有：最小抵抗线、炮眼密集系数、不耦合系数、线装 药系数、孔距和起爆时差。
2.1.1.1 最小抵抗线与炮眼密集系数。
隧道的开挖断面大于90平方米，跨度大，光爆孔所受围岩夹制作用小，岩体容易爆落，经多次 爆破比较，以下取值比较合适。Ⅴ类围岩光面爆破间距E取40cm，最小抵抗线W取50cm,Ⅳ类 围岩光爆孔间距E取45cm，最小抵抗线W取60cm；Ⅲ类围岩光爆孔间距E取50cm，最小抵抗线W 取60cm。光爆孔密集系数K：Ⅴ类围岩为0.80，Ⅳ类围岩为0.75，Ⅲ类围岩0.84。
2.1.1.2 不耦合系数。一般岩石隧道不耦合系数K′取2.5比较合适，但结合向阳隧道围岩的物理特性，根据多次实验与调整，K′取1.5较为合适，即炮眼直径为43mm，装30mm的咬卷光面爆破效果很好。
2.1.1.3 线装药密度。
为了控制爆破引起的裂隙发展，保持岩石新壁面完整和稳固，要在保证炮眼连心线上得以破裂贯通的前提下，尽量减少用药量。一般将线装药密度取为在进行爆破设计时，按具体爆破条件计算光面爆破眼的线装药密度。q0=KK1K2W式中：q0——线装药密度(kg/m)；K——炮眼密集系数，K=E/W；K1——岩性系数，一般取：软岩为0.5～0.7，中硬岩为0.75～0.95， 硬岩为1.0～1.5；K2——炮眼深度系数，一般为0.5，每加深1m增加0.2。向阳隧道在进行爆破设计时，按公式计算，围岩的线装药密度(q0)为：Ⅲ类围岩：q0=0.252；Ⅳ类围岩：q0=0.169；Ⅴ类围岩：q0=0.1。
2.1.1.4 爆破进尺的选择。向阳隧道采用风钻钻眼，在施工过程中坚持“弱爆破，短开挖，强支护，早封闭”的原则 。从理论上计算应钻5m左右的眼，由于眼打的过长，钻眼时间加长，不容易爆破，隧道超欠 挖严重，经过多次爆破比较，眼深Ⅲ类围岩为3m，Ⅳ类围岩为2m，Ⅴ类围岩为1m。
2.1.2 钻爆设计。全断面开挖地段每循环炸药用量：Q=qSL式中：q——爆破1m3岩石用药量；S——断面面积； L——眼深：Ⅲ类取3m，Ⅳ类取2m，Ⅴ类取1m。q取值：Ⅲ类围岩1.0左右，Ⅳ类围岩1.2左右，Ⅴ类围岩取1.25左右。其中掏槽眼药量增加30%，辅助眼取(0.55～0.6)q。炮眼数目：N=0.0012×(qS/ad2)式中：q——单位用药量(kg/m3)；S——开挖断面面积(m2)；a——炸药装填系数,取0.7；d——药管直径,取0.04m。
2.2 爆破效果及影响因素
向阳隧道平均超挖一般小于8cm，最大超挖量小于11cm，局部欠挖小于5cm，炮眼利用率90 %以上，较好地段达到95.8%；炮眼痕迹保存率：拱部达到94%以上，边墙达到90%以上。由此 说明向阳隧道爆破设计符合该隧道地质情况，较为合理。
3锚喷支护技术
根据设计文件规定，该隧道采用系统锚桿作为衬砌支护结构的一部分，而其理论依据就是锚杆组合拱作用机理理论。
3.1 锚杆组合拱作用机理的运用
锚杆组合拱作用机理主要是依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定深度范围内形成拱形承载结构。系统锚杆采用两种型式：中空注浆锚杆和砂浆锚杆。根据设计文件中规定，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用的是：喷混凝土+锚杆+钢筋网+钢拱架支护结构形式。因此，Ⅳ 、Ⅴ级围岩锚杆支护没有采取锚托板结构，而仅在Ⅲ级围岩采用了锚托板，锚托板形式为15 0mm×150mm×10mm。
锚杆安装作业应在初喷混凝土后及时进行。在施工过程中，应尽可能成大角度布置，由此才能把不利结构面或岩层“串”在一起 ，有效地形成组合拱结构。在系统锚杆成大角度布置安装时，须注意以下几个要点：①隧道开挖后，应及时观察分析开挖面岩体的主结构面或岩层层面的走向；②对于锚杆需成大角度布置部位应明确予以标记或记录；③应对锚杆钻孔作业人员进行认真准确的技术交底，交底内容应包括钻孔部位、 方向和深度等。
锚杆注浆因锚杆形式不同而有不同的注浆方式。中空注浆锚杆可以通过锚杆杆体直接进行注浆。砂浆锚杆的注浆方式有两种：一种是将注浆管与锚杆杆体一同放入钻孔。对于拱顶部位的锚杆宜采用这种方式，便于施工过程控制；另一种是先将注浆管放入钻孔内，缓慢注浆，待注浆结束后，再迅速将杆体插入孔内。这种方式宜用于侧壁锚杆安装。
注浆作业应按照《隧道施工技术规范》的有关规定进行，同时依据设计文件在锚杆外露端设有锚杆托板时，托板安装应紧压孔口岩面，对围岩产生压力，使锚杆周围岩体处于三向应力状态，形成梨形压力区，增加围岩的稳定性。
3.2 锚杆悬吊作用的运用
在局部范围(约2～3m)内，爆破开挖后围岩岩体出现松动，产生裂隙，且岩层呈薄层状构 造，岩块易发生塌落时，宜采用局部锚杆支护方式。
局部锚杆支护的钻孔布置应尽量垂直于岩面，如受施工条件的限制，也应保证成大角度布置。若锚杆钻孔施工危险性较小，可在喷混凝土前及时进行锚杆支护作业。钻孔后应进行吹孔，以清除孔内泥渣，可采用钻杆注水方式清洗钻孔。清孔完毕后，将水泥卷放入孔内，同时向孔内注水，边注水边搅拌。当水泥卷放入量不少于锚杆孔深的一 半时，即可将杆体插入孔内，如插入困难可用锤击。杆体插入孔内的长度不应短于锚杆全长的95%。
在施工过程中，当围岩破碎，锚杆孔成孔困难时，一般可采用自进式锚杆，即用钻杆代替锚杆，并利用钻杆中孔完成锚杆孔内注浆。
4 岩爆处理措施
4.1 岩爆地段的开挖措施
①加强光面爆破控制，尽量保证开挖断面轮廓圆顺规则；②在中等岩爆地段采取短进尺，一般进尺控制在2～2.5m，全断面开挖一次成形，弱爆破， 减小对围岩的扰动；③做好地质预报工作。目前，关于岩爆的一些预测方法主要有：地质超前预测法、σθ/σc 判断预测法、声发射法(AE法)和岩芯饼化法等。
4.2 支护措施
①采用喷射混凝土、系统锚杆和钢筋网的柔性支护方式。待岩体应变能释放结束，围岩处于相对稳定状态时，及时进行初喷3～5cm厚砼封闭岩面，然后打设Φ22mm、长度2.5m的砂浆锚杆，间距1m，梅花型布置，挂φ8mm、20×20cm钢筋网，进行二次或多次分层喷射混凝土；
②在可能继续发生岩爆的掌子面上，采用超前支护措施，超前锚杆为Φ22mm、长度3m的砂浆锚杆。在超前支护的同时，打若干大孔径超前应力释放孔，孔径45mm，间距1m，孔深2～3m。
5结语
向阳隧道施工实例说明了采用新奥法施工，压缩各工序作业循环时间，充分利用隧道空间，合理配备人力、机械，隧道开挖施工进度得到了提高，施工质量也切实得到了保证。