隧道穿越活動(dòng)斷裂帶液壓破碎錘開(kāi)挖施工技術(shù)

魏振偉 王建興

（中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司 廣東廣州 510405）

1 前言

在國(guó)外的工程建設(shè)中，采用礦山法施工的隧道遇到硬巖采用機(jī)械臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔爆破，再采用全斷面開(kāi)挖工法施工；如遇不良地質(zhì)及軟弱圍巖，一般進(jìn)行高成本的周邊超前預(yù)注漿＋玻璃纖維錨桿進(jìn)行全斷面加固，再進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。

我國(guó)隧道施工比較注重成本和工效，國(guó)外應(yīng)用在硬巖全斷面開(kāi)挖的機(jī)械設(shè)備，在我國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，而不良地質(zhì)圍巖大型設(shè)備高投入工法雖然效果良好但還是很難被接受。

國(guó)內(nèi)隧道施工中遇到不良地質(zhì)圍巖，開(kāi)挖工法上多采用臨時(shí)仰拱、雙側(cè)壁、CRD等小斷面開(kāi)挖法，在如何進(jìn)行開(kāi)挖方面也只提及采用機(jī)械＋人工或光面爆破，沒(méi)有在機(jī)械開(kāi)挖方面給予更詳細(xì)、更具體的建議。

目前隧道應(yīng)用機(jī)械臂鑿巖臺(tái)車打孔爆破施工的應(yīng)用和文獻(xiàn)很多，而利用銑挖機(jī)和液壓沖擊破碎錘在隧道施工中雖有應(yīng)用，但相關(guān)文獻(xiàn)卻很少，說(shuō)明這兩種機(jī)械設(shè)備在隧道應(yīng)用上還沒(méi)有成熟。

2 工程概況

成蘭鐵路紅橋關(guān)隧道位于四川省阿壩州松潘縣岷江河谷右岸，具有“四極三高五復(fù)雜”的典型特征，隧道全長(zhǎng)3 197.77 m，最大埋深約410 m，屬高中山剝蝕地貌。岷江位于線路右側(cè)，岷江河谷深切，兩側(cè)橫向溝谷發(fā)育，地形起伏較大，地面高程2 950～3 510 m。在穿越岷江活動(dòng)斷裂帶時(shí)，埋深39～187 m，圍巖松散、破碎、軟硬不均。現(xiàn)場(chǎng)采用光面爆破開(kāi)挖，爆破后對(duì)遺留巖體造成損傷，洞身周邊塑性區(qū)加大，超挖大部分在50 cm以上，造成開(kāi)挖輪廓線不平順，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部掉塊或坍塌，噴射混凝土超方嚴(yán)重，時(shí)間越久，圍巖變形越大，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。如不采用爆破開(kāi)挖，在斷層角礫夾炭質(zhì)板巖、砂巖的不良地質(zhì)中，巖石單軸抗壓平均強(qiáng)度一般在1.95～27 MPa范圍內(nèi)，介于軟石和次堅(jiān)石之間，軟硬不均，挖掘機(jī)難有作為；隧道地表又有很多木質(zhì)結(jié)構(gòu)藏式建筑，因爆破振動(dòng)對(duì)藏民房屋造成擾動(dòng)，致使房屋和地面開(kāi)裂，對(duì)社會(huì)造成不良影響。

3 對(duì)策研究

隧道開(kāi)挖采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法光面爆破開(kāi)挖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)造成圍巖變形、超挖、振動(dòng)等問(wèn)題從內(nèi)因和外因上進(jìn)行綜合分析。內(nèi)部原因主要是有復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境條件、軟弱破壞的地層巖性、地下水的軟化效應(yīng)、不利的結(jié)構(gòu)面條件等因素。

外部因素上，隧道開(kāi)挖前，巖體處于三向受力的高地應(yīng)力環(huán)境，為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。隧道開(kāi)挖以后，巖體原有天然應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，一部分地應(yīng)力以變形能的形式釋放，另一部分則向圍巖深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生應(yīng)力重分布和局部區(qū)域應(yīng)力集中，并不斷調(diào)整以達(dá)到與當(dāng)前環(huán)境相適應(yīng)的新平衡狀態(tài)。開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致洞壁圍壓急劇降低，切向應(yīng)力增大而徑向應(yīng)力減小，引起應(yīng)力集中，并在洞壁上達(dá)到極限值。當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)巖體屈服強(qiáng)度和流變下限閾值時(shí)，引起圍巖塑性和粘性流動(dòng)，產(chǎn)生隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形，隨著變形不斷增加而圍巖進(jìn)入粘塑性應(yīng)變軟化階段，長(zhǎng)期強(qiáng)度值降低，又進(jìn)一步加劇了隧道變形［1］。因此，工程擾動(dòng)力為主要外部因素。

內(nèi)因很難改變，需從外因入手。外因除人為管理因素，主要包含爆破擾動(dòng)和機(jī)械設(shè)備擾動(dòng)。

目前隧道施工采用爆破方式開(kāi)挖，爆破會(huì)造成圍巖損傷而增大圍巖變形，即便是目前最為先進(jìn)的聚能光面水壓爆破技術(shù)也不能完全解決圍巖擾動(dòng)破壞和地表建筑開(kāi)裂問(wèn)題，只能從機(jī)械破碎圍巖的方法進(jìn)行研究，以減少超挖、減小圍巖變形。

4 機(jī)械設(shè)備選擇

經(jīng)過(guò)機(jī)械設(shè)備方面專家介紹和以往機(jī)械鑿巖施工經(jīng)驗(yàn)，初選兩種設(shè)備，一種為銑挖機(jī)，利用挖掘機(jī)配橫向銑挖機(jī)頭；另一種為履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘，利用挖掘機(jī)配破碎錘頭，選擇的直錘頭比三角錘略長(zhǎng)、缸體略小、視線好，不易觸碰到鋼拱架。

（1）銑挖機(jī)

在試用銑挖機(jī)頭過(guò)程中，遇到強(qiáng)度較高的砂巖、板巖發(fā)生銑不動(dòng)情況，切削鼓會(huì)向上飄，向上銑用不上力，速度緩慢。上臺(tái)階銑巖時(shí)，因挖機(jī)臂長(zhǎng)限制，需挖除更多的核心土才能伸展到掌子面，造成掌子面不穩(wěn)。

（2）履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘

因破碎錘應(yīng)用較廣泛，在松潘縣租賃1臺(tái)CAT320挖機(jī)配140錘頭，45 000元／月，在隧道內(nèi)試用。

破碎錘可對(duì)強(qiáng)度較高的砂巖、板巖沿節(jié)理面快速鑿碎，在隧道內(nèi)操作方便，開(kāi)挖比較順利。

銑挖機(jī)振動(dòng)小、噪聲低，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，銑下的物質(zhì)粒徑小且均勻，方便裝運(yùn)［2］，但循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，且遇到強(qiáng)度較高巖層出現(xiàn)銑不動(dòng)情況。而破碎錘沒(méi)有這方面問(wèn)題，且破碎頭長(zhǎng)度（2.4 m）大于銑挖頭（1.2 m），不需挖除太多核心土。經(jīng)過(guò)研究比選，選定液壓沖擊破碎錘為機(jī)械鑿巖設(shè)備。

5 施工工藝

由于隧道洞內(nèi)空間較小，挖掘機(jī)及破碎錘受轉(zhuǎn)彎半徑和大臂伸展限制，上臺(tái)階拱腳及輪廓線外側(cè)等范圍難以觸及，現(xiàn)場(chǎng)采用減小核心土高度和寬度的方法來(lái)滿足設(shè)備使用條件。經(jīng)研究，選擇適合機(jī)械開(kāi)挖的《隧道微三臺(tái)階上部核心土施工工法》［3］作為開(kāi)挖方法。施工工藝流程如圖1所示。

圖1 履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘施工工藝流程

（1）施工工序圖

履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘開(kāi)挖施工工序透視圖如圖2所示，施工工序橫斷面如圖3所示，施工工序縱斷面如圖4所示。

圖2 施工工序透視圖

圖3 施工工序橫斷面

圖4 施工工序縱斷面

（2）施工步驟說(shuō)明

第一步：挖掘機(jī)對(duì)掌子面進(jìn)行扒渣，剝除噴射混凝土回彈料及松散巖土，露出原巖面后填筑中臺(tái)階平臺(tái)，作為破碎錘工作平臺(tái)。

第二步：破碎錘于中臺(tái)階平臺(tái)上對(duì)上臺(tái)階核心土①部位鑿除（見(jiàn)圖2），進(jìn)而對(duì)上臺(tái)階②部位進(jìn)行鑿巖作業(yè)；中臺(tái)階③、④部位鑿除小部分巖體，預(yù)留拱架安裝處的巖柱。因破碎錘無(wú)法鑿除上臺(tái)階拱架背后的死角，該部位圍巖利用挖掘機(jī)輔助開(kāi)挖刀片進(jìn)行處理，局部人工修整。同時(shí)，利用裝載機(jī)將鋼架運(yùn)至上臺(tái)階核心土之上，進(jìn)行拱架安裝，如圖5～圖7所示。

圖5 破碎錘上臺(tái)階鑿巖

圖6 隧道上臺(tái)階輔助開(kāi)挖刀片開(kāi)挖死角

圖7 上臺(tái)階鋼架安裝

第三步：破碎錘鑿除中臺(tái)階③、④部位巖體，一側(cè)與上臺(tái)階核心土平齊，一側(cè)預(yù)留2～3 m巖柱，同時(shí)安裝中臺(tái)階拱架，同步挖掘機(jī)在下臺(tái)階出渣。

第四步：下臺(tái)階出渣完畢后，破碎錘鑿除下臺(tái)階⑤、⑥部位巖體，一側(cè)與中臺(tái)階平齊，一側(cè)預(yù)留2～3 m巖柱，同時(shí)安裝下臺(tái)階拱架。因下臺(tái)階出渣量少，可將渣扒平作為機(jī)械設(shè)備通道。微三臺(tái)階開(kāi)挖完成效果如圖8所示。

圖8 微三臺(tái)階開(kāi)挖完成效果

第五步：隧底開(kāi)挖。破碎錘在進(jìn)行仰拱開(kāi)挖時(shí)，可較好地控制超挖，使拱腳的弧形巖體得以保留。由于未對(duì)拱腳弧形圍巖造成破壞，圍巖結(jié)構(gòu)受力更好［4］。隧底初期支護(hù)封閉成環(huán)后至掌子面的距離為20～30 m。每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度5.4 m（拱架間距0.6 m，開(kāi)挖過(guò)程中如圍巖變形加大，可減少至3 m／循環(huán)），完成2個(gè)隧底開(kāi)挖、支護(hù)循環(huán)后，一次施作仰拱襯砌10.4～11.9 m（根據(jù)襯砌臺(tái)車長(zhǎng)度，與拱墻襯砌施作長(zhǎng)度相同，保證施工縫對(duì)齊）。

6 效果驗(yàn)證

（1）工序時(shí)間對(duì)比

在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，每循環(huán)時(shí)間在922～1 000 min范圍，平均950.4 min。

在采用履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘開(kāi)挖施工工藝之后，每循環(huán)時(shí)間為895～964 min，平均929.2 min。

雖然時(shí)間上相差不多，但破碎錘鑿巖可減少對(duì)洞周圍巖的擾動(dòng)及擾動(dòng)深度，在一定程度上延長(zhǎng)了圍巖失穩(wěn)破壞時(shí)間，為安全立架作業(yè)爭(zhēng)取了更多時(shí)間。上臺(tái)階在圍巖失穩(wěn)前已完成拱架安裝，中臺(tái)階可直接將拱架接腿落實(shí)，減少上臺(tái)階拱腳懸空時(shí)間。

（2）沉降觀測(cè)對(duì)比

在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)基本在251～369 mm范圍，平均310 mm。

在采用履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘開(kāi)挖施工工藝之后，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)基本在13～28 mm范圍，平均15.5 mm。

（3）超挖對(duì)比

在爆破開(kāi)挖過(guò)程中，超挖基本在25～70 mm范圍，平均47.5 mm。

在采用履帶式液壓?jiǎn)晤^巖石破碎錘開(kāi)挖施工工藝之后，超挖基本在10～30 mm范圍，平均20 mm。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在紅橋關(guān)隧道穿越岷江活動(dòng)斷裂帶施工應(yīng)用履帶式液壓破碎錘開(kāi)挖，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）創(chuàng)造了良好效益

①減少圍巖變形，并確定出最佳預(yù)留變形量。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)信息分析，在使用液壓破碎錘開(kāi)挖施工工藝后，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)基本在13～28 mm（沉降數(shù)據(jù)大于收斂數(shù)據(jù)）。為保證初支不侵限，取觀測(cè)數(shù)據(jù)28 mm為基準(zhǔn)值（均取最大值），取初支平整度3 cm、鋼拱架加工誤差2 cm及安裝偏差5 cm、測(cè)量誤差2 cm，襯砌臺(tái)車加寬5 cm，合計(jì)為19.8 cm，按20 cm確定開(kāi)挖預(yù)留變形量。

②減少了超挖，進(jìn)而減少了噴射混凝土的時(shí)間和工程量，降低了成本、加快了施工進(jìn)度。

③提高了圍巖裸露面的圓順程度，減小了圍巖失穩(wěn)和掉塊風(fēng)險(xiǎn)。初支完成后，圍巖應(yīng)力均勻傳遞，保證整個(gè)初期支護(hù)體系的穩(wěn)定性。

④因?qū)Φ乇斫ㄖ飻_動(dòng)減小，創(chuàng)建了良好的外圍施工環(huán)境。

（2）存在的問(wèn)題

①破碎錘在隧道開(kāi)挖作業(yè)時(shí)仍需挖機(jī)配合，機(jī)械本身功能單一。

②遇到弱風(fēng)化孤石仍需進(jìn)行松動(dòng)爆破。

③上臺(tái)階鑿巖作業(yè)極易觸碰到拱架，對(duì)司機(jī)操作技術(shù)和帶班人員水平要求高。

從總體效果看，隧道穿越活動(dòng)斷裂帶采用液壓破碎錘開(kāi)挖工藝具有一定的推廣價(jià)值。