鐵路隧道軟弱圍巖銑挖法施工技術應用

黃貴平，張延峰

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

1 概述

隨著我國鐵路建設的不斷發(fā)展，隧道的占比越來越大，由于速度要求、線路規(guī)劃、環(huán)境保護等因素的影響，隧道工程向長大、深埋方向發(fā)展，隨之環(huán)境惡劣、地質復雜、風險性高、施工難度大的隧道工程不斷涌現(xiàn)。新烏鞘嶺隧道全長17 125 m，是蘭（州）張（掖）三四線鐵路的控制性工程，設計為單洞雙線隧道，其中Ⅴ級圍巖長7 170 m，占隧道總長度的42%。Ⅴ級圍巖以志留系下統(tǒng)板巖、千枚巖互層為主，并穿越4條斷層破碎帶，斷層帶主要為破碎巖及斷層泥礫組層，判定為Ⅲ級大變形。圍巖強度應力比為0.031～0.063，處于極高地應力狀態(tài)。圍巖自穩(wěn)能力差、巖性松散、承載力差、遇水軟化，極易產(chǎn)生較大且不規(guī)律的沉降和收斂變形（圍巖變形量在40～60 cm）。巖層擠壓和支護負載上蠕變效應明顯，易引發(fā)初期支護變形甚至侵限等安全質量事故。若采用鉆爆法開挖，會對圍巖產(chǎn)生劇烈擾動，且加速加劇隧道洞周外圍松動圈的產(chǎn)生，從而引發(fā)掌子面塌方，且高地應力軟巖大變形地質爆破開挖，隧道輪廓難以成型。而新烏鞘嶺隧道單洞雙線開挖尺寸，具備懸臂掘進機作業(yè)條件，借鑒蘭渝鐵路兩水隧道、武廣高鐵瀏陽河隧道、渭武高速木寨嶺隧道等銑挖法施工案例，確定采用懸臂掘進機進行銑挖法施工。

2 銑挖法施工技術

2.1 銑挖法施工技術原理及設備選型

銑挖法施工是指利用懸臂掘進機或銑挖機設備前端截割齒不斷旋轉，機械研磨剝離巖層［1］，實現(xiàn)沿特定輪廓開挖的目的。目前懸臂掘進機已具備剝離巖層、裝載運出、機器本身的行走調動以及噴霧除塵等功能，即集截割、裝載、運輸、行走于一身。銑挖法開挖以確保掌子面穩(wěn)定為前提，以控制圍巖變形為核心，充分利用圍巖開挖后的自穩(wěn)能力及時空效應，注重早期支護并快速閉合，積極干預加固圍巖，實現(xiàn)“快挖、快支、主動支護、快速封閉”［2-3］。

懸臂掘進機的選型應遵循先進高效、配套合理，能滿足施工安全經(jīng)濟和均衡生產(chǎn)的原則，保證各施工環(huán)節(jié)、各機械設備相互協(xié)調，充分發(fā)揮最大效能［4］。根據(jù)隧道環(huán)境、地質情況、作業(yè)空間等工況條件和銑挖設備的工作性能，確定相適應的截割順序、開挖步驟、截割空間劃分和配套的支護設備、措施等［5］。

新烏鞘嶺隧道充分利用了蘭武二線烏鞘嶺特長隧道既有的8 號、9 號斜井，在斜井內修建支洞與新建隧道連通。既有斜井斷面狹窄，且彎道較多，最小斷面處寬3.4 m、高4.5 m，既有懸臂掘進機無法通行。經(jīng)充分考慮設備運輸、裝機、走行通道、作業(yè)范圍和截割效率等方面要求，選擇了裝備的CTR300A 型懸臂掘進機（負責8、9 號斜井工區(qū)張掖端施工）和CTR260T 型懸臂掘進機（負責9 號斜井工區(qū)蘭州端施工）。2 種型號懸臂掘進機截割效率在55～60 m3/h，適用于5～60 MPa 強度圍巖施工，最大可截割160 MPa 強度圍巖。懸臂掘進機在洞外拆除鏟板部、扶梯及機身兩側踏板后，行走至洞內，再行拼裝。

2.2 施工關鍵技術

根據(jù)隧道地質情況和圍巖穩(wěn)定性，采用上下臺階預留核心土法施工。銑挖法開挖隧道臺階設置（見圖1）：上臺階高6.2～6.5 m、寬14.8～15.5 m，下臺階高4.2～4.5 m、寬14.3～15.1 m；上臺階長25～30 m，下臺階長30～35 m。綜合圍巖情況和安全步距要求，仰拱封閉成環(huán)距掌子面約55～65 m。

圖1 銑挖法開挖隧道臺階設置

2.2.1 圍巖預加固

隧道銑挖法施工比較適用于以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主的無水或少水隧道，或經(jīng)過加固后的軟弱圍巖隧道，因此掌子面穩(wěn)定是銑挖法施工的前提，要根據(jù)掌子面地質情況、滲漏水情況和圍巖穩(wěn)定性采取合理的超前支護措施。隧道采用?42 mm 單層超前小導管、?42 mm 雙層超前小導管、?89 mm 中管棚+?42 mm 超前小導管3種形式，超前支護沿隧道縱向水平有效搭接不小于1.5 m，超前支護措施可根據(jù)圍巖松散程度及節(jié)理發(fā)育程度動態(tài)選擇調整。對于有出漏水地段，利用超前水平鉆探明掌子面前方富水情況，集中出水處進行打孔引流，避免引水浸泡掌子面。

2.2.2 上臺階截割掘進

上臺階開挖時，預留核心土對維持掌子面穩(wěn)定有很大的作用。核心土預留尺寸以能保持開挖、支護期間掌子面穩(wěn)定，且不影響作業(yè)設備運行為宜，隧道預留核心土尺寸橫向寬3.3 m、縱向長4 m、高4.2 m。隧道所用懸臂掘進機截割頭順時針旋轉，每部位截割走向按自下而上的順序進行（見圖2）［6］。如節(jié)理發(fā)育較高時，順沿節(jié)理方向逐步截割。放樣輪廓內主要部分截割完畢后，再對輪廓線處進行截割修整。

圖2 上臺階開挖順序圖

懸臂掘進機截割頭前端至鏟板前端約為2.2 m（截割臂平放時），受核心土影響，核心土上方至拱頂2 m范圍（圖2 ②部）懸臂掘進機截割頭觸及不到，該部位可使用破碎錘施工。核心土兩側（圖2①部）采用懸臂掘進機施工，核心土本身（圖2 ③部）采用懸臂掘進機或破碎錘均可（見圖3）。

圖3 核心土開挖

懸臂掘進機在上臺階掘進開挖時，自卸車可在后方卸料口處直接接渣或采用挖掘機、裝載機配合裝渣。

針對圍巖硬度可選擇不同的截齒和截齒螺紋線的排布方式，確保設備有更好的截割能力，提高施工效率。當局部有硬巖時，可選用截割力大，破巖能力強的小直徑截割頭，以降低掘進難度及截齒消耗量。

2.2.3 下臺階截割掘進

上、下臺階之間留有15 ?左右的坡道，作為設備上下臺階的移機通道。上臺階掘進一個循環(huán)（根據(jù)設計要求，一般1～2榀拱架）后，設備移至下臺階進行掘進開挖，視下臺階高度和設備卸料口高度，一般采用挖掘機、裝載機配合裝渣（見圖4）。下臺階掘進時，上臺階進行初期支護作業(yè)。截割順序、輪廓線修整及裝渣運輸?shù)绕渌马椡吓_階。

圖4 下臺階開挖

2.2.4 圍巖監(jiān)控量測

嚴格按規(guī)程要求進行監(jiān)控量測，將監(jiān)控量測工作納入隧道施工工序管理，及時進行數(shù)據(jù)分析和信息反饋。監(jiān)控量測作為檢驗設計、施工是否合理和圍巖、結構是否安全穩(wěn)定的重要手段，始終伴隨施工全過程，切實起到保證施工安全、指導施工作業(yè)的作用。

隧道Ⅴ級圍巖按間距5 m布設監(jiān)控量測斷面，每個斷面布設1 個拱頂沉降點、4 個周邊收斂點（2 條收斂觀測線），并根據(jù)圍巖變形情況適當加密監(jiān)測斷面，采用全站儀進行觀測（見圖5）。

圖5 全站儀監(jiān)測測點布設

當測點位移速率大于5 mm/d 時，分析原因采取處理措施；當測點位移速率連續(xù)2 d 大于10 mm/d 時停止掌子面施工，分析原因采取處理措施；當測點位移速率大于15 mm/d 時，停止測點前方及掌子面掘進施工，提級分析原因并研究采取處理措施。

3 銑挖法與鉆爆法開挖隧道變形對比分析

經(jīng)對相同地質條件、相同監(jiān)測周期內，采用鉆爆法開挖與采用銑挖法開挖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，銑挖法開挖變形速率低，累計變形量小（見圖6）。

圖6 銑挖法開挖與鉆爆法開挖拱頂沉降變形曲線對比

鉆爆法開挖（以DK171+115 掌子面為例）：自上臺階開挖至下臺階開挖（23 d），以13.6 mm/d的速率沉降312.8 mm；自第23 d下臺階開挖至第55 d（仰拱開挖后11 d，共32 d）以5 mm/d 的速率沉降159.6 mm；自第55 d 至第69 d（14 d）以3.6 mm/d 的速率沉降50.4 mm后趨于收斂；共計沉降522.2 mm。

銑挖法開挖（以DK171+715 掌子面為例）：自上臺階開挖至下臺階開挖（47 d），以0.5 mm/d 的速率沉降23.5 mm；自第47 d 下臺階開挖至第69 d（仰拱開挖后7 d，共22 d）以7.5 mm/d的速率沉降165.7 mm。

4 結束語

軟弱地質圍巖隧道銑挖法開挖對周邊圍巖擾動小，后期支護變形小；可準確控制超欠挖，開挖輪廓成型好［7-8］；開挖、出渣、霧炮降塵可同步進行，節(jié)約工序轉換時間，有效保證洞內作業(yè)環(huán)境；懸臂掘進機采用電力驅動，同等條件下可減少內燃驅動設備對洞內空氣的污染。綜上所述，在軟弱大變形地質隧道施工中，銑挖法是比較可行的方法。