高鐵軟弱圍巖隧道全斷面機械化掘進施工技術(shù)

黃文杰

(中鐵十八局集團 第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

引言

軟弱圍巖隧道施工時，由于圍巖受到擾動時容易產(chǎn)生相應(yīng)的變形，需要通過臨時加固辦法來限制該變形，從而確保隧道掘進安全[1]。在隧道凈空允許大型機械設(shè)備施工作業(yè)的條件下，通過對軟弱圍巖采取超前預(yù)加固辦法和防水舉措，提高軟巖的整體和局部穩(wěn)定，采取全斷面掘進方式，能有效降低對隧道周邊圍巖的擾動頻率，加快施工速度[2]。

本文以漢巴南鐵路圍巖等級大多為Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖的玉龍山隧道施工為例，通過采用超前中管棚并進行注漿，發(fā)揮GFRP纖維錨桿、DCP防腐錨桿初期支護和防水作用，對隧道內(nèi)進行超前預(yù)加固，并優(yōu)化隧道支護參數(shù)，使用三臂鑿巖臺車進行鉆孔爆破作業(yè)，實現(xiàn)全斷面機械化掘進，將質(zhì)量、進度、安全、成本投入等方面依次進行比較，闡明論證高鐵軟弱圍巖隧道全斷面掘進防水施工技術(shù)在本隧道項目的適用性。

1 工程概況

漢巴南鐵路玉龍山隧道位于四川省儀隴縣雙勝鎮(zhèn)，隧道總長度為3 342 m，為單洞雙線隧道，進口出口軌面高程相差10 m，出口軌面高程392.495 7 m。按照鉆探和區(qū)測資料分析，D2K90+347.5～D2K90+355段長度7.5 m圍巖級別為Ⅴ級；D2K90+355～D2K90+392段長度37 m圍巖級別為Ⅴ級。

掘進方式采用明挖法，考慮臨近上游明水渠及距離暗渠較近，采用弱爆破。截排水溝采用Ⅰ型和Ⅱ型。

2 超前預(yù)加固和防水方案優(yōu)化

2.1 拱頂超前中管棚加固和防水技術(shù)

在隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工中，為增強支護和防水效果，將中管棚超前支護方式代替原設(shè)計半徑為21 mm小導(dǎo)管超前支護方式，其中由無縫鋼管制成的管棚外半徑為45.5 mm，管棚壁厚為6 mm，中管棚縱向長度至少為20 m。洞身超前管棚通過2榀鋼拱架穿孔形式實現(xiàn)的管棚端頭支護固定。注漿壓力范圍為1.0～2.0 MPa，超前中管棚橫向剖面圖見圖1。

2.2 隧道掌子面加固和防水技術(shù)

施工時，按照隧道掌子面地質(zhì)和水文具體工況，采取“上臺階纖維錨桿[3]結(jié)合掌子面噴射改性聚酯纖維噴射混凝土”“纖維錨桿施工”等支護和防水新工藝。

2.2.1 “上臺階纖維錨桿注漿結(jié)合改性聚酯纖維噴射混凝土”防護和防水工藝

當隧道軟弱圍巖區(qū)域出現(xiàn)(小)股狀涌水現(xiàn)象，或出現(xiàn)軟質(zhì)巖順層偏壓區(qū)域，采用“上臺階纖維錨桿注漿結(jié)合改性聚酯纖維噴射混凝土”支護防水工藝，工藝示意圖見圖2。對應(yīng)掘進工法為全斷面/微臺階掘進。

圖2 纖維錨桿注漿結(jié)合噴射砼工藝縱向圖

改性聚酯纖維拌入到混凝土的具體設(shè)計參數(shù)要求：單絲長度范圍為6～20 mm之間，拉伸強度不少于400 MPa，直徑為40～50 μm之間，彈性模量不小于14 GPa。改性聚酯纖維混凝土施工要點：通過攪拌機把混凝土混合料和改性聚酯纖維均勻地進行拌和時，加入改性聚酯纖維的速度注意控制好，防止改性滌綸纖維出現(xiàn)粘連現(xiàn)象；進行噴射纖維混凝土濕式。為保證混凝土噴射效果，空壓機輸送的氣壓不能過高，注意控制噴射壓力。

2.2.2 纖維錨桿施工

玻璃纖維(英文簡稱GFRP)注漿錨桿能更有效地加固圍巖防止產(chǎn)生裂隙水，抗拉強度比較高，如掘進過程中隨掘進隨切割，更適合軟弱圍巖全斷面隧道機械化快速施工。應(yīng)用GFRP注漿錨桿對隧道掌子面進行預(yù)注漿起到加固核心土效應(yīng)，可采用全斷面法掘進，保證圍巖穩(wěn)定、施工安全的前提下可有效提高工程施工進度。

GFRP注漿錨桿密度變化不僅會改變掌子面圍巖的抗滑力，而且也會影響施工的注漿效果。從注漿加固最優(yōu)角度來看，GFRP注漿錨桿漿液擴散半徑最少要對掌子面前方掘進段可能擾動的圍巖進行加固，因為與圍巖的特性裂隙大小、滲水系數(shù)有關(guān)，也和錨桿性質(zhì)存在直接關(guān)系。不同的圍巖注漿最優(yōu)性能和相應(yīng)的GFRP注漿錨桿密度對應(yīng)，在合適范圍內(nèi)注漿錨桿密度大小和所提供的抗滑力成正比例關(guān)系，注漿錨桿密度越大掌子面加固效果越佳，圍巖加固后穩(wěn)定性更強。

GFRP注漿錨桿的技術(shù)參數(shù)設(shè)計為：當隧道圍巖等級為Ⅴ級時，掌子面超前預(yù)加固注漿錨桿型號為Φ22 mm，單根全長18 m，搭接長度為3 m。

2.3 洞身掘進方法

按照隧道機械化配套設(shè)備施工具體規(guī)范的規(guī)定，在確保隧道不塌方和施工安全的前提下，進行全斷面掘進時，按照1∶0.1進行放坡，并按照掌子面穩(wěn)定性監(jiān)測情況，對隧道進行預(yù)加固。

2.3.1 無仰拱全斷面掘進方式

當圍巖級別為Ⅲ級、Ⅳ級及Ⅴ級的時候，可采取無仰拱全斷面掘進方式，其橫縱斷面圖見圖3、圖4。

圖3 無仰拱全斷面掘進工序橫斷面圖

圖4 無仰拱全斷面掘進工序縱斷面圖

無仰拱全斷面掘進施工順序如圖3、圖4所示，隧道掘進依據(jù)圖中①、②的區(qū)域依次進行施工。對圍巖和初期支護變形進行實時監(jiān)控量測，如果工況保持穩(wěn)定以后，通過襯砌模板臺車對圖3、圖4中的Ⅴ部展開整體性澆筑襯砌(對于拱墻襯砌部分采取一次性施工方式)[4]，除此之外，將PVC注漿管及縱向排氣管在拱頂位置進行提前埋設(shè)。

假如澆筑的混凝土滿足規(guī)定強度要求，展開混凝土充填注漿施工操作。

2.3.2 帶仰拱全斷面掘進工藝

當圍巖級別為Ⅲ級、Ⅳ級及Ⅴ級的時候，也可采用仰拱全斷面掘進工藝，施工縱橫斷面圖(如圖5、圖6)所示。

圖5 帶仰拱全斷面掘進工序橫斷面圖

圖6 帶仰拱全斷面掘進工序縱斷面圖

帶仰拱全斷面掘進施工順序如下：①掘進依據(jù)圖中①、②、③區(qū)域依次展開施工。②混凝土灌注依據(jù)Ⅳ、Ⅴ區(qū)域展示施工。③其他工序參照全斷面無仰拱掘進工藝方法。

2.4 初期支護和防水

當隧道爆破、掘進、除險等工序結(jié)束后開展初期支護和防水工作。工序為：將巖面全部濕噴混凝土封閉→通過錨桿進行鉆孔并進行安裝→通過拱架安裝臺車架設(shè)鋼拱架→將鋼筋網(wǎng)進行鋪設(shè)→再次噴射混凝土直至設(shè)計要求。初期支護相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 初期支護相關(guān)參數(shù)一覽表

2.4.1 三臂鑿巖臺車鉆孔

在隧道掘進打眼時，將三臂鑿巖臺車(見圖7)施工技術(shù)與傳統(tǒng)人工鉆爆法進行比較，實踐證明無論是進度、光爆效果，還是安全質(zhì)量、綠色施工等方面優(yōu)勢明顯。

圖7 三臂鑿巖臺車

①施工效率高：三臂鑿巖臺車的鑿巖技術(shù)比較先進，不僅單孔鉆孔速度快，另外三臂鑿巖臺車能夠?qū)崿F(xiàn)三臂同步鉆孔，極大地提高鉆孔效率，研究發(fā)現(xiàn)，三臂鑿巖臺車比風動鑿巖機最多快1.2倍左右，隧道總體施工循環(huán)作業(yè)時間比傳統(tǒng)人工掘進方式節(jié)省近40%[5]，而且鉆孔定位比較精準，并有效降低技術(shù)員的勞動強度，極大地降低了施工成本。

②安全性高：三臂鑿巖臺車掘進鉆孔作業(yè)需要的施工技術(shù)人員大幅減少，另外與掌子面之間有一定安全距離，提高了施工人員的施工安全性。

③綠色施工：三臂鑿巖臺車與傳統(tǒng)氣腿式鑿巖機(簡稱風槍，人工作業(yè))相比，噪音很低，而且機械施工為液壓驅(qū)動，產(chǎn)生的尾氣、廢氣較少，降低隧道產(chǎn)生的粉塵，極大改善機械操作手的施工環(huán)境，減少職業(yè)病發(fā)生的風險。

④應(yīng)用性強：三臂鑿巖臺車能夠?qū)崿F(xiàn)隧道掘進鉆孔作業(yè)、隧道超前支護作業(yè)等。

2.4.2 DCP防腐錨桿

DCP型多重防腐錨桿系統(tǒng)為：將波紋塑料套管套在具有防銹功能的鍍鋅錨桿或涂樹脂的錨桿上，安裝錨桿的時候，通過球形注漿囊將水泥注漿體灌注，能夠?qū){液把錨桿自身和波紋塑料套管之前的孔腔進行有效填充，最大程度將水泥漿層的密封作用有效發(fā)揮，并發(fā)揮塑料套管隔離功能，避免錨桿體受到隧道滲水的侵蝕。

DCP防腐錨桿工藝流程為：在隧道里進行測量布孔→通過三臂鑿巖臺車進行鉆孔(另外在現(xiàn)場準備好DCP防腐錨桿)→清孔處理→借助墊板把錨桿套進→將鉆孔插入→有效調(diào)整墊板角度→安裝螺母→擰緊螺母→注漿→結(jié)束DCP防腐錨桿施工。如圖8所示。

1.錨桿主體；2.塑料套管；3.鋼質(zhì)漲殼錨固構(gòu)件；4.球形注漿囊；5.墊板；6.螺母；7.圍巖；8.錨桿孔。

①量測并進行孔位布置。初噴后，按照設(shè)計要求在噴射混凝土面標定孔位。

②鉆錨桿孔并清孔。在隧道掌子面通過三臂鑿巖臺車依據(jù)事先標注的孔位進行鉆孔，直至滿足深度要求，DCP防腐錨桿鉆孔孔位誤差要求不超過150 mm。完成錨桿鉆進以后，通過高壓氣對鉆孔進行反復(fù)沖洗，將孔內(nèi)積水、細小雜物以及巖渣徹底吹干凈。

③準備好DCP防腐錨桿。第一步把塑料波紋套管順著螺紋旋入到錨桿注漿囊尾端，接著把錨桿體穿入到套管，然后從注漿囊穿出約100 mm，最后將套管端的錨桿體向上以旋轉(zhuǎn)的形式進入到EX鋼質(zhì)漲殼錨固件之中。

④套上墊板后插入錨桿孔。將現(xiàn)場安裝好的錨桿部件插入鉆孔中，通過沖擊將漲殼部件漲開。

⑤調(diào)整墊板角度，旋入螺母調(diào)整墊板，使墊板上的槽型孔對準注漿囊上的注漿孔，旋入螺母。

⑥通過扭力扳手將螺母旋緊，然后施加預(yù)應(yīng)力，最后進行注漿。

2.4.3 鋼筋網(wǎng)片安裝

鋼筋焊接前首先確保鋼筋表面無油漬、漆污，加工過程中抽檢鋼筋網(wǎng)片的平整度、網(wǎng)格間距和焊接質(zhì)量，并保證鋼筋的質(zhì)量，鋼筋表面無明顯壓痕或折痕現(xiàn)象。

加工區(qū)加工成型的鋼筋網(wǎng)片必須及時進行轉(zhuǎn)移，嚴禁加工區(qū)隨意堆放，需運送到加工廠成品區(qū)指定位置進行碼齊堆放，形成流水作業(yè)。因為鋼筋網(wǎng)焊接采用電焊方式，加工和轉(zhuǎn)運需輕拿輕放，避免鋼筋網(wǎng)片變形和開焊。鋼筋網(wǎng)片運送到施工作業(yè)區(qū)也應(yīng)上蓋下墊避免潮濕的環(huán)境，防止銹蝕和污染。

鋼筋網(wǎng)片焊接質(zhì)量、搭接長度、安裝位置等應(yīng)嚴格按照施工標準進行施工。

2.4.4 鋼拱架機械化施工

如圖9所示的拱架安裝機作業(yè)時，為降低拱架接頭數(shù)量，加快施工進度，將原設(shè)計鋼拱架進行優(yōu)化，7榀拱架減少為5榀拱架，鋼拱架接頭處必須設(shè)置系統(tǒng)錨桿，能夠作為固定鋼拱架的專用錨桿。采取全斷面掘進時，在隧道邊墻腳通過2根鎖腳錨桿進行固定，圍堰等級為Ⅳ級時，半徑21 mm鎖腳錨桿長度為4 500 mm，圍堰等級為Ⅴ級時，錨桿長度為6 000 mm。

圖9 鋼拱架安裝機

鋼拱架縱向連接鋼筋和鋼拱架連接方式原設(shè)計為焊接形式，為了切實提高鋼拱架縱向穩(wěn)定性，本項目在鋼拱架腹板上，采取套筒連接形式。完成鋼拱架安裝以后，把縱向連接鋼筋彎頭插入套筒中。

2.4.5 機械化濕噴技術(shù)

采用機械化濕噴機械手技術(shù)作業(yè)時注意事項：

①噴射時分段長度不宜過長，保證噴射順序，減少混凝土未初凝前脫落現(xiàn)象。

②為降低濕噴混凝土回彈率，按照現(xiàn)場圍巖工況，對噴嘴與隧道作業(yè)面的角度時刻調(diào)整確保垂直。噴射混凝土時應(yīng)按照圍巖超欠工況調(diào)整噴錨厚度，保證噴錨面平整。

③按照噴射混凝土的回彈工況和混凝土密實工況適當調(diào)整風壓。

④按照現(xiàn)場具體圍巖等原因進行速凝劑添加量和噴射混凝土參數(shù)調(diào)整。

3 機械化全斷面掘進與臺階法掘進的對比

3.1 臺階掘進法的優(yōu)缺點

優(yōu)勢：①采用上下臺階法、三臺階法等臺階法，將大斷面分成上下臺階、三臺階等小斷面施工，當隧道上部完成掘進支護以后，有效確保下部作業(yè)的安全性，降低了施工作業(yè)的風險；②臺階掘進法總體投入的設(shè)備資金不高。

劣勢：①上下臺階法、三臺階法等臺階法掘進時，圍巖擾動次數(shù)增加；②采用臺階法時隧道作業(yè)面空間小，不利于三臂鑿巖臺車等大型機械施工；③存在一定安全隱患，不能及時止水。

3.2 全斷面掘進工藝優(yōu)缺點

優(yōu)勢：①全斷面掘進工藝是施工作業(yè)空間比較大，利于三臂鑿巖臺車、拱架安裝機等大型設(shè)備調(diào)度施工，加快施工速度；②優(yōu)化施工環(huán)境，保護操作手的健康；③確保隧道掘進斷面快速成型；④能夠降低掘進對圍巖的干擾頻率，促進隧道圍巖自身承載拱力的有效形成，能快速支護和防水，簡化了施工工序。

劣勢：①投入大，機械費用高；②如果軟弱圍巖超前支護和預(yù)加固不夠，全斷面掘進時，存在極大的安全隱患。

結(jié)語

針對漢巴南鐵路玉龍山隧道，在軟弱圍巖地質(zhì)條件下，采用全斷面機械化掘進方法，發(fā)揮GFRP纖維錨桿、DCP防腐錨桿對隧道軟弱圍巖掌子面初期支護加固作用，輔助使用三臂鑿巖臺車、拱架安裝機進行支護作業(yè)，實踐證明該施工方法起到很好的支護和防水效果，確保安全掘進，具備一定可行性及適用性，值得推廣。