大跨度、浅覆土、小净距隧道锚微扰动开挖施工技术研究

 陈方东  丰月华  白雨东  郑国平

（1．浙江省交通规划设计研究院杭州  310006；

2．浙江公路水运工程咨询公司  杭州  310 014；

 3．浙江工业大学建筑工程学院  杭州  310014）

摘要  为实现浙江省官山大桥大跨度、浅覆盖、小净距隧道锚的微扰动开挖施工，文中采用有限元方法并结合施工组织及施工工效的比较，确定了台阶法在流纹斑岩等硬质岩体隧道锚开挖施工中的适用性。施工过程中采用分区爆破、合理选择爆破器材，以及动态调整爆破参数、开展监控量测等措施，实现了爆破能量精准发力。

关键词  隧道锚小净距微扰动施工

 悬索桥由于其强大的跨越能力而成为超大跨径桥梁的首选桥型。锚碇是悬索桥的主要承载结构之一，它的主要功能是将主缆张力传递给地基，目前常用的有重力式锚碇和隧道式锚碇，而隧道锚由于利用了岩体的抗剪强度，工程规模一般远小于相同承载力的重力式锚，因此具有巨大优势。

 隧道锚利用了锚碇与周边岩体的共同作用，即将主缆拉力通过索股传到混凝土锚塞体，再通过混凝土与隧道围岩相互作用传递给隧道围岩。鉴于其特殊的作用原理，目前对其研究主要集中在锚洞岩体的多方法协同勘察，锚碇系统及基岩稳定性分析技术研究；中夹岩变形规律及变形敏感度较高部位及关键时间节点分析；施工间安全监测及围岩稳定性的评价等方面。总体而言，国内悬索桥的建造历史较短，而采用隧道锚的工程案例更是屈指可数，因此，对其力学机理、施工工艺的研究还有待进一步深入。

 本文以浙江省岱山县官山大桥隧道锚为依托工程，介绍大跨度、浅覆土、小净距隧道锚的微扰动施工技术。

1工程概况

1.1锚洞及锚体结构设计

官山大桥是浙江省第一座采用隧道式锚定的悬索桥，大桥位于舟山市岱山县，是岱山县与大陆连岛工程的重要一步。主桥为210 m+580 m+180 m双塔单跨悬索桥，其中官山侧锚碇采用混凝土隧道锚，洞室轴向长度45. 045 m，前、后锚室长16. 395 m、1.65 m，锚塞体长27 m，前锚面洞室尺寸（含初期支护喷混凝土厚度）9. 86 m×10m（宽×高），顶部为圆弧形，圆弧半径为5.00 m;锚塞体前锚面单洞断面尺寸为9. 86 m×10 m，顶拱半径5 m;后锚面16. 292 m×16. 382 m（宽×高），顶部圆弧半径为8. 191 m，前锚室主缆中心线的水平角40。；锚体洞室的净距为16～9.508m。隧道锚总体布置见图1～3。

1.2工程地质情况

 锚体位于中、微风化流纹斑岩，岩质坚硬，发育陡倾节理裂隙，裂隙面紧闭，结合良好。地层深部分布有10～15 m厚流纹质角砾凝灰岩（含火山蛋），与流纹斑岩接触面产状为353。<40。，有扭曲，接触面处岩体性质相对较弱。

1.3工程特点及难点

 (1)断面大、倾角大，开挖断面积由前锚面的88 m 2变化到后锚面的239 m2，且倾角大，开挖及出碴困难。

 (2)埋深较浅，锚洞部分位于路面正下方，前锚面中心与路面间距约21.5 m，对覆盖层的保护尤为重要。

 (3)净距小，锚塞体尾部及后锚面左、右洞室之间净距逐渐变小，最小只有9. 508 m，属小净距开挖，中夹岩柱的保护非常重要。

 (4)锚体底标高为-8.2 m，位于海平面以下，存在海水通过基岩裂隙侵蚀锚体的可能性。

 因此，需要优化调整开挖方法及参数，采取更为精准、有效的爆破设计，减少对覆盖层、中夹岩的扰动，提高围岩整体完整性和密闭性，确保锚碇与周边岩体共同作用以及锚体的耐久性。

2  施工开挖方法及参数

2.1开挖方法的分析与比较

目前对于大跨度、浅埋、小净距隧道常用的施工方法有正台阶法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法。双侧壁导坑法及CRD法对地表及围岩的变形控制效果最好，但分块过小，施工难度大、施工速度慢，考虑到本隧道锚所处的围岩强度高、倾角大，不作考虑。重点针对CD法和台阶法，采用平面有限元数值分析方法对围岩稳定性、中夹岩柱受力、施工组织、施工工效等方面进行对比分析，见表1。

 可见，在中、微风化流纹斑岩岩体中隧道锚采用CD法和台阶法，围岩级中夹岩的塑性区范围、塑性变形值、收敛及拱顶变形均相差无几，而后者在施工组织和施工工效方面的优势明显，经综合分析采用台阶法，施工过程中遵守“弱爆炸、短进尺”的原则，可将对围岩及中夹岩柱的扰动降到最低，并通过加强上台阶拱脚锁脚锚杆、适当扩大拱脚等措施，确保了实际地表沉降量小于2 mm。

2.2施工参数的对比分析

对台阶法方案进一步拟定了2个施工参数方案，基于三维有限元数值仿真及施工过程力学理论，分析了不同台阶长度与循环进尺对隧道锚中夹岩柱的空间效应和时间效应。2种施工方案的参数及分析结果见表2。

 通过对2种工况下的拱顶下沉、底板隆起、中夹岩柱水平收敛变形及塑性区的分析对比，除塑性区范围相差较大外，其余均微乎其微。台阶长度的增加会很大程度增加塑性区范围，6m台阶开挖方案更利于后期隧道锚稳定。

2.3总体施工方案

 基于上述分析，对开挖方法作如下总体设计。

 (1)左侧锚体的掌子面滞后右侧锚体掌子面20 m。

 (2)锚体前14 m(中夹岩墙厚度16.O～12.6m)采用台阶法开挖，分上、下台阶，台阶长度6．Om，开挖循环进尺2.0 m。

 (3)锚体后13 m及后锚室(中夹岩墙厚度12.6～9.508  m)采用上、中、下3台阶开挖，从保护中夹岩柱考虑，台阶长度缩短为4m，开挖循环进尺缩短为1.5 m。

3爆破设计及振动校核

 洞室开挖时应采取可靠的工程措施，确保岩体完整性不被破坏。本文以锚塞体为例，介绍爆破开挖的施工方案。

3.1  横断面分区爆破方案

 锚塞体呈锥形，在钻孔时周边眼必须沿开挖轮廓线向外呈发散状，向外倾斜约8。，内圈眼与周边眼平行，以保证光爆效果，然后逐渐修正。在锚体前14 m采取与前锚室类似的双台阶开挖；锚体后13 m则采用上、中、下3台阶爆破，同时为了控制爆破振动速度，一方面掘进循环进尺调整为1.5 m，另一方面将中、下台阶分为左右2部进行开挖，以进一步降低爆破振动影响。各台阶及分块的爆破顺序如下：

 上台阶爆破一中台阶左部爆破一中台阶右部与下台阶左部爆破一下台阶右部爆破。同样，为了防止爆破时爆破地震波相叠加，将选择合适段号的连结雷管，确保爆破地震波降至最低。

3.2爆破器材选择

 根据隧道所穿越围岩的坚固性系数f，以及岩石纵波波速等，选用威力适中、匹配性好、防水性能好的2号岩石乳化炸药，雷管则选用国产II系列非电毫秒延期导爆管雷管，周边光面爆破采用专用的低爆速光爆炸药。

3.3掏槽方式选择

掏槽的作用在于为后续爆破创造临空面，目前常用直眼掏槽和斜眼掏槽，后者又称为楔形掏槽，即装药孔与开挖掌子面成一定角度，能充分利用原有的掌子面作为自由面实现掏槽爆破。因此，本隧道锚选择了斜眼掏槽方式，见图4。

3.4爆破临界振动速度选择

 以临界振动速度值作为爆破引起的建（构）筑物的破坏评判标准是目前国内外的通行做法。《爆破安全技术规程》( GB6722 - 2011)对交通隧道规定的爆破振动安全允许值为10～20 cm/s，鉴于隧道锚对于悬索桥整体结构安全的重要性，本工程将爆破振动安全允许值取为7 cm/s。

齐爆药量根据萨道夫斯基公式进行估算。

式中：Q为最大一段齐爆药量，kg；R为爆心至测点的距离，m; Vk。为允许的质点振动速度，cm/s;K为与地质条件、爆破方式、爆破条件有关的系数，中等硬度岩石取250～150;a为与传播途径、距离、地质和地形等有关的衰减系数，中等硬度岩石取1.5～1.8。

 按照分台阶、左右分部开挖锚塞体室的爆破方案，距离已经成型右侧锚塞体室最近距离为左侧锚塞体的底部爆破开挖，爆心距离右锚塞体中夹岩壁最近距离为17. 654 m，取K-180，a-1.5，Vk。取7 cm/s，计算得允许的最大一段齐爆药量Q=8.3 kg，大于斜眼掏槽的第一段齐爆装药量为4.8 kg。

 在前锚室爆破开挖阶段，通过现场爆破振动监测值反算拟合，得到满足实际施工地段的K值在155～165之间、a值在1.45～1. 55之间，也即岩质偏硬。进而根据所控制的振动速度标准调整最大一次齐爆药量值。

4施工监控量测

制定了洞内外观察、水平净空收敛、拱顶下沉、地表及边坡位移、底板隆起、锚杆轴力、爆破振动速度等监控量测项目。隧道轴向测点布置根据开挖后实际围岩性质、地质结构及施工方法而定，原则上每10 m布置一个断面。同一断面上，收敛变形及爆破振动、拱顶沉降和底板隆起测点均布置于侧墙、拱部、底板的中点。最终的监测值见表3。

 爆破振动速度测试点布置在后掘进隧道靠中隔墙位置，每个点布置1套振速测试系统（包括1个三向速度传感器，1台测震仪及配套设备）。爆破振动速度测试值绝大部分在预警值7 cm/s以内。

 锚杆轴力在左洞的最大值为7.1 kN，在右洞的最大值为10.7 kN，均小于设计拉拔力。另外，锚洞开挖到位后，岩壁未发现渗漏水，消除了海水通过基岩裂隙侵蚀锚体的担心。

 综上所述，可以认为锚洞围岩及中夹岩柱处于弹性变形、完整性良好，采用的施工开挖方案及爆破参数较好地实现了对大跨度、浅覆盖、小净距隧道锚的微扰动开挖。

5结论

 (1)根据有限元计算分析，在中一微风化流纹斑岩中采用台阶法开挖和CD法开挖，在围岩及中夹岩柱塑性区范围、内净空变形等方面的差别微乎其微，施工监控量测数据也证明了台阶法开挖所产生的变形值在合理范围内，而且施工工效大大提高。

 (2)通过上台阶斜眼楔形掏槽、中台阶和下台阶分区爆破、合理选择爆破器材，以及动态调整爆破参数等措施，实现了大跨度、浅覆土、小净距隧道锚微扰动施工，提高了围岩尤其是中夹岩柱的完整性，从而增强了隧道锚的整体稳定性和耐久性。

 (3)水平净空收敛量测、拱顶下沉量测、爆破振动速度等项目的监测值，对于掌握围岩动态及施工力学性能，了解支护结构在不同情况下的受力状态，及时改进施工参数及支护强度具有重要作用。