鐵路山區(qū)隧道軟弱圍巖全斷面機械化開挖技術

張 勇

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

人工成本越來越高，鐵路、公路、市政等基礎設施建設領域逐漸提高了機械化施工水平。地鐵隧道盾構法技術先進，配套設施齊全，工藝成熟。而鐵路山區(qū)隧道TBM法受圍巖類型、隧道斷面、長度、施工成本等影響，推廣應用緩慢，在全斷面隧道開挖中較少采用。

鐵路山區(qū)隧道開挖仍以鉆爆法為主，機械化水平較低，施工風險較高。為此，以鄭州至萬州高速鐵路蘇家?guī)r隧道為依托，研究軟弱圍巖全斷面機械化開挖技術，并與兩臺階鉆爆法進行對比分析，為全斷面隧道開挖提供新的解決方案。

1 工程概況

蘇家?guī)r隧道為雙線高速鐵路隧道，位于湖北省襄陽市保康縣黃堡鎮(zhèn)境內，中心里程DK480+760，全長5 360m，最大埋深439m。隧道設計縱坡坡度25‰，19.7‰的單面上坡，開挖斷面面積147.4m2(Ⅳ級圍巖)，鋪軌后軌頂以上凈空面積99.13m2，屬典型全斷面隧道。

隧道地處荊山山脈，屬構造侵蝕剝蝕中山地貌區(qū)。隧址區(qū)位于揚子準地臺一級構造單元北緣上揚子陸塊褶皺帶內，本區(qū)地層倒轉，洞身頂部以奧陶系中下統(tǒng)寶塔組灰?guī)r、頁巖互層為主，其下為志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁巖夾砂巖，再下為志留系下組新灘組砂質頁巖，洞身段主要在新灘組穿過。

洞身左側存在順層偏壓，隧道巖層走向與線路走向夾角<30°，洞身附近基巖為砂質頁巖、頁巖夾砂巖等軟質巖。隧道設計正常涌水量為9 286m3/d，最大涌水量為23 216m3/d，隧道洞口段為Ⅳ，Ⅴ級軟弱圍巖。

2 機械化開挖配套設備

將隧道施工區(qū)域分為超前支護區(qū)、開挖區(qū)、初期支護區(qū)、二次襯砌區(qū)。超前支護區(qū)機械化開挖配套設備包括注漿臺車、鑿巖臺車，開挖區(qū)機械化開挖配套設備包括運渣車、裝載機、挖掘機、鑿巖臺車，初期支護區(qū)機械化開挖配套設備包括混凝土濕噴臺車、鋼架安裝臺車、鑿巖臺車，二次襯砌區(qū)機械化開挖配套設備包括溝槽模板臺車、自動養(yǎng)護臺車、襯砌臺車、防水板、鋼筋作業(yè)臺車、自行式仰拱棧橋。目前，隧道襯砌、初期支護實現了機械化施工，為此，重點研究軟弱圍巖超前支護區(qū)、開挖區(qū)機械化作業(yè)。

3 機械化開挖技術

本工程隧道軟弱圍巖主要采取以下機械化開挖技術：①長管棚超前支護，以提高圍巖整體性；②封閉掌子面，并采用纖維錨桿加固，以提高掌子面自穩(wěn)性；③采用脹殼式預應力中空錨桿代替普通中空錨桿和砂漿錨桿，以減小開挖后圍巖變形。

3.1 長管棚超前支護

長管棚超前支護工藝流程如下：測量放樣→鑿巖臺車就位→鉆孔及接長鉆桿→鉆桿分節(jié)退出、卸下→驗孔→鑿巖機安裝長管棚推進器(長管棚加工)→頂進鋼管→移位下一孔→頂管完成→注漿機具準備→長管棚注漿→注漿驗收。

采用熱軋無縫鋼管作為長管棚導管，管壁鉆注漿孔，孔徑10～16mm，孔間距20～30cm，呈梅花形布置，尾部留150cm不鉆孔止?jié){段。長管棚外徑分別為60，76，89，108mm，壁厚6mm。長管棚外徑、長度根據圍巖破碎情況和類別等選擇(見表1)。

表1 長管棚支護適用范圍

洞內管棚鉆進時，采用2臺三臂鑿巖臺車同時鉆孔。鉆孔外插角度為1°～10°，根據實際情況調整。導管環(huán)向設置間距根據地層性質、圍巖類別等確定，一般Ⅳ級圍巖按50cm/環(huán)設置，Ⅴ級圍巖按40cm/環(huán)設置。鑿巖臺車開孔時鉆速宜小，鉆進部分深度后轉入正常鉆速。換鉆桿時，檢查鉆桿是否彎曲、有無損傷、中心水孔是否暢通等，不符合要求時應立即更換，以確保正常作業(yè)。送管前根據管棚長度進行鋼管下料，保證鋼管接入后接頭不在相同斷面上。利用三臂鑿巖臺車將鋼管頂入，頂入時需緩慢、平穩(wěn)，并隨時掌握頂進方向，避免將鋼管頂彎。送管完成后，外露鋼管口應通過鋼板焊接封堵。鋼板中間焊接注漿用φ25mm鋼管，并安裝球形或其他形式的止水閥門。

鉆孔注漿時，根據地質情況調整注漿參數和注漿工藝，嚴格控制注漿結束標準，保證注漿效果與質量。水泥漿或水泥砂漿強度等級不低于M20，當圍巖破碎、地下水發(fā)育時，為滿足調凝需要，可部分采用硫鋁酸鹽水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿，漿液強度等級不低于M10。注漿時可在漿液中摻加染料，隨漿液一同注入，便于在掌子面取芯試驗時觀察圍巖情況。

3.2 掌子面處理

軟弱圍巖掌子面存在坍塌風險，噴射混凝土封閉掌子面，并采用玻璃纖維注漿錨桿穩(wěn)定掌子面。玻璃纖維注漿錨桿抗拉強度高，可替代鋼材，以有效加固掌子面；抗剪強度低，開挖過程中錨桿無須拆除，方便機械化快速施工。采用玻璃纖維注漿錨桿加固后，圍巖自穩(wěn)高度大于開挖臺階高度。

掌子面注漿加固搭接長度應大于坡面破裂長度，玻璃纖維注漿錨桿長度與掌子面注漿長度應一致。結合現場地質、超前地質預報及監(jiān)控測量情況，Ⅳ級圍巖掌子面局部或上斷面超前預加固采用φ22mm玻璃纖維注漿錨桿，長度≥9m；Ⅴ級圍巖掌子面局部或上斷面超前預加固采用φ25mm玻璃纖維注漿錨桿，長度≥12m。

玻璃纖維注漿錨桿布置密度不僅影響掌子面圍巖抗滑力，且影響注漿效果。玻璃纖維注漿錨桿布置密度越大，其提供的抗滑力越大，掌子面越穩(wěn)定。根據圍巖情況調整玻璃纖維注漿錨桿布置密度，當圍巖條件較好時，在掌子面均勻布置9～15根玻璃纖維注漿錨桿；當圍巖破碎、存在突水突泥情況時，適當加密玻璃纖維注漿錨桿，錨桿環(huán)向間距為1.5～2.5m。

玻璃纖維注漿錨桿鉆孔、注漿與普通砂漿錨桿和中空錨桿工藝相同，無特殊要求。

3.3 洞身開挖

三臂鑿巖臺車具有鉆孔、裝藥、爆破、撬毛、處理欠挖等功能，是洞身開挖主要施工設備。鑿巖臺車就位后，按測量放樣結果和爆破順序等鉆孔。鑿巖臺車鉆孔前的測量、鉆孔順序、鉆孔效果等基本與人工鉆孔相同，鉆孔完成后的裝藥、爆破、排煙等與兩臺階鉆爆法相同。

通過鉆孔深度控制循環(huán)進尺，避免大開挖引起塌方。Ⅳ級圍巖循環(huán)開挖進尺不大于3榀鋼架間距，Ⅴ級圍巖循環(huán)開挖進尺不大于2榀鋼架間距。仰拱開挖前完成鋼架鎖腳錨桿施工，洞身開挖過程中，根據圍巖監(jiān)控測量結果調整開挖進尺。

3.4 初期支護施工

初期支護拱部系統(tǒng)采用脹殼式預應力中空錨桿施工，錨桿與長管棚、鋼拱架、噴射混凝土等形成圍巖自穩(wěn)體系，控制圍巖變形，應盡快施工二次襯砌。

初期支護施工工藝流程為：測量布孔→鑿巖臺車鉆孔，同時現場預裝配錨桿→清孔→桿體推送入孔→調整墊板角度，旋入螺母→擰緊螺母，施加預應力→插入注漿管并注漿→噴射混凝土至設計厚度。

擰緊螺母、施加預應力前，脹殼式預應力中空錨桿施工工藝與普通砂漿錨桿相同。桿體推送入孔后，在外露端安裝墊板，調整墊板角度后旋入螺母。使用風動扳手將螺母旋緊，錨桿尾部脹殼錨固頭隨之脹開，完成圍巖錨固，并施加預應力。

注漿時應使用錨桿專用注漿泵，不宜使用普通注漿泵，以確保漿液注滿孔體，水灰比可控制為0.4∶1，注漿壓力控制為0.3～0.8MPa。注漿時注意將錨孔中的氣體排出，保證注漿效果，增加脹殼式預應力中空錨桿與孔壁間的摩擦力。

4 機械化開挖與兩臺階鉆爆法對比分析

4.1 施工工藝

機械化開挖與兩臺階鉆爆法在圍巖監(jiān)測、裝藥爆破、出渣等方面工藝相同，不同之處主要為：①對超前支護要求不同 三臂鑿巖臺車要求有較大的工作面，因此不適用于兩臺階鉆爆法開挖，僅適用于全斷面開挖，而軟弱圍巖全斷面開挖對超前支護要求更高；②對圍巖變形控制要求不同 機械化開挖技術更重視流水作業(yè)與圍巖變形控制，以便快速施工二次襯砌；③對設備要求不同 機械化開挖技術增設了具有多種功能的三臂鑿巖臺車，取消了掌子面開挖臺車、風動鑿巖機、空氣壓縮機和供風管道。

4.2 施工成本

1)超前支護成本

機械化開挖技術采用長管棚超前支護，施工成本為160～230元/m(單價與外徑有關)。兩臺階鉆爆法采用小導管超前支護，施工成本約41元/m，可知機械化開挖技術超前支護成本較高。

2)掌子面支護成本

兩臺階鉆爆法對掌子面封閉要求較低，僅在局部圍巖破碎帶噴射混凝土，無須施工玻璃纖維注漿錨桿，而機械化開挖技術增加了掌子面支護材料成本。

3)初期支護成本

機械化開挖技術采用的脹殼式預應力中空錨桿單價高于兩臺階鉆爆法采用的中空錨桿或砂漿錨桿，增加了材料成本。

4)開挖成本

經22個月現場記錄，采用機械化開挖技術后，Ⅳ類圍巖平均開挖進度為83m/月，Ⅴ類圍巖平均開挖進度為64m/月，可知機械化開挖技術施工效率較高。機械化開挖技術使用了大量施工機械，Ⅳ類圍巖開挖基價為69.2元/m3，Ⅴ類圍巖開挖基價為94.6元/m3；而兩臺階鉆爆法施工Ⅳ類圍巖開挖基價為34.1元/m3，Ⅴ類圍巖開挖基價為37.2元/m3，可知機械化開挖技術開挖成本高于兩臺階鉆爆法。

5 結語

1)蘇家?guī)r隧道Ⅳ，Ⅴ級軟弱圍巖采用全斷面機械化開挖技術，該技術成熟、可靠，施工進度優(yōu)于兩臺階鉆爆法，但不具成本優(yōu)勢。因此，全斷面機械化開挖技術工藝、配套設備等有待進一步優(yōu)化，使機械化優(yōu)勢全面體現。

2)三臂鑿巖臺車開挖減少了施工人員數量，降低了勞動強度和施工風險。鑿巖臺車開挖采用電力作為動力，與風鉆相比，噪聲較小，大大減小了噪聲對人體的傷害。