鐵路山區(qū)隧道軟弱圍巖全斷面機械化開挖技術(shù)

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(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域逐漸提高了機械化施工水平。地鐵隧道盾構(gòu)法技術(shù)先進，配套設(shè)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(yīng)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(fēng)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(shù)，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(nèi)，中心里程DK480+760，全長5 360m，最大埋深439m。隧道設(shè)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(gòu)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(gòu)造單元北緣上揚子陸塊褶皺帶內(nèi)，本區(qū)地層倒轉(zhuǎn)，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(zhì)頁巖，洞身段主要在新灘組穿過。

洞身左側(cè)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(zhì)頁巖、頁巖夾砂巖等軟質(zhì)巖。隧道設(shè)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(shè)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(shè)備包括注漿臺車、鑿巖臺車，開挖區(qū)機械化開挖配套設(shè)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(shè)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(shè)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(xiàn)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(shù)

本工程隧道軟弱圍巖主要采取以下機械化開挖技術(shù)：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(yù)應(yīng)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(dǎo)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(jù)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(nèi)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(jù)實際情況調(diào)整。導(dǎo)管環(huán)向設(shè)置間距根據(jù)地層性質(zhì)、圍巖類別等確定，一般Ⅳ級圍巖按50cm/環(huán)設(shè)置，Ⅴ級圍巖按40cm/環(huán)設(shè)置。鑿巖臺車開孔時鉆速宜小，鉆進部分深度后轉(zhuǎn)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(yīng)立即更換，以確保正常作業(yè)。送管前根據(jù)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(yīng)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(jù)地質(zhì)情況調(diào)整注漿參數(shù)和注漿工藝，嚴格控制注漿結(jié)束標準，保證注漿效果與質(zhì)量。水泥漿或水泥砂漿強度等級不低于M20，當(dāng)圍巖破碎、地下水發(fā)育時，為滿足調(diào)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(fēng)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(yīng)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(yīng)一致。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)、超前地質(zhì)預(yù)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(yù)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(yù)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(jù)圍巖情況調(diào)整玻璃纖維注漿錨桿布置密度，當(dāng)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(dāng)圍巖破碎、存在突水突泥情況時，適當(dāng)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(shè)備。鑿巖臺車就位后，按測量放樣結(jié)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(jù)圍巖監(jiān)控測量結(jié)果調(diào)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(xiàn)場預(yù)裝配錨桿→清孔→桿體推送入孔→調(diào)整墊板角度，旋入螺母→擰緊螺母，施加預(yù)應(yīng)力→插入注漿管并注漿→噴射混凝土至設(shè)計厚度。

擰緊螺母、施加預(yù)應(yīng)力前，脹殼式預(yù)應(yīng)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(diào)整墊板角度后旋入螺母。使用風(fēng)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(yù)應(yīng)力。

注漿時應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shù)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(shè)備要求不同 機械化開挖技術(shù)增設(shè)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(fēng)動鑿巖機、空氣壓縮機和供風(fēng)管道。

4.2 施工成本

1)超前支護成本

機械化開挖技術(shù)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(guān))。兩臺階鉆爆法采用小導(dǎo)管超前支護，施工成本約41元/m，可知機械化開挖技術(shù)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(shù)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(shù)采用的脹殼式預(yù)應(yīng)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(jīng)22個月現(xiàn)場記錄，采用機械化開挖技術(shù)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(shù)施工效率較高。機械化開挖技術(shù)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(shù)開挖成本高于兩臺階鉆爆法。

5 結(jié)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(shù)，該技術(shù)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(shù)工藝、配套設(shè)備等有待進一步優(yōu)化，使機械化優(yōu)勢全面體現(xiàn)。

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