特大斷面IV類圍巖TBM拆卸洞室施工技術研究

劉錦良

（中鐵十八局集團三公司 河北涿州）

一、前言

我國自1997年在西康鐵路秦嶺隧道項目從德國引進兩臺TBM掘進機后，在鐵路隧道施工中相繼推廣使用TBM掘進機。TBM由于其在挖、裝、支護、運輸方面的集中優勢，目前代表著隧道機械化施工集成的最高水平，其應用前景較為廣闊。為提高TBM利用率，也是處于中國的國情，我國鐵路隧道在首次引進TBM掘進機時，就考慮了洞內拆卸方案，也就引入了TBM施工中拆卸洞這一名詞。拆卸洞室由于其斷面大，功能獨特，其施工難度極高。在此前的鐵路隧道施工中，我們有在極硬巖中成功實施的案例，但是在千枚巖中的嘗試是在西秦嶺隧道開始的。

二、工程概況

西秦嶺隧道右線DIyK403+375-+440為TBM拆卸洞。TBM拆卸洞設計為18.34×21.06 m（開挖斷面最大跨度×最大高度），蘑菇狀洞室部分開挖寬×高=18.34×8.68 m，直邊墻部分開挖寬×高=15.34×12.38 m；拱墻范圍內設I20b型鋼支撐，鋼架縱向間距0.6 m/榀，拱部錨桿間距1×1 m，長4 m，邊墻范圍內錨桿加強，間距1×1 m，長6 m，梅花形布置，兩側托梁下邊墻各增設2根錨桿加強，錨桿均采用R32N自進式錨桿并徑向注漿，漿液采用水泥漿。設Φ8 mm鋼筋網，網格間距20×20 cm，拱墻噴混凝土厚27 cm。洞室與TBM施工地段及鉆爆法施工地段襯砌斷面連接處設堵頭墻，堵頭墻初支噴砼厚27cm，橫向設I20b型鋼鋼架，鋼架豎向間距0.6 m/榀，每榀鋼架設6 m長R32N自進式錨桿鎖固，間距1 m，堵頭墻二襯采用100 cm厚的鋼筋砼，并與相鄰斷面處的結構鋼筋相互焊接、整體澆筑，以確保結構的整體性。拱墻襯砌采用鋼筋混凝土結構，厚度60 cm，主筋采用Φ22 mm鋼筋，間距20 cm，縱向鋼筋采用Φ14 mm鋼筋。

地質情況：IV級圍巖，現場揭示為下元古界砂質千枚巖，千枚狀結構，巖質較硬，節理較發育，層理發育，層間結合能力較好，自穩性較好，無水。拆卸洞具體尺寸見圖1所示，洞中設備效果圖見圖2。

三、施工方案比選

圖1 拆卸洞斷面圖

方案1，隧道掘進至距拆卸洞5～10 m處時，在普通斷面拱墻采用I16工字鋼架進行鎖口加固，鋼架間距1 m/榀。利用單線全斷面開挖臺架以≤30%坡度開始爬坡掘進中導洞（開挖斷面高9.4 m，寬6 m），拆卸洞中線處達到拱頂高程后，按照頂帽設計斷面尺寸進行擴挖成型，開挖支護至拆卸洞室大里程端頭。然后向小里程方向進行反向壓頂，完成拆卸洞頂帽部分開挖、支護，再進行拆卸洞頂帽部分襯砌施工；頂帽襯砌施工完畢后，進行洞身部分開挖，最后進行拆卸洞洞身部分襯砌施工。拆卸洞施工工序見圖3、圖4，圖中說明：1開挖支護1部；2反向開挖支護2部；3襯砌I部（拆卸洞頂帽部分）4開挖支護3部；5襯砌II部（拆卸洞洞身部分）。

圖2 洞中設備效果圖

圖3 拆卸洞施工工序縱斷面示意圖

方案2，隧道掘進至距拆卸洞10 m處，在普通斷面拱墻采用I16工字鋼架進行鎖口加固，鋼架間距1 m/榀。進入TBM拆卸洞后采用 6.35×9.5 m（寬×高）直邊墻斷面，開始朝線路外側逐步斜向開挖，在10 m長范圍內達到TBM拆卸洞的輪廓邊墻線。然后從拆卸洞小里程端退后16 m墊碴，以12.5%的坡度開始逐步向上爬坡，進入拆卸洞后沿線路外側設計開挖斷面邊線，繼續按12.5%的上坡進行挑頂開挖，線路外側邊墻可按設計施作初期支護，拱頂和另一側邊墻做好臨時初期支護。待小斷面拱頂高度達到拆卸洞上部蘑菇狀斷面范圍時，按照頂帽設計斷面尺寸進行擴挖一次成型并做好初期支護，施工至拆卸洞室大里程端頭后，利用該開挖臺架從拆卸洞的另一側按設計斷面向小里程方向進行反向開挖至拆卸洞小里程端。利用已有臺架對爬坡道一側反向壓頂，利用壓頂的碴石逐步將坡道墊高，完成整個拆卸洞的壓頂。待拆卸洞上斷面開挖完成后，對下斷面進行全斷面開挖一次成型，并完成初期支護。拆卸洞所有開挖支護完成后，進行TBM拆卸洞的襯砌施工，襯砌施工采用先邊墻后拱部。施工工序見圖5～圖6，圖中說明：1開挖支護1部；2反向開挖支護左側2部；3壓頂右側3部（坡道上部）4開挖支護下臺階4部；5襯砌邊墻I部；6襯砌拱部II部。方案比選見表1，通過對表1綜合分析并結合現場地質情況，采用方案2。

圖4 拆卸洞施工工序橫斷面示意圖

圖5 拆卸洞施工工序縱斷面示意圖

四、主要施工方案

1.開挖

側導洞：開挖斷面考慮到與TBM拆卸洞邊墻形狀相符，便于一次成型，設計為直邊墻。開挖斷面見圖7，開挖爆破參數見表2，爆破設計見圖8。

由于拆卸洞開挖斷面為蘑菇形，斷面大，拱部要預埋安裝起重機用的吊點，拱腳平臺要施作起重機走行軌的托梁對開挖輪廓線尺寸要求十分嚴格，尤其不能破壞拱腳平臺部分的圍巖，以免影響托梁基礎的承載能力。因此，在鉆眼爆破中，嚴格按設計控制好周邊眼的間距和裝藥密度，以減少超（欠）挖情況。拱部平臺部分，采用預留光爆層二次爆破成形的方法進行，最大限度地減少對托梁基礎部分的擾動和破壞。開挖作業時采用臺階法施工，先施工1（2）部，再施工3部、4部。

圖6 拆卸洞施工工序橫斷面示意圖

表1 方案對比表

（1）開挖爬坡導洞。為減小向上開挖的爬坡坡度，在TBM拆卸洞小里程端盡量上挑開挖，并從距拆卸洞小里程端頭16 m處開始墊坡，至拆卸洞位置時底部已抬高2 m，從拆卸洞小里程至大里程端以12.5%坡度爬坡（可用裝載機正常推行作業臺架和出碴），待爬坡洞頂部標高達到TBM拆卸洞吊車梁高程以上部位先于頂帽部分1～2組施工。拱墻部位使用兩部襯砌臺車（拱、墻各一部）施工，安裝組合鋼模板進行襯砌施工。邊墻部臺架采用型鋼制作骨架，兩側掛整時，根據拆卸洞拱部輪廓半側一次開挖成型。

表2 導洞鉆爆參數表

圖7 導洞開挖斷面圖

圖8 導洞鉆爆設計圖

（2）上臺階左側開挖。開挖導洞底部高程爬坡到仰拱填充頂面9.5 m時向左側橫向開挖，頂部按拆卸洞設計輪廓一次開挖成型。在每次爆破前，開挖臺架可沿爬坡道推至隧道正常斷面處，確保臺架的安全。

（3）對上臺階右側反向壓頂。上臺階左側開挖完成后，將右側坡道墊約6 m長平臺，利用裝載機將臺架推至平臺上進行鉆孔作業，開挖至拆卸洞小里程端。壓頂施工進入最后5 m時，為降低臨時臺階高度，避免所墊臺階將爬坡導洞堵死而造成通風困難，可將原開挖臺架改裝加高2 m。

（4）下臺階開挖。下臺階開挖時利用原有臺車采用左、右交替爆破的順序進行開挖施工，下臺階采用多孔少藥，逐層起爆方式進行爆破，以避免爆破后的飛石對拱部結構造成破壞。開挖后時澆筑底板40 cm厚砼。

2.襯砌

圖9 拱部襯砌臺車示意圖

拆卸洞室全部開挖支護完畢后，進行底板砼和二次襯砌施工。襯砌施工由拆卸洞小里程向大里程端進行，按照先墻后拱的施工順序，即先施工拆卸洞的邊墻砼，再施工頂帽部分砼。邊墻體鋼模板，采用液壓系統進行模板的上下左右整體移動，絲杠頂撐加固，采用鋪設固定軌道（鋼軌）臺架上安裝電動行走系統進行移動。拆卸洞兩端的擋頭墻砼應分別留到最后與普通斷面隧道襯砌一起施工，并應在拆卸洞大里程端最后1 m拱部環向預留連接筋以確保結構的整體性。

圖10 邊墻襯砌臺車示意圖

拱部襯砌臺車示意見圖9，邊墻襯砌臺車示意見圖10。

五、結語

在西秦嶺隧道右線拆卸洞施工中，開挖采用側導洞爬坡開挖至頂部，分部臺階法施工；襯砌采用拱部、邊墻兩部襯砌臺車，邊墻掛模襯砌，拱部臺車襯砌法，臺車臺架先墻后拱襯砌，可實現流水作業，機動靈活，加快了施工進度，確保了施工安全，并且取得了良好的經濟效益。