隧道穿越活動斷裂帶液壓破碎錘開挖施工技術(shù)

魏振偉 王建興

（中鐵二十五局集團第一工程有限公司 廣東廣州 510405）

1 前言

在國外的工程建設(shè)中，采用礦山法施工的隧道遇到硬巖采用機械臂鑿巖臺車進行鉆孔爆破，再采用全斷面開挖工法施工；如遇不良地質(zhì)及軟弱圍巖，一般進行高成本的周邊超前預(yù)注漿＋玻璃纖維錨桿進行全斷面加固，再進行全斷面開挖。

我國隧道施工比較注重成本和工效，國外應(yīng)用在硬巖全斷面開挖的機械設(shè)備，在我國也已經(jīng)開始應(yīng)用，而不良地質(zhì)圍巖大型設(shè)備高投入工法雖然效果良好但還是很難被接受。

國內(nèi)隧道施工中遇到不良地質(zhì)圍巖，開挖工法上多采用臨時仰拱、雙側(cè)壁、CRD等小斷面開挖法，在如何進行開挖方面也只提及采用機械＋人工或光面爆破，沒有在機械開挖方面給予更詳細、更具體的建議。

目前隧道應(yīng)用機械臂鑿巖臺車打孔爆破施工的應(yīng)用和文獻很多，而利用銑挖機和液壓沖擊破碎錘在隧道施工中雖有應(yīng)用，但相關(guān)文獻卻很少，說明這兩種機械設(shè)備在隧道應(yīng)用上還沒有成熟。

2 工程概況

成蘭鐵路紅橋關(guān)隧道位于四川省阿壩州松潘縣岷江河谷右岸，具有“四極三高五復(fù)雜”的典型特征，隧道全長3 197.77 m，最大埋深約410 m，屬高中山剝蝕地貌。岷江位于線路右側(cè)，岷江河谷深切，兩側(cè)橫向溝谷發(fā)育，地形起伏較大，地面高程2 950～3 510 m。在穿越岷江活動斷裂帶時，埋深39～187 m，圍巖松散、破碎、軟硬不均?，F(xiàn)場采用光面爆破開挖，爆破后對遺留巖體造成損傷，洞身周邊塑性區(qū)加大，超挖大部分在50 cm以上，造成開挖輪廓線不平順，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部掉塊或坍塌，噴射混凝土超方嚴(yán)重，時間越久，圍巖變形越大，施工風(fēng)險極高。如不采用爆破開挖，在斷層角礫夾炭質(zhì)板巖、砂巖的不良地質(zhì)中，巖石單軸抗壓平均強度一般在1.95～27 MPa范圍內(nèi)，介于軟石和次堅石之間，軟硬不均，挖掘機難有作為；隧道地表又有很多木質(zhì)結(jié)構(gòu)藏式建筑，因爆破振動對藏民房屋造成擾動，致使房屋和地面開裂，對社會造成不良影響。

3 對策研究

隧道開挖采用三臺階預(yù)留核心土法光面爆破開挖，根據(jù)現(xiàn)場情況，對造成圍巖變形、超挖、振動等問題從內(nèi)因和外因上進行綜合分析。內(nèi)部原因主要是有復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境條件、軟弱破壞的地層巖性、地下水的軟化效應(yīng)、不利的結(jié)構(gòu)面條件等因素。

外部因素上，隧道開挖前，巖體處于三向受力的高地應(yīng)力環(huán)境，為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。隧道開挖以后，巖體原有天然應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，一部分地應(yīng)力以變形能的形式釋放，另一部分則向圍巖深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生應(yīng)力重分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，并不斷調(diào)整以達到與當(dāng)前環(huán)境相適應(yīng)的新平衡狀態(tài)。開挖卸荷導(dǎo)致洞壁圍壓急劇降低，切向應(yīng)力增大而徑向應(yīng)力減小，引起應(yīng)力集中，并在洞壁上達到極限值。當(dāng)應(yīng)力水平超過巖體屈服強度和流變下限閾值時，引起圍巖塑性和粘性流動，產(chǎn)生隨時間而增長的變形，隨著變形不斷增加而圍巖進入粘塑性應(yīng)變軟化階段，長期強度值降低，又進一步加劇了隧道變形［1］。因此，工程擾動力為主要外部因素。

內(nèi)因很難改變，需從外因入手。外因除人為管理因素，主要包含爆破擾動和機械設(shè)備擾動。

目前隧道施工采用爆破方式開挖，爆破會造成圍巖損傷而增大圍巖變形，即便是目前最為先進的聚能光面水壓爆破技術(shù)也不能完全解決圍巖擾動破壞和地表建筑開裂問題，只能從機械破碎圍巖的方法進行研究，以減少超挖、減小圍巖變形。

4 機械設(shè)備選擇

經(jīng)過機械設(shè)備方面專家介紹和以往機械鑿巖施工經(jīng)驗，初選兩種設(shè)備，一種為銑挖機，利用挖掘機配橫向銑挖機頭；另一種為履帶式液壓單頭巖石破碎錘，利用挖掘機配破碎錘頭，選擇的直錘頭比三角錘略長、缸體略小、視線好，不易觸碰到鋼拱架。

（1）銑挖機

在試用銑挖機頭過程中，遇到強度較高的砂巖、板巖發(fā)生銑不動情況，切削鼓會向上飄，向上銑用不上力，速度緩慢。上臺階銑巖時，因挖機臂長限制，需挖除更多的核心土才能伸展到掌子面，造成掌子面不穩(wěn)。

（2）履帶式液壓單頭巖石破碎錘

因破碎錘應(yīng)用較廣泛，在松潘縣租賃1臺CAT320挖機配140錘頭，45 000元／月，在隧道內(nèi)試用。

破碎錘可對強度較高的砂巖、板巖沿節(jié)理面快速鑿碎，在隧道內(nèi)操作方便，開挖比較順利。

銑挖機振動小、噪聲低，對圍巖擾動小，銑下的物質(zhì)粒徑小且均勻，方便裝運［2］，但循環(huán)時間長，且遇到強度較高巖層出現(xiàn)銑不動情況。而破碎錘沒有這方面問題，且破碎頭長度（2.4 m）大于銑挖頭（1.2 m），不需挖除太多核心土。經(jīng)過研究比選，選定液壓沖擊破碎錘為機械鑿巖設(shè)備。

5 施工工藝

由于隧道洞內(nèi)空間較小，挖掘機及破碎錘受轉(zhuǎn)彎半徑和大臂伸展限制，上臺階拱腳及輪廓線外側(cè)等范圍難以觸及，現(xiàn)場采用減小核心土高度和寬度的方法來滿足設(shè)備使用條件。經(jīng)研究，選擇適合機械開挖的《隧道微三臺階上部核心土施工工法》［3］作為開挖方法。施工工藝流程如圖1所示。

圖1 履帶式液壓單頭巖石破碎錘施工工藝流程

（1）施工工序圖

履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工序透視圖如圖2所示，施工工序橫斷面如圖3所示，施工工序縱斷面如圖4所示。

圖2 施工工序透視圖

圖3 施工工序橫斷面

圖4 施工工序縱斷面

（2）施工步驟說明

第一步：挖掘機對掌子面進行扒渣，剝除噴射混凝土回彈料及松散巖土，露出原巖面后填筑中臺階平臺，作為破碎錘工作平臺。

第二步：破碎錘于中臺階平臺上對上臺階核心土①部位鑿除（見圖2），進而對上臺階②部位進行鑿巖作業(yè)；中臺階③、④部位鑿除小部分巖體，預(yù)留拱架安裝處的巖柱。因破碎錘無法鑿除上臺階拱架背后的死角，該部位圍巖利用挖掘機輔助開挖刀片進行處理，局部人工修整。同時，利用裝載機將鋼架運至上臺階核心土之上，進行拱架安裝，如圖5～圖7所示。

圖5 破碎錘上臺階鑿巖

圖6 隧道上臺階輔助開挖刀片開挖死角

圖7 上臺階鋼架安裝

第三步：破碎錘鑿除中臺階③、④部位巖體，一側(cè)與上臺階核心土平齊，一側(cè)預(yù)留2～3 m巖柱，同時安裝中臺階拱架，同步挖掘機在下臺階出渣。

第四步：下臺階出渣完畢后，破碎錘鑿除下臺階⑤、⑥部位巖體，一側(cè)與中臺階平齊，一側(cè)預(yù)留2～3 m巖柱，同時安裝下臺階拱架。因下臺階出渣量少，可將渣扒平作為機械設(shè)備通道。微三臺階開挖完成效果如圖8所示。

圖8 微三臺階開挖完成效果

第五步：隧底開挖。破碎錘在進行仰拱開挖時，可較好地控制超挖，使拱腳的弧形巖體得以保留。由于未對拱腳弧形圍巖造成破壞，圍巖結(jié)構(gòu)受力更好［4］。隧底初期支護封閉成環(huán)后至掌子面的距離為20～30 m。每循環(huán)開挖長度5.4 m（拱架間距0.6 m，開挖過程中如圍巖變形加大，可減少至3 m／循環(huán)），完成2個隧底開挖、支護循環(huán)后，一次施作仰拱襯砌10.4～11.9 m（根據(jù)襯砌臺車長度，與拱墻襯砌施作長度相同，保證施工縫對齊）。

6 效果驗證

（1）工序時間對比

在爆破開挖過程中，每循環(huán)時間在922～1 000 min范圍，平均950.4 min。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，每循環(huán)時間為895～964 min，平均929.2 min。

雖然時間上相差不多，但破碎錘鑿巖可減少對洞周圍巖的擾動及擾動深度，在一定程度上延長了圍巖失穩(wěn)破壞時間，為安全立架作業(yè)爭取了更多時間。上臺階在圍巖失穩(wěn)前已完成拱架安裝，中臺階可直接將拱架接腿落實，減少上臺階拱腳懸空時間。

（2）沉降觀測對比

在爆破開挖過程中，沉降觀測數(shù)據(jù)基本在251～369 mm范圍，平均310 mm。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，沉降觀測數(shù)據(jù)基本在13～28 mm范圍，平均15.5 mm。

（3）超挖對比

在爆破開挖過程中，超挖基本在25～70 mm范圍，平均47.5 mm。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，超挖基本在10～30 mm范圍，平均20 mm。

7 結(jié)束語

通過在紅橋關(guān)隧道穿越岷江活動斷裂帶施工應(yīng)用履帶式液壓破碎錘開挖，得出以下幾點結(jié)論：

（1）創(chuàng)造了良好效益

①減少圍巖變形，并確定出最佳預(yù)留變形量。根據(jù)監(jiān)控量測信息分析，在使用液壓破碎錘開挖施工工藝后，沉降觀測數(shù)據(jù)基本在13～28 mm（沉降數(shù)據(jù)大于收斂數(shù)據(jù)）。為保證初支不侵限，取觀測數(shù)據(jù)28 mm為基準(zhǔn)值（均取最大值），取初支平整度3 cm、鋼拱架加工誤差2 cm及安裝偏差5 cm、測量誤差2 cm，襯砌臺車加寬5 cm，合計為19.8 cm，按20 cm確定開挖預(yù)留變形量。

②減少了超挖，進而減少了噴射混凝土的時間和工程量，降低了成本、加快了施工進度。

③提高了圍巖裸露面的圓順程度，減小了圍巖失穩(wěn)和掉塊風(fēng)險。初支完成后，圍巖應(yīng)力均勻傳遞，保證整個初期支護體系的穩(wěn)定性。

④因?qū)Φ乇斫ㄖ飻_動減小，創(chuàng)建了良好的外圍施工環(huán)境。

（2）存在的問題

①破碎錘在隧道開挖作業(yè)時仍需挖機配合，機械本身功能單一。

②遇到弱風(fēng)化孤石仍需進行松動爆破。

③上臺階鑿巖作業(yè)極易觸碰到拱架，對司機操作技術(shù)和帶班人員水平要求高。

從總體效果看，隧道穿越活動斷裂帶采用液壓破碎錘開挖工藝具有一定的推廣價值。