高原鐵路TBM預備洞淺埋軟硬不均頻變地層開挖與爆破關鍵技術

李志軍， 劉廣志， 于京波,*， 陳 橋

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

某高原鐵路隧道進口采用“鉆爆法+開敞式TBM法”施工，開敞式TBM與其他類型TBM在始發條件方面最大的區別是必須提前采用鉆爆法施工完成一段滿足開敞式TBM始發的預備洞。

針對開敞式TBM預備洞在淺埋軟硬不均頻變地層中的開挖與爆破關鍵技術，國內外還未有過綜合研究，僅部分學者對其中的某項內容進行了研究。例如： 田四明等[1]指出，高原鐵路隧道工程建設規模巨大，不良地質問題突出，沿線自然環境惡劣，基礎設施薄弱，建設條件困難； 尚海龍等[2]通過對TBM交通洞研究表明，一次開挖成型或者二次擴挖底板仰拱均可滿足進廠交通洞功能的需要，其中，通過二次擴挖底板仰拱形成的有效斷面最大，所需的TBM設備直徑最小，綜合施工難度不大，風險可控； 楊曉箐等[3]針對厄瓜多爾CCS水電站工程的TBM預備洞工程,引入歐美的支護設計理念及方法,總結了一套計算方法,并對預備洞段的支護措施進行了定量分析； 呂永林等[4]以新紅巖隧道為例，研究了單臂掘進機在降低擾動、控制沉降方面的性能以及施工效率和經濟效益； 張青林[5]以重慶6號線為例，研究提出TBM始發段的施工技術要點； 皮亮[6]經研究提出，在偏壓淺埋條件下穿越軟硬不均地層時采用半步CD工法，既可滿足圍巖變形控制要求和結構受力的安全性要求,也可實現快速、經濟的目標； 白偉等[7]針對隧道偏壓程度提出了加固原則和方法； 陳聰[8]針對軟硬不均地層隧道不對稱支護措施進行研究，對隧道開挖圍巖及支護結構力學特性進行了詳細闡述； 王朝南[9]對大斷面淺埋隧道的開挖方案進行了優選研究，最終確定三臺階法為該隧道的開挖方法； 孫兆遠等[10]通過對國內部分已建和在建客運專線大斷面隧道的施工技術總結，論述了大斷面隧道的施工技術特點及開挖方法選擇，并以合武鐵路隧道施工為例，對隧道開挖方法進行了探討； 劉招偉等[11]以蒙華鐵路隧道為例，介紹了三臺階法快速施工的控制要點； 齊震明等[12]研究提出了淺埋暗挖隧道地表沉降控制標準和預警管理方法； 梅文勇[13]以新曲兒岔隧道為例，提出了施工沉降控制標準的確定方法和控制措施； 歐陽天烽等[14]通過工程案例提出，松動爆破使迎爆側側墻和拱腳彎矩和軸力的增加遠比外側側墻和拱腳更為迅速，在施工過程中應加強監測。

某高原鐵路隧道進口地表水及地下水豐富，不同級別圍巖交替頻變，汛期進洞施工，環保要求高，工程環境與地質條件復雜苛刻，且為淺埋偏壓大斷面隧道，預備洞的開挖風險極大。臺階法、三臺階法、三臺階預留核心土法是比較傳統的施工方法，如何更有效地利用這些工法，將質量、工效發揮至最優，非常有必要進行綜合研究。本文結合傳統開挖方法，綜合運用變換臺階高度動態光面爆破關鍵技術、三臺階預留核心土環形導坑松動爆破技術、爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊技術、懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破技術、液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破等開挖與爆破多種方式，以提高高原鐵路隧道預備洞的施工效率。

1 工程概況

新建高原鐵路某隧道設計為2座單線隧道，被譽為亞洲鐵路TBM第一隧道，為Ⅰ級風險隧道,全長37.965 km。進口位于西藏自治區林芝市巴宜區魯朗鎮東久村魯朗兵站西側約250 m的早期崩坡積與泥石流堆積混合帶上，隧道凈空斷面寬度×高度=8.58 m×7.56 m，最大開挖斷面寬度×高度=11.58 m×12.23 m，預備洞長500 m，主要分布有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級軟弱圍巖，預備洞左右線中巖柱厚13～15 m，上部覆蓋層厚5～35 m。工程地質剖面圖和橫斷面圖分別如圖1和圖2所示。區內降雨量集中在4～10月，多年平均降水量為700.4～968.0 mm，水主要通過地表徑流及地下滲流的形式就近向溝谷排泄。

圖1 工程地質剖面圖

圖2 工程地質橫斷面圖

施工區域常年雨水豐富，水資源與植被環保要求高。施工期為2～10月，正值汛期，且淺埋穿越3條常年流水沖溝，隧頂無隔水地層，暴雨滲入隧道致使圍巖富水。隧頂埋深淺，為5～50 m，山體偏壓高差超20 m。洞口段Ⅴ級與Ⅳ級圍巖在不同里程交替頻變，掌子面圍巖軟硬不均，同時富含易軟化崩解類礦物黑云母等。

開挖工法采用臺階法、三臺階法和三臺階預留核心土法。臺階法上臺階高度為8.8 m，下臺階高度為3.2 m； 三臺階法及三臺階預留核心土法上臺階高度為5.5 m，中臺階高度為3.3 m，下臺階高度為3.2 m。

Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級初期支護均布置有鋼拱架、漲殼式中空錨桿、鋼筋網，超前支護為φ42 mm小導管和φ60 mm、φ76 mm中管棚(環向間距40 cm，長度為9 m，搭接3 m)。掌子面上半斷面采用玻璃纖維錨桿(長9 m，搭接3 m)及噴射混凝土封閉(厚3 cm，6 m一次循環)。隧道襯砌斷面及中管棚超前支護分別如圖3和圖4所示。

圖3 隧道襯砌斷面圖(單位: cm)

圖4 中管棚超前支護圖(單位: cm)

2 工程面臨的難點與安全風險

該隧道地形地貌復雜，地質條件差，圍巖穩定性較差，屬于典型的淺埋偏壓坡積土洞口暗挖隧道，采用鉆爆法開挖面臨著隧頂淺埋、山體偏壓、軟硬不均、地質頻變、小凈距大斷面的工程難題，易發生掌子面涌水涌砂、失穩塌方的安全事故。

2.1 淺埋段地表沉降難以控制

該隧道TBM預備洞的洞口段埋深淺，約為3.6 m，且地質為全風化坡積體巖層，是地表沉降量過大的主要原因； 同時，洞身開挖斷面較大，寬度×高度=11.3 m×12.0 m，斷面應力重分布的情況較為復雜，加速了沉降，甚至導致塌陷。為保證施工安全，避免隧道大變形，出現坍塌，淺埋段地表沉降最大不得超過100 mm，洞內拱頂沉降不超過75 mm，周邊收斂不超過50 mm。

2.2 地層偏壓易造成邊坡失穩溜塌

隧道右線斜坡坡頂與底板之間的高度為29.2 m，隧道左線斜坡坡頂與底板之間的高度為9.4 m，隧道兩側高差達19.8 m，易出現右側邊坡失穩垮塌、隧道洞門端墻部位垮塌，危及結構安全。根據地形特點，在右側邊坡洞口外邊線施工抗滑樁以抵抗邊坡位移。

2.3 淺埋沖溝、地層軟硬不均易造成坍塌

隧道進口TBM預備洞所處地層為泥石流混合帶堆積體，且洞身先后下穿3條常年流水沖溝，沖溝均為古老溝渠，淤積層厚15～25 m，地層還夾雜漂石、孤石，膠結性能差，圍巖自穩能力差，易坍塌。為避免坍塌，需減小開挖斷面和開挖進尺，因此最終采用三臺階預留核心土工法對上臺階進行弱爆破，短進尺開挖，支護采用φ42 mm@3.5 mm超前小導管，I20型鋼拱架。通過該種方式，隧道安全通過沖溝段落。

2.4 穿越地層頻變，爆破設計動態調整難

隧道進口TBM預備洞在縱向里程上巖石風化程度不均勻，Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ級圍巖交替頻變，需頻繁改換開挖工法與方法，調整臺階高度與爆破設計，施工過程中針對性調整多。

2.5 隧道間距小，爆破開挖易導致坍塌

隧道進口TBM預備洞左右線的間距僅有18 m，中巖柱厚度最小僅10 m，開挖斷面面積達120.11 m2，爆破時既要保證大斷面爆破成型效果好，又需要保證左右線間的中巖柱穩定。綜合考慮采用中柱徑向注漿加固、左右線錯臺開挖的方式規避巖柱變形。

綜上所述，該隧道進口TBM預備洞施工面臨淺埋偏壓、下穿沖溝、地層軟硬不均且頻變、隧道左右線間距小、中巖柱厚度小等難題，存在地表沉陷、初期支護易破壞、開挖易塌陷、結構易受損等安全風險。

3 開挖與爆破關鍵技術

3.1 變換臺階高度動態光面爆破關鍵技術

針對Ⅳ級圍巖，根據巖石軟硬不均、地層頻變以及掌子面自穩能力差異大的特點，實際施工中先后采用了三臺階和兩臺階工法，并動態調整開挖支護臺階高度，相應動態調整爆破的分爆次數、炮眼布置、鉆孔深度和裝藥量等，減小爆破振動，提升爆破質量，確保掌子面與隧道安全。實際施工中三臺階法和兩臺階法開挖爆破炮眼布置分別如圖5和圖6所示，爆破參數統計分別見表1和表2。

(a) 炮眼布置立面圖

(b) 炮眼布置平面圖

(a) 炮眼布置立面圖

(b) 炮眼布置平面圖

表1 三臺階法開挖爆破參數統計表(以上臺階為例)

表2 兩臺階法開挖爆破參數統計表(以上臺階為例)

3.2 三臺階預留核心土環形導坑松動爆破關鍵技術

針對節理裂隙較為發育強風化花崗巖的Ⅳ級軟弱圍巖和Ⅴ級圍巖、松散體及伴有滲水的地段，采取三臺階預留核心土環形導坑松動爆破技術。其炮眼布置如圖7所示。爆破設計參數見表3。

預留核心土寬度×縱向長度×高度=3.5 m×3 m×3 m，呈斜坡狀，縱向坡度約為1∶1。每循環鉆孔作業時，在核心土位置底部進行鉆眼，掏槽眼按60°控制，核心土底板眼孔深為核心土外底板眼孔深的2/3，當核心土影響開挖及立拱臺架布置時，采用挖機破碎錘進行修整。

核心土部位臨空面小，為成功實施爆破，提升成型質量，采取短進尺、周邊眼隔孔裝藥的方式。周邊眼裝藥量為0.3 kg，輔助眼裝藥量為0.9 kg。拱腰底部2個周邊眼因臨空面小，難以爆破，需適當增加裝藥量，因此按照0.9 kg來裝。施工步驟為： 施工準備—修整核心土—擺放開挖臺架—測量—開挖周邊眼、輔助眼和底板眼(含核心土底板眼)—裝藥—爆破—出渣立拱—噴漿—下一循環。

采取三臺階預留核心土環形導坑松動爆破開挖方法，每循環開挖進尺1.0～1.2 m，能夠最大發揮圍巖自穩能力，減振效果明顯，開挖后拱頂掉塊現象減少，超挖較小，未出現溜方與塌方，效果較好。

(a) 炮眼布置立面圖

(b) 炮眼布置平面圖

表3 三臺階預留核心土環形導坑松動爆破設計參數(開挖進尺1 m)

3.3 爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊關鍵技術

針對掌子面軟硬不均、上軟下硬且滲水較大的地層，若采用單一的機械開挖或爆破開挖，對防溜防塌、開挖工效、超欠挖控制、火工品消耗都較為不利。實際施工中在周邊區與掏槽區硬巖處進行爆破處理，具有臨空面后，采用液壓破碎錘開挖軟巖并修整拱圈與拱頂成型。爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊爆破炮眼布置見圖8。液壓破碎錘修邊成型如圖9所示。爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊爆破設計參數見表4。

(a) 炮眼布置立面圖

(b) 炮眼布置平面圖

圖9 液壓破碎錘修邊成型

表4 爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊爆破設計參數

工程實踐表明，針對掌子面軟硬不均、上軟下硬且滲水較大的地層，采用爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊技術，比單一使用爆破或機械開挖更有利于超欠挖控制與防塌，平均線性超挖控制在15 cm以內。

3.4 懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破技術

對于洞口埋深10～20 m、處于沖溝虎口地段的隧道，巖層主要為多層坡積與泥石流沖積混合體組成，爆破開挖對巖體擾動較大，容易發生隧道坍塌、冒頂事故。為減少對圍巖的擾動，實際施工中采用了懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破技術。懸臂掘進機和銑挖機開挖上臺階如圖10所示。懸臂掘進機(銑挖機)開挖下臺階松動爆破炮眼布置如圖11所示，下臺階松動爆破設計參數見表5。

(a) 懸臂掘進機開挖

(b) 銑挖機開挖

圖11 懸臂掘進機(銑挖機)開挖下臺階松動爆破炮眼布置圖(單位： mm)

上臺階采用懸臂掘進機(銑挖機)非爆破開挖，振動微弱，為下臺階弱爆破提供了上臨界面，減小了爆破震動,超欠挖控制在10 cm左右，開挖成型較好。懸臂掘進機的不足之處為僅適用于洞口段或不施作仰拱段的隧道施工。當進洞70 m以上后、必須施作仰拱時，懸臂掘進機自身重量過大，無法通行仰拱棧橋，因此不能使用懸臂掘進機進行施工，可以采用銑挖機施工。

表5 懸臂掘進機(銑挖機)開挖下臺階松動爆破設計參數

3.5 液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破關鍵技術

對于上臺階及拱部為強風化偏全風化、全風化夾細砂且滲水較大的堆積與坡積地層，不適于采用爆破開挖，可采用液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破方法。挖機反裝松土器擴修邊如圖12所示。兩側拱腳弱爆破炮眼布置見圖13。兩側拱腳弱爆破設計參數見表6。

圖12 挖機反裝松土器擴修邊

圖13 兩側拱腳弱爆破炮眼布置圖(單位: mm)

上臺階采用液壓破碎錘開挖與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆開挖方法，減少了破碎錘拱圈修邊時間，避免了較大超挖，縮短了拱腳基巖的機械鑿巖時間，開挖時間比單純采用挖機破碎錘開挖每循環可節約0.5 h左右。

綜上所述，針對施工過程中出現的5種不同地質條件，采取不同的開挖方法，歸納總結如表7所示。

表6 兩側拱腳弱爆破設計參數

表7 不同地質條件下采取的不同開挖方法統計

4 施工效果

4.1 變換臺階高度動態光面爆破施工效果

采用變換臺階高度動態光面爆破技術施工，每循環開挖進尺2 m，用時180～200 min，超挖值控制在15 cm左右，累計沉降量為23～30 mm，累計收斂值為15～22 mm，開挖效果如圖14所示，工效統計見表8。

根據實踐及爆破試驗可知，當巖石強度在30 MPa以下且節理裂隙相對發育時，采用三臺階法(上臺階高5.5 m，中臺階高3.3 m，下臺階高3.2 m)較為合理； 當巖石強度在30 MPa以上且節理裂隙發育不明顯時，采用兩臺階法(上臺階高8.8 m，下臺階高3.2 m)較為合理。2種工法變換應對圍巖軟硬不均與頻變，能夠在確保掌子面穩定的前提下，實現快速開挖，掘進速度達到3～4 m/d。

4.2 三臺階預留核心土環形導坑松動爆破施工效果

采用三臺階預留核心土環形導坑松動爆破施工，每循環開挖進尺1 m，用時80～109 min，洞渣最大粒徑0.3～0.5 m，累計最大沉降量為42 mm，累計最大收斂值為25 mm，施工過程總體較為安全、快速。工效統計見表9。

(a) 三臺階施工效果

(b) 臺階法施工效果

表8 變換臺階高度動態光面爆破工效統計

表9 三臺階預留核心土環形導坑松動爆破工效統計

4.3 爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊施工效果

采用爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊施工方法，每循環開挖進尺2 m，用時115～125 min，洞渣最大粒徑為0.3～0.6 m，累計最大沉降量為30 mm，累計最大收斂值為20 mm，施工快速，安全可控。工效統計如表10所示。

表10 爆破先掏槽與液壓破碎錘后擴修邊技術工效統計

4.4 懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破施工效果

采用懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破施工，每循環開挖進尺0.8 m，用時170～200 min，洞渣最大粒徑0.7～1.2 m，累計最大沉降量為33 mm，累計最大收斂值為29 mm，施工過程安全快速。工效統計如表11所示。洞口淺埋段采用懸臂掘進法施工，大大減少了圍巖擾動，同時，初期支護拱架及時封閉成環，及早發揮了圍巖自穩能力。地表沉降最大速率為10 mm/d，拱頂最大沉降速率為5 mm/d，周邊收斂速率為3 mm/d。

4.5 液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破施工效果

采用液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破施工技術，每循環開挖進尺2 m，用時200～240 min，洞渣最大粒徑0.7～1.0 m，累計最大沉降量為35 mm，累計最大收斂值為20 mm，施工過程較為可控，安全快速。工效統計如表12所示。

4.6 綜合分析

不同開挖與爆破方法下隧道的累計沉降量和收斂值見表13，不同開挖方式下累計沉降量變化曲線見圖15。

表11 懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破工效統計

表12 液壓破碎錘開挖上臺階與反裝松土器擴修邊及拱腳弱爆破工效統計

表13 不同開挖與爆破方法下隧道累計沉降量和收斂值

斷面DK1217+891、DK1217+896為懸臂掘進機開挖； 斷面DK1217+961、DK1217+966為變換臺階高度動態光面爆破開挖； 斷面DK1217+981、DK1217+986為液壓破碎錘開挖。

DK1217+891～+961圍巖等級為Ⅳ級，DK1217+966～+986圍巖等級為Ⅴ級。由圖15可知： 1)與斷面DK1217+961爆破開挖相比，相同圍巖條件下，斷面DK1217+891與DK1217+896(懸臂掘進機施工)的拱頂沉降變形趨勢比較平緩，周累計沉降量比較??； 2)與DK1217+966(變換臺階高度動態光面爆破開挖)、DK1217+981與DK1217+986(液壓破碎錘開挖)相比，在較差圍巖條件下，懸臂掘進機施工有利于控制隧道的拱頂沉降變形，更能有效保障施工安全。

5 結論與討論

1)與變換臺階高度動態光面爆破開挖、液壓破碎錘開挖相比，懸臂掘進機(銑挖機)開挖上臺階與下臺階松動爆破法累計沉降值較小，其主要原因是旋轉頭小范圍切削，對圍巖擾動小，對圍巖破壞性小。該方法有利于控制隧道的拱頂沉降變形，但使用有一定限制。

2)通過在某高原鐵路隧道進口的開敞式TBM預備洞不同條件下采用不同開挖與爆破技術取得的成果表明，對于軟硬不均、土石混合、地質頻變、沉降變形控制嚴格、工程地質和環境復雜的隧道，不宜采用單一開挖方法，宜結合隧道斷面大小與工程地質及環境條件，選用最為適合的多種開挖方法組合的技術，對工程實施的綜合效果總體較為有利。

3)針對軟巖破碎圍巖采用哪種方式最為安全、經濟、合理，需要不斷地試驗、總結，在接下來的鉆爆施工中需進一步研究探索，以期提升高原鐵路隧道鉆爆施工水平。