既有高鐵隧道上方超大斷面隧道機(jī)械開挖施工技術(shù)應(yīng)用

劉 暢 馬運(yùn)新 張 旭 楊守興 陳小瑋 張 遇

中建八局第一建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的不斷加快，新建或改建的道路與既有運(yùn)營鐵路的交集日趨密集，鄰近既有鐵路隧道的新建隧道施工也在逐年增加[1-3]。由于隧道施工本身的隱蔽性、圍巖受力的復(fù)雜性，導(dǎo)致鄰近既有隧道的新建隧道施工不確定風(fēng)險因素加大，保障鄰近既有隧道的穩(wěn)定及安全運(yùn)行成為了新建隧道施工的關(guān)鍵。目前我國新建隧道主要采用鉆爆法施工[4-5]，這種施工方法的施工工藝較成熟、應(yīng)用范圍廣，但其產(chǎn)生的爆破振動給既有鄰近高鐵隧道的安全運(yùn)行帶來了威脅，故在現(xiàn)有的鄰近既有高鐵隧道的新建隧道施工中往往采用非爆破開挖方式施工，以保障既有隧道的運(yùn)行安全[6]。傳統(tǒng)的非爆破施工方法有人工開挖法、靜態(tài)破碎法、破碎錘破碎法等，上述幾種非爆破施工方法在超大斷面隧道施工過程中存在著施工風(fēng)險大、施工成本高、施工效率低的缺陷[7]。懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)械開挖施工技術(shù)具有開挖效率高、對圍巖擾動小的特點(diǎn)，在我國礦山巷道或地鐵隧道等中小斷面隧道施工中得到了成功應(yīng)用，但在大斷面、超大斷面隧道施工中，因作業(yè)半徑受限、施工粉塵大及開挖輪廓人工控制困難等難題，限制了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用[8-9]。

在保證鄰近高鐵隧道安全運(yùn)行的前提下，為保障新建隧道的施工安全、工期，在新建草籽崗隧道施工中引進(jìn)了礦山用的懸臂掘進(jìn)機(jī)對隧道進(jìn)行機(jī)械開挖。施工中采取分區(qū)域開挖、激光指向、高壓水噴淋降塵等措施對掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)進(jìn)行完善，取得了良好的施工效果和安全效益。

1 工程概況

草籽崗隧道位于浙江省余姚市境內(nèi)，隧道最大埋深130 m，采用雙向六車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度80 km/h，采用左右洞分離的形式，為分離式長隧道。左線全長1 130 m，右線全長1 180 m。隧道單洞行車道3× 3.75 m，單洞建筑限界總寬度14 m，徑高5 m，最大開挖斷面為171 m2，屬超大斷面隧道。該隧道采用新奧法原理設(shè)計、施工，設(shè)計采用鉆爆開挖。

草籽崗隧道位于剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏較大，山體表部零散分布碎石土，局部見塊石，局部完整性為一般-較差。部分路段受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，影響隧道圍巖的穩(wěn)定性。隧址水文地質(zhì)條件簡單，以基巖裂隙水為主，進(jìn)洞口段和節(jié)理密集帶發(fā)育段地下水較豐富，其余區(qū)域地下水較貧乏。

草籽崗隧道出口端與既有大腦山高鐵隧道的直線距離約為965 m，進(jìn)口端與既有大腦山隧道的水平距離約為50 m，垂直距離約為30 m。

由于新建隧道位于高鐵隧道1 000 m范圍以內(nèi)，被評定為鄰近營業(yè)線Ⅲ級施工，鄰近高鐵隧道0～100 m范圍內(nèi)禁止爆破施工。新建草籽崗隧道與鄰近既有高鐵隧道的空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有高鐵隧道的空間位置關(guān)系

2 開挖機(jī)械的選擇

由于鄰近高鐵段無法采用傳統(tǒng)的鉆爆施工，為保障施工進(jìn)度及高鐵隧道的運(yùn)行安全，S5段需選用機(jī)械開挖。通過調(diào)查分析，隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖掘進(jìn)速度及成本消耗主要與巖石單向抗壓強(qiáng)度Rc、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)QB、圍巖級別等3個因素有關(guān)（表1～表3）。

表1 圍巖強(qiáng)度與掘進(jìn)機(jī)適用性劃分

表2 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)與掘進(jìn)機(jī)適用性劃分

表3 圍巖級別與掘進(jìn)機(jī)適用性劃分

結(jié)合表1～表3可知，Rc在20～60 MPa之間，QB在250～400之間，圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ時，懸臂掘進(jìn)機(jī)的截割效率較優(yōu)，消耗較少。草籽崗隧道地勘報告顯示，該段圍巖巖體破碎、完整性差，圍巖為散體狀-碎裂狀結(jié)構(gòu)，QB＜250，Rc=40.5 MPa，隧道圍巖符合上述條件，故選用EBZ260T懸臂掘進(jìn)機(jī)（圖2）進(jìn)行涉鐵段機(jī)械開挖。

圖2 EBZ260T懸臂掘進(jìn)機(jī)

3 機(jī)械開挖施工工藝

3.1 分區(qū)域開挖工藝流程

為保障超大斷面隧道開挖施工安全，考慮到懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)半徑的限制，對隧道掌子面進(jìn)行分區(qū)域開挖。將掌子面分為5個部分，按照①→②→③→④→⑤的順序進(jìn)行開挖支護(hù)施工（圖3）。

具體開挖工序如下：

1）開挖先行導(dǎo)坑上臺階①部分，施作先行導(dǎo)坑拱架Ⅰ、中隔壁Ⅱ及錨噴混凝土（上部）。

2）落后①部分10～15 m開挖后行導(dǎo)坑上臺階②部分，施作后行導(dǎo)坑拱架Ⅰ及錨噴混凝土（上部）。

3）上臺階導(dǎo)坑開挖30～35 m后，開挖下臺階導(dǎo)坑③、④部分，其中③部分應(yīng)超前④部分3～5 m，防止上臺階兩側(cè)拱腳同時懸空，及時施做拱架Ⅰ及錨噴混凝土（下部）。

4）圍巖和初支變形穩(wěn)定后，逐段拆除中隔壁Ⅱ，開挖⑤部分，施做初支仰拱Ⅳ，鋪掛防水板Ⅲ，綁扎二襯鋼筋，澆筑二襯混凝土Ⅴ。

3.2 機(jī)械銑挖工藝流程

根據(jù)隧道斷面分區(qū)情況，懸臂掘進(jìn)機(jī)采用由下至上“回”字形銑挖方式破碎圍巖，在輪廓邊緣預(yù)留約20 cm的余量，操作手通過慢速操作機(jī)械，手動控制截割量，精修輪廓，防止出現(xiàn)超欠挖情況（圖4）。破碎時通過鉆頭的高壓噴霧裝置配合洞口噴淋設(shè)施進(jìn)行降塵。破碎后的圍巖經(jīng)過星輪鏟板收攏至傳送機(jī)構(gòu)，通過懸臂式皮帶運(yùn)輸機(jī)，實現(xiàn)大范圍巖渣的收集和連續(xù)快速轉(zhuǎn)運(yùn)。

4 操作要點(diǎn)

4.1 隧道機(jī)械掘進(jìn)粉塵控制

圖3 隧道掌子面分區(qū)域開挖示意

圖4 懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖過程示意

隧道機(jī)械開挖是依靠掘進(jìn)機(jī)鉆頭與圍巖的摩擦來破碎巖石的，摩擦過程中會產(chǎn)生大量熱及粉塵。為冷卻鉆頭及降低粉塵，在隧道掘進(jìn)機(jī)鉆頭上安裝高壓噴霧裝置，在隧道洞口安裝環(huán)向噴淋降塵設(shè)施+霧炮除塵裝置。降塵設(shè)施的水消耗量為60 L/min，需配備蓄水池及增壓泵。蓄水池容積不小于30 m3，增壓泵的最大工作壓力不小于3 MPa。

其中洞口環(huán)向噴淋降塵設(shè)施采用φ42 mm無縫鋼管加工制作，鋼管采用冷彎設(shè)備彎曲成與隧道輪廓大小一致的拱形結(jié)構(gòu)，鉆孔后安裝高壓水霧噴頭，噴頭間距20 cm。噴淋用水自洞口蓄水池經(jīng)增壓泵加壓后，由高壓水霧噴頭噴出，以防止洞內(nèi)粉塵向外擴(kuò)散，最終達(dá)到降低施工揚(yáng)塵的目的。

4.2 隧道開挖輪廓線控制

掘進(jìn)機(jī)機(jī)械開挖施工不同于隧道爆破施工，機(jī)械開挖施工是一個動態(tài)過程，掌子面圍巖隨時會被剝落，以往采用噴漆標(biāo)記隧道斷面輪廓的方式已不再適用。為控制隧道開挖輪廓，防止超挖和欠挖，在隧道拱頂位置安裝激光指向裝置用以配合掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工（圖5）。

圖5 隧道斷面激光指向儀安裝示意

安裝前需事先在隧道頂部安裝2根φ22 mm的錨桿，埋設(shè)深度不宜小于50 cm，錨桿間距為30～40 cm，錨桿外露的長度以不影響激光指向儀的安裝、調(diào)試和洞內(nèi)施工為準(zhǔn)。待錨桿穩(wěn)定后，安裝激光指向儀。將激光指向儀通過接合器懸掛在錨桿下方并固定，再用拉桿將2根錨桿連接在一起，以增強(qiáng)激光指向儀的穩(wěn)定性。

4.3 隧道超前支護(hù)措施

相比普通的鉆爆施工方法，隧道采用機(jī)械開挖方法，圍巖暴露時間較長，對圍巖條件較差地段需做好隧道超前支護(hù)。洞口段采用打設(shè)大管棚的超前支護(hù)方式，洞內(nèi)采用密排小導(dǎo)管做超前支護(hù)。其中大管棚宜采用φ108 mm×6 mm鋼管，洞身采用單排φ48 mm×4 mm無縫鋼管超前小導(dǎo)管支護(hù)，小導(dǎo)管單根長度5 m，外插角5°～7°，每排搭接長度不小于1.5 m。

4.4 隧道監(jiān)控量測

草籽崗隧道S5段采用機(jī)械開挖后，對隧道地表、隧道初支拱圈埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，進(jìn)行了1個月的觀測。其中地表下沉最大點(diǎn)發(fā)生在距S5段施工終點(diǎn)10 m處，累計下沉量為46 mm，平均下沉速率為1.53 mm/d。拱頂最大下沉量也發(fā)生在該處，累計下沉量為32 mm，平均下沉速率為1.07 mm/d，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文通過對草籽崗隧道機(jī)械開挖應(yīng)用實例的總結(jié)分析，提出了一種新型的超大斷面隧道機(jī)械開挖施工技術(shù)，其核心技術(shù)如下：

1）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)對超大斷面隧道進(jìn)行分區(qū)域開挖，最大限度地發(fā)揮懸臂掘進(jìn)機(jī)的開挖效率。

2）通過在隧道掘進(jìn)機(jī)鉆頭上安裝高壓噴霧裝置，在隧道洞口安裝環(huán)向噴淋降塵設(shè)施+霧炮除塵裝置，有效降低了掘進(jìn)機(jī)施工揚(yáng)塵，改善了工人作業(yè)條件，有利于工人職業(yè)健康。

3）利用隧道激光指向裝置，標(biāo)記隧道開挖輪廓，有效避免了隧道超挖和欠挖等情況的產(chǎn)生，解決了隧道施工中超挖、欠挖難以控制的難題。

4）隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，采用超大斷面隧道機(jī)械開挖施工技術(shù)后，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，既保證了既有高鐵隧道的運(yùn)行安全，又保障了新建隧道的施工安全及工期要求，可以在類似的隧道工程項目中推廣使用。