高巖溶區(qū)上軟下硬巖層地鐵隧道機(jī)械與礦山法組合施工技術(shù)*

楊 明 汪海波 王松青 徐 穎 楊新文 楊謝生 王夢想

（1.中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院）

由于城市地上用地日趨緊張，交通擁堵越發(fā)嚴(yán)重，地下空間正在被大規(guī)模地開發(fā)使用［1］。礦山法是地鐵隧道穿越巖石的主要施工方法，高巖溶地層的溶洞、溶腔、巖溶破碎帶以及紅黏土等不良地質(zhì)體不利于鉆孔爆破，且爆破會對圍巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，在破碎巖體中出現(xiàn)塌方的風(fēng)險(xiǎn)較高；過大的地面沉降將會給道路、地下管線及周邊建（構(gòu)）筑物帶來嚴(yán)重影響，甚至造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此，有必要開展復(fù)雜環(huán)境下礦山法施工技術(shù)研究。袁劍曉［2］結(jié)合一號路站到振興路站區(qū)間隧道工程，研究了圍巖條件和水文地質(zhì)條件復(fù)雜而選用小斷面礦山法施工工藝。邵旭等［3］對成都軌道交通18號線工程高瓦斯隧道區(qū)采用礦山法施工的安全管理措施進(jìn)行了研究。劉浪［4］在喀斯特地貌大斷面軟弱圍巖施工應(yīng)用了懸臂式掘進(jìn)機(jī)。趙霞等［5］分析表明懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巖溶隧道暗挖施工中具有施工快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。孫澤順［6］結(jié)合貴陽市軌道交通強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)工程實(shí)踐，研究了懸臂式掘進(jìn)機(jī)選型、施工定位和支護(hù)技術(shù)等內(nèi)容，取得了良好的應(yīng)用效果。漆泰岳等［7］研究了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵隧道施工中的適應(yīng)性，認(rèn)為適用于無臨時(shí)仰拱的臺階法隧道。此外，懸臂式掘進(jìn)機(jī)還應(yīng)用于輸水工程軟巖隧洞［8］、淺埋巖溶隧道［9］和小斷面隧道工程［10］。

上述研究和應(yīng)用多是針對全斷面采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工，在武漢地鐵27號線紙坊地區(qū)間及出入場線區(qū)間隧道工程中，受地質(zhì)條件影響，隧道的上斷面為紅黏土、斷層破碎帶，整體性差，而下斷面為石灰?guī)r、質(zhì)地堅(jiān)硬，掘進(jìn)機(jī)難以截割。針對此類上軟下硬地層，設(shè)計(jì)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)和礦山法共同施工，研究了高巖溶區(qū)域上軟下硬巖層懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工工藝流程、礦山法爆破方案和參數(shù)，為類似地層地鐵隧道施工提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵27號線紙坊大街站至地鐵小鎮(zhèn)站區(qū)間隧道為單洞單線隧道、掘進(jìn)斷面積46 m2，出入場線隧道為單洞雙線隧道、掘進(jìn)斷面積152.3 m2，其中區(qū)間隧道全長2 640 m、出入線隧道全長1 274 m，隧道平均埋深22 m，最淺埋深5.7 m。設(shè)計(jì)的初次支護(hù)為超前導(dǎo)管（管棚）+錨網(wǎng)+鋼格柵噴射混凝土，永久支護(hù)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

區(qū)間隧道分別下穿市政道路、居民區(qū)、學(xué)校和青龍山，爆破振動(dòng)控制要求高。在紙地區(qū)間隧道上斷面位于軟弱硅質(zhì)巖中，單軸抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa，施工揭露較多溶洞，主要為半充填，個(gè)別為無充填，主要填充物為黏土，多呈流體狀；多處拱頂至兩側(cè)肩窩區(qū)域存在巖溶破碎帶，如圖1、圖2所示；隧道及下部為石灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度為100～120 MPa，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)困難。

在該工程中若全斷面采用爆破施工，上部的破碎巖體不利于鉆孔爆破，且爆破動(dòng)載對圍巖體的擾動(dòng)大，出現(xiàn)塌方的風(fēng)險(xiǎn)高。根據(jù)現(xiàn)場巖層呈現(xiàn)上軟下硬的特點(diǎn)，結(jié)合地面居民區(qū)、學(xué)校等建筑物的減震需求以及環(huán)境條件、工期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，紙坊停車場出場線區(qū)間710 m、紙坊停車場入場線區(qū)間693 m和紙坊站南端頭部分正線區(qū)間600 m（下穿學(xué)校、民居區(qū)及立體交叉段）上臺階采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工，下臺階利用掘進(jìn)機(jī)開挖提供的自由面采用控制爆破施工。

2 施工工藝與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 施工工藝特點(diǎn)

由于施工所處環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)施工工藝很難達(dá)到施工要求，采用掘進(jìn)機(jī)和礦山法共同施工相對于傳統(tǒng)施工技術(shù)存在明顯的優(yōu)勢。

（1）上臺階圍巖軟弱、破碎，采用掘進(jìn)機(jī)開挖對圍巖的擾動(dòng)小、效率高，隧道周邊成型規(guī)整、超欠挖小，便于格柵、網(wǎng)片快速拼裝、噴射混凝土，節(jié)省大量初次支護(hù)時(shí)間，提高了隧道的開挖質(zhì)量。

（2）上臺階開挖、初次支護(hù)完成后，為下臺階堅(jiān)硬巖石爆破提供良好的自由面；下臺階巖石爆破時(shí)，自上而下逐排起爆，爆破振動(dòng)和對地層擾動(dòng)小、爆破炮孔利用率高、巖石塊度均勻，矸石拋擲距離短、爆堆集中，有利于機(jī)械裝運(yùn)。

（3）上臺階超前施工，可充分掌握地層巖性變化特征，根據(jù)巖性和圍巖變形情況，及時(shí)調(diào)整上下臺階的距離和支護(hù)方案，施工工藝靈活。

2.2 施工工藝流程

施工地段處于高巖溶、上軟下硬巖層區(qū)域，地面環(huán)境復(fù)雜，施工難度大，控制要求嚴(yán)格。首先利用超前探測技術(shù)掌握施工區(qū)域不良地質(zhì)體的具體情況，再進(jìn)行超前支護(hù)施工；超前支護(hù)完成后、采用EBZ260H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖上臺階環(huán)形區(qū)域，頂板巖層無溶洞、完整性較好時(shí)單循環(huán)進(jìn)尺為2.0 m，有溶洞時(shí)，視溶洞大小，循環(huán)進(jìn)尺減小為0.5～1.0 m，確定開挖尺寸符合設(shè)計(jì)要求后，安裝鋼格柵、安裝鎖腳錨管、噴射混凝土。施工時(shí)利用綜掘機(jī)開挖上臺階，盡可能開挖至堅(jiān)硬巖層，格柵下口增加鎖腳錨管，支護(hù)后及時(shí)進(jìn)行注漿充填。

下臺階采用控制爆破，以減少對圍巖和初次支護(hù)的擾動(dòng)，下臺階滯后10～15 m施工，這樣既能保證掘進(jìn)機(jī)施工的空間及沉降值滿足要求，又能保證施工下臺階時(shí)初期支護(hù)不受破壞。下臺階支護(hù)完成后進(jìn)行仰拱及永久襯砌的施工，仰拱施工滯后掘進(jìn)工作面30～40 m。仰拱施工（防水板鋪設(shè)、鋼筋制安和混凝土澆筑）與掘進(jìn)工作面平行作業(yè)，采用18 m長棧橋保持正常運(yùn)輸；永久襯砌施工滯后仰拱40 m，采用液壓模板臺車與掘進(jìn)及仰拱平行作業(yè)。

具體施工工藝流程如圖3所示，區(qū)間隧道施工工序布置見圖4。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

對于地面環(huán)境復(fù)雜、施工控制要求嚴(yán)格的上軟下硬地層，采取控制爆破為主，輔助以掘進(jìn)機(jī)開挖配套進(jìn)行施工，施工過程中要注意幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）控制上臺階超前長度。若上臺階超前距離過長，初次支護(hù)全斷面封閉成環(huán)的時(shí)間將延長，隧道頂板易出現(xiàn)沉降過大的問題；若距離過短，則上、下臺階施工工序調(diào)整頻繁，下臺階的爆破振動(dòng)會對上臺階的初次支護(hù)造成不利影響。因此，上臺階超前距離既要符合礦山法施工快速封閉成環(huán)的要求，又要滿足上臺階掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)有足夠的作業(yè)空間。經(jīng)分析和現(xiàn)場實(shí)踐，上臺階超前長度確定為10～15 m。

（2）單循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺。單循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺是提高施工效率、保證施工安全的重要參數(shù)。掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)，既要充分發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)施工高效優(yōu)勢，又要符合短進(jìn)尺的礦山法施工原則。主要決定因素為超前小導(dǎo)管的有效長度和巖層地質(zhì)情況：首先，單循環(huán)進(jìn)尺不得大于超前小導(dǎo)管的有效長度（常用小導(dǎo)管長度3.5 m，搭接長度1.0 m，有效長度為2.5 m）；其次，根據(jù)頂板和上臺階巖層情況確定單循環(huán)進(jìn)尺，若地質(zhì)條件良好，巖層穩(wěn)定，單循環(huán)進(jìn)尺為2.0～2.5 m；若遇小型溶洞或頂板較破碎時(shí)，單循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)控制在0.5～1.0 m（鋼格柵間距為0.5 m）；若頂部遇大型溶洞，制定巖溶治理專項(xiàng)方案，治理、確保安全后，快速穿過溶洞區(qū)域。

（3）控制對地層的擾動(dòng)。施工過程中主要控制開挖時(shí)地層應(yīng)力重分布引起的地層沉降，迅速進(jìn)行隧道的初次支護(hù)施工。下臺階采用控制爆破技術(shù)，采用控制單段起爆最大藥量、增加段別等措施。

（4）加強(qiáng)監(jiān)控量測。隧道內(nèi)部和地表變形控制時(shí)確保安全的關(guān)鍵指標(biāo)，雖然掘進(jìn)機(jī)施工較爆破掘進(jìn)對隧道圍巖擾動(dòng)小很多，但在下穿地面建（構(gòu)）筑物時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，特別是老舊居民樓、學(xué)校校舍等公共設(shè)施。

3 爆破方案與參數(shù)

為充分利用機(jī)械開挖形成的自由面，下臺階爆破開挖自上而下進(jìn)行，根據(jù)下臺階高度布置炮孔。典型炮眼布置如圖5所示，布置3排崩落孔，炮孔間距為550 mm、排距為750 mm，共劃分3個(gè)區(qū)域，爆破參數(shù)見表1。鉆孔直徑為42 mm、炸藥直徑為32 mm，采用2號巖石乳化炸藥、導(dǎo)爆管雷管引爆。

采用綜掘機(jī)切割的隧道成型規(guī)整，與穿層段炮掘隧道成型相比，成型質(zhì)量明顯改善。超挖現(xiàn)象基本杜絕，減少了不必要的掘進(jìn)工程量，如圖6所示。有了上臺階作為自由面，下臺階爆破炮孔利用率可達(dá)到98%以上，爆后矸石塊度均勻、爆堆集中，有效節(jié)約了裝運(yùn)時(shí)間。

4 結(jié) 論

高巖溶區(qū)上軟下硬巖層地鐵隧道綜合采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)和礦山法施工，可以充分發(fā)揮破碎巖體中掘進(jìn)機(jī)擾動(dòng)小、周邊成型規(guī)整和為爆破提供自由面的優(yōu)點(diǎn)，下臺階利用掘進(jìn)機(jī)提供的自由面采用控制爆破施工，爆破效率高，地表及地表建筑物內(nèi)幾乎感覺不到爆破振動(dòng)，避免了爆破施工擾民的問題。還減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了垮幫、冒頂?shù)任：Πl(fā)生，提高了臨時(shí)支護(hù)期間的安全。

?