中心軸式預切槽機械在大斷面黃土隧道中的應用試驗

孫　兵，王秀英，譚忠盛

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京　100044)

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中心軸式預切槽機械在大斷面黃土隧道中的應用試驗

孫兵1，王秀英2，譚忠盛2

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

摘要：黃土是一種特殊的第四紀陸相松散堆積物，具有強度低、變形大、自穩能力差的特點，我國大斷面黃土隧道的建設通常采用三臺階七步開挖法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等，存在施工工序多、施工進度慢、變形量難以控制、臨時支護用量大、對各小斷面支護結構的連接工藝要求高等問題，研究適合軟弱圍巖隧道機械化施工的工法非常必要。預切槽法由于具有控制地層變形能力強、施工速度快的特點，受到國內隧道界的再次關注。2013年，中鐵重工集團研制成功了國內第一代中心軸式預切槽機械。為了掌握預切槽機械切灌過程性能及預襯砌的受力變形特性，進行預切槽機械在黃土隧道中的工業化試驗。研究認為：(1)研制的中心軸式預切槽機械在黃土地層切割成槽能力良好，但在切灌一體化方面尚需要深入研究；(2)由于限制了地層的變形，預襯砌承受的地層壓力較大。(3)預切槽法對切槽腳部地基的承載力要求較高，預襯砌腳部是拉應力集中區域，實際施工中要進行合理加固。

關鍵詞：鐵路隧道；黃土隧道；預切槽機械；預襯砌；現場試驗

1概述

黃土是一種特殊的第四紀陸相松散堆積物，在世界分布很廣，面積達1.3×107km2，我國黃土主要分布于西北、華北和東北等地，分布面積約6.4×105km2。我國雙線黃土隧道的建設開始于20世紀80年代建設的大秦、侯月、神朔、隴海鐵路寶蘭二線，2005年開始建設的鄭西客運專線是我國黃土隧道密度最大的線路，其中砂質黃土地段所占比例大，隧道斷面較大[1]。砂質黃土具有強度低、變形大、自穩能力差的特點，稍有不慎，極易發生坍塌。因此，我國大斷面黃土隧道的建設主要基于將大斷面化為小斷面并及時封閉的思路，據此摸索形成了三臺階七步開挖法，并針對黃土隧道特點創新了雙側壁導坑法、CRD法、CD法，形成了針對大斷面黃土隧道的修建技術。在長期的黃土隧道建設實踐中，我們也發現現有的施工方法存在施工工序多、施工進度慢、變形量難以控制、臨時支護用量大、對各小斷面支護結構的連接工藝要求高的問題[2-7]。對于大斷面黃土隧道而言，控制變形量和提高施工進度是亟待解決的問題。

預切槽法是在掌子面土體開挖前，采用特制的鏈式切刀沿工作面周邊切割出一條深數米、寬約數十厘米的溝槽，在切槽的同時用與切刀一體化的設備灌注混凝土，以形成一個連續并起預支護作用的混凝土殼體(預襯砌)。一般要求槽內灌注的混凝土在6～10 h達到開挖強度要求，然后即可全斷面開挖下部土體，有時需要配合玻纖錨桿加固掌子面，必要時還可架設拱架對預襯砌進行加固[8]。預切槽法具有非常好的控制地層變形的能力，在美國、法國、意大利、日本得到發展，開發了專用的預切槽機械，于20世紀80～90年代建設了大約30多座隧道，其中主要是穿越軟弱地層并對沉降控制嚴格的地區。

預切槽技術的發展依賴于專用的切槽機械，我國預切槽機械的研發始于20世紀90年代，研制成功了專用的切削臂，但機械不具備切灌一體化功能[9]。2013年10月，中鐵重工集團研制成功了國內第一臺中心軸式預切槽機械，2014年7～8月，在寶蘭客專洪亮營黃土隧道開展工業化試驗。本文通過對試驗過程和數據的分析，研究預切槽法形成的預襯砌的變形及受力特性，分析總結試驗過程的問題，旨在探索預切槽法在黃土隧道中應用的前景。

2中心軸式預切槽機械及在黃土隧道的工業化試驗

2.1工程概況

洪亮營隧道地處黃土高原梁峁區，地面高程1 880～2 008 m，相對高差100～150 m，在水流切割侵蝕作用下進口端沖溝、黃土陷穴發育。隧道最大埋深約120 m，全長961 m。隧道洞身通過的地層主要為第四系上更新統風積砂質黃土，第四系中更新統黏質黃土。隧道進口端位于龍王溝左岸黃土斜坡，出口端位于洪亮營村附近的洪積平原上。預切槽工業化試驗在洪亮營隧道出口端附近山體進行。

2.2中心軸式預切槽機械概況

國外預切槽機械主要有拱架式和中心軸式兩種，拱架式針對具體的設計斷面制作拱架，中心軸式適用的斷面跨度在一定范圍內可變化。本次研制成功的中心軸式預切槽機械包括：(1)一個自走式管狀框架；(2)框架上有一個懸臂(可旋轉270°)；(3)旋轉伸縮壁；(4)6個馬達；(5)切刀模塊(沿著框架上的懸臂滑動)。切刀模塊有兩個鏈條，組裝在一個單一的箱體結構的剛性臂上。鏈條上有很多切刀，切削角和切刀數量都可以根據不同地層而變化。切刀模塊上還有很多滑動塊，它們在切刀的一側，當開始切割的時候，這些塊體滑出壓在土壤和巖石上，然后，澆筑混凝土模組安裝在切刀模塊后面。在施工的時候電子控制裝置使現場工作人員能夠實時查看和控制設備的主要參數。切槽機可以在內徑為11.6～15.2 m的隧道內工作，最大切割長度12 m，切槽厚度35 cm。圖1給出了中心軸式預切槽機械在現場切割的情況。

圖1　中心軸式預切槽機切槽作業

2.3現場工業化試驗情況

2014年7月～8月，在現場開展了預切槽機械的現場工業化試驗，試驗中切槽長度5 m，混凝土灌注長度4.5 m，期間對黃土地層機械切割的各項參數、混凝土配比、混凝土灌注進行了大量試驗，同時為了掌握預襯砌的變形和受力情況，進行了預襯砌土壓測試、混凝土內力測試和預襯砌沉降收斂測試。

預切槽法不同于傳統工法，要獲取預襯砌的受力特性，不能采用傳統的土壓和應力測點埋設方法，因此，通過大量摸索研究，設計了新的土壓測點和結構應力測點埋設方法，以土壓測試為例，先在如圖2所示焊接成的鋼筋框上布置土壓盒，當切槽完成后，迅速將布置有土壓盒和鋼筋計的鋼筋框置入槽段相應位置，并讀取初讀數，當槽內噴射混凝土完成后，即可測試相應位置的土壓力和預支護應力。

圖2　鋼架上布置土壓盒

現場試驗原計劃做2環預襯砌，后由于現場地質災害引發山體滑坡只施做了一環?，F場試驗情況如圖3～圖4所示。

圖3　現場切槽及試驗情況

圖4　切槽腳部土壓量測

3試驗過程預襯砌受力及變形測試

在洞外預切槽法工業化試驗過程中，拱頂部位土壓測點的埋設異常困難，而且現場不具備條件，因此本次試驗預襯砌受力測點主要布置在邊墻和拱腳(預襯砌最下部)部位。

3.1土壓力量測

預襯砌土壓力從2014年7月26日21：00開始測試，到8月14日結束。圖5給出了土壓變化情況。

圖5　預襯砌土壓力變化曲線

分析圖5曲線可以發現，邊墻處的土壓最大為0.131 MPa，該試驗斷面處隧道埋深在30 m左右，測試值約為規范計算土壓的50%。測試得到的拱腳處側向土壓比邊墻處小，這是由于拱腳處為切槽最低點，沒有繼續下部開挖，因此整體應力釋放并未完成。但是可以發現，左右拱腳處的豎向壓力隨時間持續增長，因此預切槽法對腳部地基的承載力要求較大。

3.2混凝土內力量測

圖6給出了預襯砌邊墻內側和左右拱腳外側應力測試情況。

圖6　施工過程預襯砌應力變化曲線

分析圖6可以發現，預襯砌的應力總體隨時間在增長，出現了拉應力，且拱腳拉應力的數值最大達到3.1 MPa，邊墻達到2.1 MPa，分析認為，由于測點埋設后并未進行掌子面的大量開挖，因此測到的預襯砌應力主要應與混凝土硬化過程有關，由于受力引起的成分是較小的。但是大量數值計算分析表明，拱腳部位是易于出現拉應力的，尤其在拱腳處理不好的情況下，因此實際施工中對該部位的加固一定要重視。

3.3沉降收斂量測

圖7～圖9給出了測得的預襯砌左右邊墻及拱腳的沉降曲線。

圖7　預襯砌邊墻沉降曲線圖

圖9　預襯砌收斂曲線

分析以上數據表明，預襯砌整體變形較小。當然，在此試驗階段，并未進行預襯砌下土體的大規模開挖。

4分析及思考

4.1對預襯砌控制變形能力及其受力的思考

不同于一般的初期支護，機械預切槽法形成的預襯砌承擔著預支護和初期支護的雙重功能，對預襯砌受力的掌握是預切槽工法支護結構合理設計的基礎。由于現場試驗沒能按計劃進行，目前還不能通過實測數據分析出預襯砌的荷載特性。隧道初期支護的受力與其施工方法是密切相關的，對于預切槽法而言，預襯砌是在掌子面前方邊切邊灌形成的，當預襯砌達到一定強度再進行下方土體的開挖，研究表明[10-11]，預襯砌有助于保護地層的自然特性，顯著降低地層上方的坍落拱范圍，從而使得地層變形大大減少，并且發現預襯砌的形成有助于減小掌子面前方地層預收斂。圖10給出了法國位于相同地層條件和相同埋深條件下2個工程的實測地表沉降情況，其中單純采用臺階法施工的格麗尼隧道跨度8.74 m，采用預切槽法施工的豐特尼蘇—布瓦隧道跨度10.4 m，由圖10可以發現，預切槽法的最終地表沉降約為新奧法的30%。

新奧法:格麗尼隧道　預切槽法：豐特尼蘇-布瓦隧道圖10　兩座隧道沉降對比

由于較大地限制了地層變形，預襯砌承受的地層壓力通常較大，日本在北陸公路名立隧道的預切槽法試驗段測試發現，切槽混凝土比新奧法中噴混凝土的軸力約大4.5倍[12]。本次現場實測得到的邊墻土壓在下部土體未大規模開挖時(預留核心土未開挖)達到規范計算值的50%，也說明預襯砌的受力較大。數值計算結果也表明[11]，在其他條件相同的情況下，采用預切槽法時預襯砌受力比采用臺階法時初期支護的受力要大。但是數值計算的參數分析發現，當圍巖條件繼續變差時，二者的差距在逐漸減小，據此可以推測，對于給定的埋深和其他支護參數條件，必然存在某種圍巖條件，二者的差距縮小為0?？梢岳斫鉃殡S著圍巖的逐漸變差，在傳統的施工方法中，坍落荷載開始呈現，而預切槽法由于可以極大地保持地層的自然特性，因而圍巖壓力仍處于形變壓力階段。由此也說明，從理論上來講，在較為軟弱的圍巖中，更適合運用預切槽技術，此點在新意法對圍巖分類的思想中得到證實。根據掌子面與隧道徑向應力與變形曲線(P-U曲線)的關系，新意法將圍巖分為3類，如圖11所示。

圖11　不同圍巖掌子面與P-U曲線位置關系圖示

圖11中，掌子面前方圍巖預收斂值UA

4.2對預切槽機械在黃土隧道應用的思考

從中心軸式預切槽機械在黃土隧道現場的試驗情況來看，在黏質黃土中成槽的穩定性是完全能保證的。在砂質黃土中，成槽能短期穩定，只要混凝土灌注及時圍巖的變形就較小。但是現場發現的問題是機械的切灌一體化不能得到很好解決，因此最終預襯砌環是通過切槽-噴混凝土的方式形成的，同時噴射過程中發生多次堵管，最終槽段的穩定性、預襯砌的質量與噴混凝土的及時性、噴注密實程度、槽段的大小及劃分等有著非常密切的關系，另外在含水地層中運用的局限將加大。由于黃土隧道真正迫切需要預切槽技術的是砂質黃土地段， 因此從現場試驗的結果來看，為了在黃土隧道中得到廣泛運用，我國第一代中心軸式預切槽機械尚需要在切灌一體化方面進行研究和改進。

5結論

預切槽技術在我國尚屬空白，中心軸式預切槽機械的研發成功無疑為預切槽技術在我國的發展開辟了道路。通過在黃土隧道進行的預切槽法試驗，得到以下主要結論。

(1)研制的中心軸式預切槽機械切割成槽質量好，在黏質黃土中成槽的穩定性好，在砂質黃土中能短期穩定，配合混凝土的及時灌注可以保證圍巖穩定。但目前機械的切灌一體化方面的配套問題尚需深入研究。

(2)測試得到的預襯砌變形較小，預切槽法在控制地層變形方面的優勢較為顯著。由于盡可能限制了地層的變形，預襯砌承受的地層壓力通常較大，現場測試得到的土壓也較大。但是由于預襯砌可以減小地層應力的急劇釋放，更適于運用于掌子面前方容易出現較大預收斂變形的圍巖中，這是預襯砌上承受的荷載相比傳統方法反而有減小。

(3)現場測試得到預襯砌拱腳(預襯砌最底部)處豎向壓力隨時間持續增長且較大，因此預切槽法對腳部地基的承載力要求較大。另外，拱腳部位出現了拉應力，實際施工中對該部位的加固一定要予以重視。

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Application Test of Center Axis Pre-cut Machine in Large-section Loess Tunnel

SUN Bing1， WANG Xiu-ying2， TAN Zhong-sheng2

(1.China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China; 2.School of Civil Engineering of Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Abstract：Loess is a special kind of quaternary continental loose debris， characterized by low strength， large deformation and poor stability. Large section loess tunnel construction in China usually employs such methods as three-bench seven-step excavation method， CD， CRD and double side drift method， which may result in great many construction processes， low progress， difficulties in controlling deformation， excessive temporary support and complex connection of supporting structures in each individual small section. Therefore， it is necessary to study mechanized construction method for soft ground tunneling. The pre-cut method attracts again the attention of domestic tunnel constructors due to its advantages in controlling ground deformation and construction speed. In 2013， China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd. successfully developed the first generation center axis pre-cut machine in China. To master the performances and characteristics of the machine with respect to the stress and deformation in pre-lining process， tests are conducted in large-section loess tunnel. The results show that (1) the machine has good cutting capacity in loess strata， but further study is required on the integration of cutting and filling; (2) due to limited deformation of strata， the pre-lining bears bigger ground pressure; (3) the pre-cut method requires higher bearing capacity of the foot foundation and the foot of the pre-lining is a tensile-stress-concentrated area， which needs to be consolidated during construction．

Key words：Railway tunnel; loess tunnel; Pre-cut machine; Pre-lining; Field test

文章編號：1004-2954(2016)05-0074-05

收稿日期：2015-09-29； 修回日期：2015-11-12

基金項目：國家科技支撐計劃(2013BAF07B06)

作者簡介：孫兵(1981—)，男，高級工程師，2009年畢業于西南交通大學隧道專業，工學博士，E-mail:bing_sun@yeah.net。

中圖分類號：U45

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.016