隧道預切槽開挖技術應用前景分析

李 斌

(中鐵五局集團有限公司 湖南 長沙 410007)

縱橫交錯、四通八達的高速鐵路、高速公路網(wǎng)絡不斷提升物流運輸速度，改善了人們快速出行的需求，而作為交通運輸系統(tǒng)最基本組成單元的隧道工程正向著深埋、超長、超大斷面發(fā)展，穿越地層越來越復雜多變，對建造技術的要求越來越高；同時，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和物質(zhì)文化生活水平的提高，人海戰(zhàn)術、肩背手扛的傳統(tǒng)施工作業(yè)方式逐漸被淘汰，隧道開挖、支護作業(yè)人工成本越來越高、勞動力越來越難找；隧道施工，尤其長大隧道、高寒高海拔隧道施工正朝著機械化、智能化方向發(fā)展，隧道行業(yè)不斷探索出全機械化配套開挖、盾構開挖、TBM開挖方法，預切槽隧道開挖技術又再次提上議事日程。

預切槽隧道開挖技術始于1950年美國一個大壩工程的隧道施工，70年代后在法國Fontenay-sous-Bois、Fontenay、Sceaux、Saint Germain等隧道工程施工中得到進一步發(fā)展之后，預切槽隧道支護技術逐漸發(fā)展成為一種應用比較廣發(fā)的施工工藝。預切槽技術主要用于軟巖隧道、地面環(huán)境復雜、地表沉降控制嚴格的地區(qū)。

一、預切槽技術的基本原理及工藝流程

預切槽法的基本原理是沿隧道開挖輪廓線預先切割出一條有限厚度的溝槽，同時向溝槽內(nèi)灌注混凝土，以構成連續(xù)的超前預筑拱或支護襯砌結構，以減少開挖過程中周邊地層的變形和位移，保證掌子面的穩(wěn)定；減小地表、上伏建構筑物的沉降。

預切槽技術工藝概要為：在掌子面開挖前，用特制的機械切刀沿斷面周邊連續(xù)切割出一條寬約數(shù)十厘米、深數(shù)米的窄槽；在切槽內(nèi)灌注混凝土，以形成一個連續(xù)的、起預先支護作用的混凝土拱殼，必要時還需要加設拱架對預筑拱進行加固，然后在其支護下進行工作面的開挖作業(yè)。

二、國外預切槽設備及技術的發(fā)展

預切槽技術的核心是切槽和灌注混凝土。上世紀70年代起，法國等國研制出了基于拱架作業(yè)平臺的整臺機械安裝在導軌上，為預切割上導坑而設計的第一代預切槽機；為滿足全斷面開挖而設計的第二代預切槽機；切頭安裝在滑槽中以便能獨立于整個架構運動，滑槽的位置可根據(jù)切槽半徑以及切槽與隧道軸線的傾角來確定的第三代預切槽機；用于約30座隧道的建造。

除了拱架式預切槽機械外，法國、意大利等國還研發(fā)了軸心式預切槽機械，這種機械的特點是有一個轉動臂，可以繞軸心旋轉，且旋轉的半徑可調(diào)，這樣就可以適應在一定范圍內(nèi)不同洞跨的隧道要求，相比拱架式機械，這種機械更為靈活。

日本從上世紀80年代初期開始研發(fā)預切槽技術，研制的New PLS曲線形鏈鋸切槽機，在北陸高速公路名立隧道現(xiàn)場進行了實際工程試驗，取得了大量的試驗數(shù)據(jù)，驗證了該工藝的工程可行性。

New PLS預切槽機

New PLS機作業(yè)示意圖

國外的預切槽機主要有拱架式和軸心回轉式兩種，均采用鏈鋸切槽，拱架式切槽深度一般小于5m，切槽厚度為7.5～35 cm；軸心回轉式切槽深度最大可達12 m，切槽厚度最大可達1.2m。

三、我國預切槽技術的應用

90年代初，鐵道建筑研究設計院在土質(zhì)和軟巖隧道開展預切槽工藝技術研究，通過預切槽機鏈鋸式工作頭性能考核試驗和工作參數(shù)測定，得出鏈鋸式工作頭可以滿足隧道預切槽工作性能要求的結論，測定了工作頭適宜的切削速度和環(huán)向給進速度。近年來，中鐵建重工等單位從切槽機械、切槽工法、混凝土灌注方面開展了一系列研究。

(一)中心軸式預切槽機

2014年，中鐵建重工研制的第一臺中心軸式預切槽機在寶蘭客專洪亮營隧道開展工業(yè)化試驗。中心軸式預切槽機由自行式框架結構機架、鏈式切刀、自行排渣系統(tǒng)、同步灌注混凝土系統(tǒng)組成，有同步切槽灌注和分段切槽灌注兩種施工工況。

中心軸式預切槽機

(1)同步切槽注漿

自拱腳一側施作開口切槽-退出切刀-安裝滑模、連接注漿管-切刀、滑模推入開口槽-切口槽注混凝土-切槽并同步注混凝土-至另一側注混凝土并初凝-退刀、注混凝土封孔。

優(yōu)點：切槽、注混凝土同步、連續(xù)、高效。缺點：混凝土等強時間長，工序占關鍵線路時間，要求混凝土具有較高的早強性能和良好的流動性。

(2)分段切槽注漿

將掌子面分為若干段進行切槽，噴混凝土作業(yè)落后切槽一個分段，如此間隔作業(yè)直至整個循環(huán)完成。

優(yōu)點：工藝簡單，對混凝土無特殊要求，開挖等待時間較短，施工普遍性廣。缺點：每一段都是切槽完成且切刀退出空槽后再噴填混凝土，切刀多次進退占用時間較多，且對圍巖的擾動頻繁，易造成坍塌；切槽深度不能太大，一般不超過5m。

工業(yè)化試驗結果：在黏質(zhì)黃土中成槽穩(wěn)定性好，但在砂質(zhì)黃土中成槽保持時間就較短；切槽機切灌一體化不能得到很好的解決，同時噴混凝土系統(tǒng)易堵管；最終槽段的穩(wěn)定性、預襯切的質(zhì)量與噴混凝土的及時性、密實程度、槽段大小及劃人方式等都有非常密切的關系。

(二)直進式預切槽機

直進式預切槽技術是液壓掘進箱(帶掘進鉆頭的金屬箱體)沿著隧道輪廓線縱向掘進，螺旋切土、出土，液壓靜力頂進；退刀過程通過導管同步壓灌混凝土，輔以附屬機具在混凝土中插入鋼筋或型鋼。

工業(yè)化試驗結果：一次成模寬度為0.98m，厚度0.4m，施工長度為10m。槽體能夠及時回填，穩(wěn)定性好；具有加筋功能；設備構造簡潔，易操作，且體積較小，能耗較低，對后步施工影響較小。但存在槽口混凝土不能有效封填堵，碴土不能有效收集，槽段間不能有效連接。

(三)拱架式預切槽機

2015年中鐵建重工研制首臺拱架式預切槽機，并在蒙華鐵路郝窯科隧道進行應用試驗。拱架式預切槽機由行走機構、拱架、鏈刀、混凝土灌注系統(tǒng)等部件組成。施工模式為切槽機環(huán)向分區(qū)切削成槽，噴灌混凝土滯后切槽一個分區(qū)平行作業(yè)。

拱架式預切槽機現(xiàn)場作業(yè)圖

拱架式預切槽施工順序圖

預切槽機切灌施工順序：切削1部—切削2部—噴灌1部—切削3部—噴灌2部—切削4部—噴灌3部—切削5部—噴灌4部—切削6部—噴灌5部—切削7部—噴灌6部—噴灌7部完成。

切削作業(yè)：鏈刀推進至切槽深度后自上往下切削土體形成槽腔，1-6部切削時自上往下切削，第7部自右往左或自左往右切削。

噴灌作業(yè)：噴灌方向與切削方向正好相反，1-6部自下往上噴灌，第7部左右往復噴灌。

接薦與拉毛：每段切削時對已成型段回切10cm形成V形接榫，在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果；同時鏈刀上鋼絲刷將虛渣清除至槽外，噴灌前用高壓風管清理搭接面。

切槽施工參數(shù)：切槽深度3.5m、厚度0.3m、搭接長度1m、一次開挖長度2.5m。

噴灌施工參數(shù)：C30早強早凝混凝土，噴灌混凝土泵送壓力為10～12MPa，空氣壓力為0.8MPa，速凝劑壓力為1MPa。

試驗結果：可以實現(xiàn)切槽與噴灌平行作業(yè)，相互干擾小；噴灌完成后至少19h強度才能達到10MPa，預襯砌混凝土等強時間長；設備占用空間大；槽壁無支護暴露時間仍較長，槽壁易坍塌；分區(qū)接頭位置混凝土接薦質(zhì)量差，易造成接茬面強度不足。

(四)槽內(nèi)混凝土問題研究

為了滿足預切槽法對槽內(nèi)混凝土快硬早強的特殊要求，不僅需要提高混凝土原材料的技術要求，還需要結合隧道洞內(nèi)空間狹小的特點對混凝土灌注設備進行研發(fā)與改進，工作難度較大。

四、預切槽技術發(fā)展的瓶頸

盡管預切槽技術在法國、意大利等國得到了應用，但預切槽機卻始終沒有像盾構機那樣進入商品化，預切槽技術還需要解決一系列技術難題。

1.預切槽鏈刀需要有足夠的剛度和切割防振要求，制造技術還不夠成熟，導致設備體量大、能耗高，對后步工序交叉影響大，設備優(yōu)勢不明顯。

2.槽內(nèi)出土設備研制跟不上，切槽后槽內(nèi)土方不能及時、徹底清除干凈。

3.目前研制出的各種預切槽技術均不能實現(xiàn)與切槽同步平行灌注混凝土，切割后無支護、長時間暴露的土槽空間易坍塌，富水或流沙地質(zhì)不易成槽。

4.槽內(nèi)混凝土灌注難度大，槽口混凝土不易封堵，灌注混凝土后等強時間過長，不利于加快隧道掘進作業(yè)循環(huán)。

5.槽間接頭處理難度大、效果差，形成的拱殼質(zhì)地不均、整體性差，尤其含水地層內(nèi)不能有效止水。

五、預切槽技術的發(fā)展及應用方向

國內(nèi)外預切槽技術的研發(fā)方向均為適應軟弱圍巖或淺埋暗挖地質(zhì)條件的機械開挖方法。筆者認為需對預切槽研發(fā)理念重新進行定位，從目前隧道建造技術來看，硬質(zhì)巖隧道TBM法、全電腦液壓鑿巖臺車機械配套工法應用較為成熟、高效，淺埋地層、軟弱圍巖隧道盾構法極為普及，預切槽技術與之相比的競爭優(yōu)勢極弱。但對于鉆爆法施工隧道的特殊地質(zhì)、不良地質(zhì)地段，目前所應用的大管棚工法、水平旋噴樁工法能形成強度高、剛度大的超前支護體系，但體系整體性差，有水環(huán)境下止水效果差，且工序復雜、工期長；帷幕注漿工法能形成整體止水結構，但工作量大、成本高、工期長。

應用預切槽技術則能夠高效克服大管棚、水平旋噴樁及帷幕注漿這些弱項，且能夠避開目前預切槽所不能解決的出渣、混凝土灌注、拱殼整體性等技術難題。研發(fā)改進思路如下：

(1)參考市政深基坑工程TRD工法，改進中心軸式預切槽機的鏈刀為可延長液壓掘進箱，使鏈刀沿隧道軸線方向切割長度能夠達到與大管棚長度相當。

(2)鏈刀切割巖體后不排渣，引入TRD工法的相應技術，注入水泥漿液與土體攪拌成水泥土。

(3)在水泥土中插入鋼筋籠、型鋼或鋼管。

(4)連續(xù)切割、注水泥漿并攪拌，直到全斷面形成整體水泥土墻護拱。

(5)一次切槽沿隧道軸線方向長度20～30m。

工法特點：不排渣，槽壁不易坍塌；水泥土拱殼厚度可以比灌注混凝土法大得多，利于鏈刀剛度設計；拱殼為連續(xù)整體，止水性能好；插入型鋼等加筋材料極大提高了拱殼的強度與剛度；一次施工長度長，混凝土等強時間占比小。

六、結束語

改進的預切槽技術可以彌補常規(guī)工法的不足，有效避開自身工法缺點，且沒有與先進、成熟工法競爭，既可以代替大管棚、帷幕注漿等工法處理不良地質(zhì)、特殊地質(zhì)地段，也可以作為全機械化隧道施工工法的超前支護配套設備。