隧道穿越活動斷裂帶液壓破碎錘開挖施工技術

魏振偉 王建興

（中鐵二十五局集團第一工程有限公司 廣東廣州 510405）

1 前言

在國外的工程建設中，采用礦山法施工的隧道遇到硬巖采用機械臂鑿巖臺車進行鉆孔爆破，再采用全斷面開挖工法施工；如遇不良地質及軟弱圍巖，一般進行高成本的周邊超前預注漿＋玻璃纖維錨桿進行全斷面加固，再進行全斷面開挖。

我國隧道施工比較注重成本和工效，國外應用在硬巖全斷面開挖的機械設備，在我國也已經開始應用，而不良地質圍巖大型設備高投入工法雖然效果良好但還是很難被接受。

國內隧道施工中遇到不良地質圍巖，開挖工法上多采用臨時仰拱、雙側壁、CRD等小斷面開挖法，在如何進行開挖方面也只提及采用機械＋人工或光面爆破，沒有在機械開挖方面給予更詳細、更具體的建議。

目前隧道應用機械臂鑿巖臺車打孔爆破施工的應用和文獻很多，而利用銑挖機和液壓沖擊破碎錘在隧道施工中雖有應用，但相關文獻卻很少，說明這兩種機械設備在隧道應用上還沒有成熟。

2 工程概況

成蘭鐵路紅橋關隧道位于四川省阿壩州松潘縣岷江河谷右岸，具有“四極三高五復雜”的典型特征，隧道全長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，岷江河谷深切，兩側橫向溝谷發育，地形起伏較大，地面高程2 950～3 510 m。在穿越岷江活動斷裂帶時，埋深39～187 m，圍巖松散、破碎、軟硬不均。現場采用光面爆破開挖，爆破后對遺留巖體造成損傷，洞身周邊塑性區加大，超挖大部分在50 cm以上，造成開挖輪廓線不平順，引起應力集中，導致局部掉塊或坍塌，噴射混凝土超方嚴重，時間越久，圍巖變形越大，施工風險極高。如不采用爆破開挖，在斷層角礫夾炭質板巖、砂巖的不良地質中，巖石單軸抗壓平均強度一般在1.95～27 MPa范圍內，介于軟石和次堅石之間，軟硬不均，挖掘機難有作為；隧道地表又有很多木質結構藏式建筑，因爆破振動對藏民房屋造成擾動，致使房屋和地面開裂，對社會造成不良影響。

3 對策研究

隧道開挖采用三臺階預留核心土法光面爆破開挖，根據現場情況，對造成圍巖變形、超挖、振動等問題從內因和外因上進行綜合分析。內部原因主要是有復雜的構造應力環境條件、軟弱破壞的地層巖性、地下水的軟化效應、不利的結構面條件等因素。

外部因素上，隧道開挖前，巖體處于三向受力的高地應力環境，為穩定平衡狀態。隧道開挖以后，巖體原有天然應力狀態遭到破壞，引起圍巖應力狀態重新分布，一部分地應力以變形能的形式釋放，另一部分則向圍巖深部轉移，發生應力重分布和局部區域應力集中，并不斷調整以達到與當前環境相適應的新平衡狀態。開挖卸荷導致洞壁圍壓急劇降低，切向應力增大而徑向應力減小，引起應力集中，并在洞壁上達到極限值。當應力水平超過巖體屈服強度和流變下限閾值時，引起圍巖塑性和粘性流動，產生隨時間而增長的變形，隨著變形不斷增加而圍巖進入粘塑性應變軟化階段，長期強度值降低，又進一步加劇了隧道變形［1］。因此，工程擾動力為主要外部因素。

內因很難改變，需從外因入手。外因除人為管理因素，主要包含爆破擾動和機械設備擾動。

目前隧道施工采用爆破方式開挖，爆破會造成圍巖損傷而增大圍巖變形，即便是目前最為先進的聚能光面水壓爆破技術也不能完全解決圍巖擾動破壞和地表建筑開裂問題，只能從機械破碎圍巖的方法進行研究，以減少超挖、減小圍巖變形。

4 機械設備選擇

經過機械設備方面專家介紹和以往機械鑿巖施工經驗，初選兩種設備，一種為銑挖機，利用挖掘機配橫向銑挖機頭；另一種為履帶式液壓單頭巖石破碎錘，利用挖掘機配破碎錘頭，選擇的直錘頭比三角錘略長、缸體略小、視線好，不易觸碰到鋼拱架。

（1）銑挖機

在試用銑挖機頭過程中，遇到強度較高的砂巖、板巖發生銑不動情況，切削鼓會向上飄，向上銑用不上力，速度緩慢。上臺階銑巖時，因挖機臂長限制，需挖除更多的核心土才能伸展到掌子面，造成掌子面不穩。

（2）履帶式液壓單頭巖石破碎錘

因破碎錘應用較廣泛，在松潘縣租賃1臺CAT320挖機配140錘頭，45 000元／月，在隧道內試用。

破碎錘可對強度較高的砂巖、板巖沿節理面快速鑿碎，在隧道內操作方便，開挖比較順利。

銑挖機振動小、噪聲低，對圍巖擾動小，銑下的物質粒徑小且均勻，方便裝運［2］，但循環時間長，且遇到強度較高巖層出現銑不動情況。而破碎錘沒有這方面問題，且破碎頭長度（2.4 m）大于銑挖頭（1.2 m），不需挖除太多核心土。經過研究比選，選定液壓沖擊破碎錘為機械鑿巖設備。

5 施工工藝

由于隧道洞內空間較小，挖掘機及破碎錘受轉彎半徑和大臂伸展限制，上臺階拱腳及輪廓線外側等范圍難以觸及，現場采用減小核心土高度和寬度的方法來滿足設備使用條件。經研究，選擇適合機械開挖的《隧道微三臺階上部核心土施工工法》［3］作為開挖方法。施工工藝流程如圖1所示。

圖1 履帶式液壓單頭巖石破碎錘施工工藝流程

（1）施工工序圖

履帶式液壓單頭巖石破碎錘開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）施工步驟說明

第一步：挖掘機對掌子面進行扒渣，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階平臺，作為破碎錘工作平臺。

第二步：破碎錘于中臺階平臺上對上臺階核心土①部位鑿除（見圖2），進而對上臺階②部位進行鑿巖作業；中臺階③、④部位鑿除小部分巖體，預留拱架安裝處的巖柱。因破碎錘無法鑿除上臺階拱架背后的死角，該部位圍巖利用挖掘機輔助開挖刀片進行處理，局部人工修整。同時，利用裝載機將鋼架運至上臺階核心土之上，進行拱架安裝，如圖5～圖7所示。

圖5 破碎錘上臺階鑿巖

圖6 隧道上臺階輔助開挖刀片開挖死角

圖7 上臺階鋼架安裝

第三步：破碎錘鑿除中臺階③、④部位巖體，一側與上臺階核心土平齊，一側預留2～3 m巖柱，同時安裝中臺階拱架，同步挖掘機在下臺階出渣。

第四步：下臺階出渣完畢后，破碎錘鑿除下臺階⑤、⑥部位巖體，一側與中臺階平齊，一側預留2～3 m巖柱，同時安裝下臺階拱架。因下臺階出渣量少，可將渣扒平作為機械設備通道。微三臺階開挖完成效果如圖8所示。

圖8 微三臺階開挖完成效果

第五步：隧底開挖。破碎錘在進行仰拱開挖時，可較好地控制超挖，使拱腳的弧形巖體得以保留。由于未對拱腳弧形圍巖造成破壞，圍巖結構受力更好［4］。隧底初期支護封閉成環后至掌子面的距離為20～30 m。每循環開挖長度5.4 m（拱架間距0.6 m，開挖過程中如圍巖變形加大，可減少至3 m／循環），完成2個隧底開挖、支護循環后，一次施作仰拱襯砌10.4～11.9 m（根據襯砌臺車長度，與拱墻襯砌施作長度相同，保證施工縫對齊）。

6 效果驗證

（1）工序時間對比

在爆破開挖過程中，每循環時間在922～1 000 min范圍，平均950.4 min。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，每循環時間為895～964 min，平均929.2 min。

雖然時間上相差不多，但破碎錘鑿巖可減少對洞周圍巖的擾動及擾動深度，在一定程度上延長了圍巖失穩破壞時間，為安全立架作業爭取了更多時間。上臺階在圍巖失穩前已完成拱架安裝，中臺階可直接將拱架接腿落實，減少上臺階拱腳懸空時間。

（2）沉降觀測對比

在爆破開挖過程中，沉降觀測數據基本在251～369 mm范圍，平均310 mm。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，沉降觀測數據基本在13～28 mm范圍，平均15.5 mm。

（3）超挖對比

在爆破開挖過程中，超挖基本在25～70 mm范圍，平均47.5 mm。

在采用履帶式液壓單頭巖石破碎錘開挖施工工藝之后，超挖基本在10～30 mm范圍，平均20 mm。

7 結束語

通過在紅橋關隧道穿越岷江活動斷裂帶施工應用履帶式液壓破碎錘開挖，得出以下幾點結論：

（1）創造了良好效益

①減少圍巖變形，并確定出最佳預留變形量。根據監控量測信息分析，在使用液壓破碎錘開挖施工工藝后，沉降觀測數據基本在13～28 mm（沉降數據大于收斂數據）。為保證初支不侵限，取觀測數據28 mm為基準值（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、測量誤差2 cm，襯砌臺車加寬5 cm，合計為19.8 cm，按20 cm確定開挖預留變形量。

②減少了超挖，進而減少了噴射混凝土的時間和工程量，降低了成本、加快了施工進度。

③提高了圍巖裸露面的圓順程度，減小了圍巖失穩和掉塊風險。初支完成后，圍巖應力均勻傳遞，保證整個初期支護體系的穩定性。

④因對地表建筑物擾動減小，創建了良好的外圍施工環境。

（2）存在的問題

①破碎錘在隧道開挖作業時仍需挖機配合，機械本身功能單一。

②遇到弱風化孤石仍需進行松動爆破。

③上臺階鑿巖作業極易觸碰到拱架，對司機操作技術和帶班人員水平要求高。

從總體效果看，隧道穿越活動斷裂帶采用液壓破碎錘開挖工藝具有一定的推廣價值。