一种硬质岩连拱隧道爆破工艺

摘要

本发明涉及隧道施工技术领域，公开了一种硬质岩连拱隧道爆破工艺，从隧道掌子面掘进区域及顺序的优化角度出发，提供一种充分利用围岩自身结构、无需开挖支护中导坑，能适应多变实际工况，且精度要求低、操作性强的硬质岩连拱隧道爆破工艺，可以广泛的运用在硬质岩连拱隧道的施工过程中，减少了工作面与临时支护，隧道开挖支护更加灵活方便，且无需额外材料，降低了工程造价，阶梯形断面形成后可进行整体爆破开挖，加快工程进度，具有极大的推广价值和广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种硬质岩连拱隧道爆破工艺。

背景技术

随着高等级公路建设的迅猛发展，山区高速公路选线时上、下行隧道往往受地形限制，使得两相邻隧道的最小净距不能满足设计规范的要求。在此形势下，小净距隧道和连拱隧道就越发受到重视，然而由于小净距隧道的围岩稳定与支护结构受力要比普通分离式隧道和连拱隧道更加复杂，所以占地面小、结构紧凑的连拱隧道就得到越发广泛的应用，尤其是在中短隧道建设中成为优先选择的建造形式。

隧道岩体开挖爆破振动危害一直是地下工程和爆破工程关注的焦点问题，而我国地形复杂多样，不乏必须依托爆破才能顺利推进的特殊地质条件，在连拱隧道等特殊隧道工程中，受工程及爆破环境条件限制，隧道开挖爆破振动危害问题更为突出。

常规连拱隧道开挖工作面多，工作面相互交错，连续的爆破施工导致先行洞初期支护变形甚至二衬开裂等病害现象的发生，有时甚至不得不采用非爆破方法进行隧道挖掘，以避免爆破振动危害的出现，而这种权宜之计又会导致隧道施工效率极大降低。

业内存在一些从缓冲防护的角度降低爆破振动危害的方案，例如中国专利《无中隔墙连拱隧道减震装置》(公告号CN205936637U)，通过在先行洞防水层与初期支护之间设置泡沫减震板来达到减震效果。此类方案无法避免后行洞爆破对先行洞初期支护造成扰动，且泡沫减震板厚度较厚，先行洞初期支护在后行洞爆破扰动下变形后，极易导致泡沫减震板侵入二衬界限，拆除后无法对先行洞二次衬砌进行保护。

业内也有从优化爆破参数角度降低爆破振动危害的方案，例如中国专利《一种无中导洞连拱隧道的先行洞二衬保护爆破系统》(公告号CN211084969U)，该方案的要点在于对炮孔位置、间距、与开挖面夹角等爆破参数进行调整优化，减小对先行洞初期支护及二衬的扰动。此类方案确有降低爆破危害的效果，但是需要前期推演测算、现场实施困难，实际施工也很难达到精度要求，而且随着掘进工作的深入，隧道掌子面围岩变形情况乃至变形规律也随时面临突变，优化爆破参数的方案适应性差、操作性弱。

发明内容

本发明填补了现有技术的空白，突破“中导洞开挖支护-施作中隔墙-(先行洞侧导洞开挖支护)-先行洞开挖支护-(后行洞侧导洞开挖支护)-后行洞开挖支护”这种传统工艺，从隧道掌子面掘进区域及顺序的优化角度出发，提供一种充分利用围岩自身结构、无需开挖支护中导坑，能适应多变实际工况，且精度要求低、操作性强的硬质岩连拱隧道爆破工艺。

本发明通过下述技术方案实现：

一种硬质岩连拱隧道爆破工艺，包括以下步骤：

A.爆破、掘进、支护先行洞，至深度达到X m；

B.将后行洞掌子面竖向划分为P份区域，沿靠近先行洞的方向，各个区域分别定义为1#区域、2#区域、3#区域……P#区域，P≥3；

C.爆破、掘进1#区域，至深度达到Y m，形成1#导坑，Y＜X；

D.按P值递增的顺序，先后爆破、掘进2#区域、3#区域……P#区域，对应形成2#导坑、3#导坑……Q#导坑，Q＝P；至Q#导坑深度为Z m、Q-1#导坑深度为2Z m、……2#导坑深度为(Q-1)Z m，Z≤Y，(Q-1)Z+Y＜X；

E.支护后行洞，支护深度与Q#导坑深度适配；

F.交替重复步骤A和步骤B-C-D-E，保持先行洞二次衬砌的深度超1#导坑深度N m，保持相邻导坑深度差为Z±L m，直至先行洞、后行洞先后贯通。

进一步的，所述步骤A中，根据围岩等级、隧道埋深、施工条件，选用CRD法、CD法、三台阶法或台阶法施工。

进一步的，所述步骤B中，1#区域的面积大于其他各个区域面积，其他各个区域的面积相等。

进一步的，所述步骤D中，具体施工顺序包括以下小步骤：

D1.爆破、掘进2#区域，至2#导坑深度达到(Q-1)Z m；

D2.爆破、掘进3#区域，至3#导坑深度达到(Q-2)Z m；

……

DQ.爆破、掘进Q#区域，至Q#导坑深度达到Z m。

进一步的，所述步骤D中，具体施工顺序包括以下小步骤：

D1.爆破、掘进2#区域，至2#导坑深度达到Z m；

D2.交替爆破、掘进2#区域和3#区域，至2#导坑深度达到Z m、2#导坑深度达到2Zm；

……

DQ.交替爆破、掘进2#区域、3#区域、……和Q#区域，至Q#导坑深度达到Z m、……2#导坑深度达到(Q-2)Z m、1#导坑深度达到(Q-1)Z m。

进一步的，X的范围为20～30。

进一步的，Y的范围为2～10。

进一步的，Z的范围为0.6～1.2。

进一步的，N大于40。

进一步的，L的范围为0.06～0.14。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明技术方案适用性广，适用于各种采用爆破施工的连拱隧道，解决现有连拱隧道施工工作面多，临时支护数量大，爆破开挖对先行洞扰动大，先行洞初期支护及二衬易因爆破扰动变形开裂等问题。

2、本发明通过设置阶梯型爆破开挖面进行掘进，靠近先行洞一侧有阶梯型原有围岩支撑，后行洞对先行洞的爆破扰动层层递减，大大降低传递至先行洞的爆破扰动。

3、本发明技术方案对爆破参数如炮孔间距、位置、与开挖面夹角等无高精度要求，便于施工，避免了因每次开挖的爆破参数不同而无法达到预期效果的问题。

4、本发明不必采用额外材料、减震措施，减少了不必要的临时支护数量，降低成本，同时避免了爆破扰动下隧道变形导致减震材料等侵入二衬限界的问题。

5、本发明技术方案工程造价相对较低，仅通过前期设置开挖面达到减小爆破扰动的效果，无需额外消耗建设材料。

6、本发明施工简单，易于操作，在降低后行洞爆破开挖对先行洞扰动的情况下可显著加快工程进度。

综上所述，本发明从隧道掌子面掘进区域及顺序的优化角度出发，提供一种充分利用围岩自身结构、无需开挖支护中导坑，能适应多变实际工况，且精度要求低、操作性强的硬质岩连拱隧道爆破工艺，可以广泛的运用在硬质岩连拱隧道的施工过程中，减少了工作面与临时支护，隧道开挖支护更加灵活方便，且无需额外材料，降低了工程造价，阶梯形断面形成后可进行整体爆破开挖，加快工程进度，具有极大的推广价值和广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明P＝4时实施例的隧道纵向断面示意图；

图2为本发明P＝4时实施例的隧道水平截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1和附图2，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

一种硬质岩连拱隧道爆破工艺，包括以下步骤：

A.爆破、掘进、支护先行洞，至深度达到X m；

B.将后行洞掌子面竖向划分为P份区域，沿靠近先行洞的方向，各个区域分别定义为1#区域、2#区域、3#区域……P#区域，P≥3；

C.爆破、掘进1#区域，至深度达到Y m，形成1#导坑，Y＜X；

D.按P值递增的顺序，先后爆破、掘进2#区域、3#区域……P#区域，对应形成2#导坑、3#导坑……Q#导坑，Q＝P；至Q#导坑深度为Z m、Q-1#导坑深度为2Z m、……2#导坑深度为(Q-1)Z m，Z≤Y，(Q-1)Z+Y＜X；

E.支护后行洞，支护深度与Q#导坑深度适配；

F.交替重复步骤A和步骤B-C-D-E，保持先行洞二次衬砌的深度超1#导坑深度N m，保持相邻导坑深度差为Z±L m，直至先行洞、后行洞先后贯通。

需要说明的是，本发明所指的硬质岩是指依据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)等级为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的围岩或依据《公路隧道设计规范》(JTG_D70-2004)等级为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的围岩。硬质围岩开挖掘进困难，通常需要利用爆破的手段，而连拱隧道因其结构特殊，连续的爆破施工会导致先行洞初期支护变形甚至二衬开裂等病害现象的发生，有时甚至不得不采用非爆破方法进行隧道挖掘。

本发明从隧道掌子面掘进区域及顺序的优化角度出发，提供一种充分利用围岩自身结构、无需开挖支护中导坑，能适应多变实际工况，且精度要求低、操作性强的硬质岩连拱隧道爆破工艺，可以广泛的运用在硬质岩连拱隧道的施工过程中，减少了工作面与临时支护，隧道开挖支护更加灵活方便，且无需额外材料，降低了工程造价，阶梯形断面形成后可进行整体爆破开挖，加快工程进度。

进一步的，所述步骤A中，根据围岩等级、隧道埋深、施工条件，选用CRD法、CD法、三台阶法或台阶法施工。可以理解的是，先行洞的爆破、开挖、支护可以视为常规的隧洞处理，因此可以根据围岩等级、隧道埋深、施工条件合理选用施工方式。

进一步的，所述步骤B中，1#区域的面积大于其他各个区域面积，其他各个区域的面积相等。可以理解的是，1#区域开挖形成的1#导坑是后行洞的首个掘进空间，为了形成足够的作业空间，同时尽量促进工作效率的提升，所以此距离先行洞最远的导坑的截面积就可以大一些，也即1#区域的面积大于其他各个区域面积；而其他各个区域的面积相等，是一种更为优选的实施方式，可以使除了1#导坑之外的其他导坑每次掘进量相等，便于物资进出、人员安排，保证工程进度的协调。

在开挖除了1#导坑之外的其他导坑时，至少有两种作业方式：第一种是从2#导坑、3#导坑……直到Q#导坑，逐个掘进到设定深度，也即先把靠近1#导坑的导坑掘进到位再开始下一个导坑的掘进；第二种是从2#导坑、3#导坑……直到Q#导坑，各个导坑齐头并进，差不多同时掘进到设定深度。当然也可以采用两个、两个一组的掘进方式，或者间隔一个导坑掘进的方式，工程实际中主要采用的还是前两种，因此下面具体陈述：

第一种实施方式

进一步的，所述步骤D中，具体施工顺序包括以下小步骤：

D1.爆破、掘进2#区域，至2#导坑深度达到(Q-1)Z m；

D2.爆破、掘进3#区域，至3#导坑深度达到(Q-2)Z m；

……

DQ.爆破、掘进Q#区域，至Q#导坑深度达到Z m。

这种作业方式就是逐个施工，人员需求少，但是作业效率相对较低，适合围岩硬度更高的工况，形成尖锐攻势，各个击破。

第二种实施方式

进一步的，所述步骤D中，具体施工顺序包括以下小步骤：

D1.爆破、掘进2#区域，至2#导坑深度达到Z m；

D2.交替爆破、掘进2#区域和3#区域，至2#导坑深度达到Z m、2#导坑深度达到2Zm；

……

DQ.交替爆破、掘进2#区域、3#区域、……和Q#区域，至Q#导坑深度达到Z m、……2#导坑深度达到(Q-2)Z m、1#导坑深度达到(Q-1)Z m。

这种作业方式就是齐头并进，作业效率高，但是对作业人员数量需求也多，适合围岩硬度稍低的工况，形成多点攻势，快速推进。

前述参数的设置与选用，下面做一些示例性展示，实际工程中可以根据情况，合理选择。

X的范围为20～30。X为先行洞爆破、掘进、支护的深度，为了与后行洞之间有足够的安全距离，因此设置为20～30m，具体选用根据围岩等级、隧道埋深、施工条件等确定，还可以随着不同隧道段落调整。

Y的范围为2～10。Y为1#导坑的首次掘进深度，当围岩等级较高时Y选用较小的值，当围岩等级较低时Y选用较大的值；考虑到支护模板的规格，更优选的范围是4.5～5.6。

Z的范围为0.6～1.2。Z为相邻导坑之间的深度差值，也是每个导坑单次掘进的深度，为了保证各个导坑的稳定，也避免对先行洞造成扰动，因此设置为0.6～1.2。

N大于40。N为先行洞二次衬砌所在位置领先1#导坑的深度，为了避免后行洞的导坑在爆破时对先行洞造成扰动和影响，设定了较大的安全距离，也即先行洞二次衬砌的深度领先1#导坑至少四十米。

L的范围为0.06～0.14。L为Z的公差，因为隧道施工必然存在一定误差，因此各个导坑单次掘进的深度或者说相邻导坑深度差值，并非严格控制在Z值，而是设定了一个合理的波动范围，在面对较低等级围岩时，公差范围还可以优选得设定为小于0.1。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

可以理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的组件或机构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明较佳的实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。