隧道斷層破碎帶銑挖法開(kāi)挖施工技術(shù)

張 松

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

1 工程概況

廣大鐵路祥云隧道位于云南省大理市彌渡縣紅巖鎮(zhèn)水墨坪村，隧道正洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度6940 m（D1K141+455—D1K148+395），平導(dǎo)長(zhǎng)度為5600 m（隧道進(jìn)口PDK141+452—PDK144+700，隧道出口PDK148+377—PDK145+995）。

地質(zhì)調(diào)查報(bào)告顯示，該隧道所在位置受地質(zhì)構(gòu)造的影響存在4 個(gè)斷裂構(gòu)造，分別為小溝斷層、朝陽(yáng)村斷層、上北邑?cái)鄬?、二臺(tái)坡2#斷層，斷層總長(zhǎng)693 m。斷層破碎帶設(shè)計(jì)地質(zhì)圍巖為V 級(jí)，分布著深灰色灰?guī)r夾淺灰色泥灰?guī)r、黑色頁(yè)巖和砂巖，圍巖整體較薄，層狀分布，巖體之間的軟硬差異大，受風(fēng)化影響大，巖體不連續(xù)，破碎、松散、富水，穩(wěn)定性不高。銑挖法優(yōu)勢(shì)突出，在斷層破碎帶中應(yīng)用銑挖法不僅僅能夠避免超挖，還能夠減少對(duì)圍巖的干擾，保證施工順利進(jìn)行[1-2]。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組反復(fù)研究與討論，最后確定在進(jìn)行祥云隧道隧道開(kāi)挖施工中應(yīng)用銑挖法。

2 銑挖機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

祥云隧道出口選用德國(guó)艾卡特ER100 型橫向銑挖機(jī)頭配小松200 型液壓挖掘機(jī)。銑挖工藝特點(diǎn)如下：

（1）銑挖范圍廣。該類型銑挖機(jī)能夠良滿足本隧道工程三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法的需求，其最大挖掘半徑與挖掘高度分別能達(dá)到7.5 m 和6.8 m，銑挖寬度可達(dá)到50 cm。

（2）低振動(dòng)、低噪聲。在限制爆破地段施工時(shí)，可有效替換傳統(tǒng)的爆破施工，對(duì)圍巖和周邊環(huán)境的干擾小。

（3）開(kāi)挖面控制精確?？刂凭_，能夠高效精準(zhǔn)地完成修正開(kāi)挖輪廓的任務(wù)，避免超、欠挖，效果佳、成本低。

（4）安全性好。與傳統(tǒng)隧道掘進(jìn)不同的是，銑挖機(jī)不用人工進(jìn)行軟巖或破碎巖層的掘進(jìn)作業(yè)，安全性高。

（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。不需要額外裝配其他的配套設(shè)備，可安裝在任何一臺(tái)既有的液壓挖掘機(jī)上，可直接利用液壓破碎錘或液壓鉗的液壓回路進(jìn)行安裝，縮減了用于購(gòu)買挖掘機(jī)的成本。

（6）檢修維護(hù)成本低。銑挖機(jī)養(yǎng)護(hù)與維修費(fèi)用較低，只需要進(jìn)行銑挖刀頭的更換和檢查、緊固螺栓，并且不同型號(hào)的液壓電機(jī)能夠互換。

（7）高效、低振動(dòng)。銑挖機(jī)中配置的撥料螺旋能夠提高銑挖作業(yè)效率，保證銑挖過(guò)程中不會(huì)發(fā)生巨大振動(dòng)。

3 銑挖法施工要點(diǎn)

3.1 開(kāi)挖

（1）開(kāi)挖方法。祥云隧道在Ⅴ級(jí)斷層破碎帶圍巖施工時(shí)，正洞采用三臺(tái)階七步法開(kāi)挖，平導(dǎo)采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖。銑挖機(jī)先從拱腳或者邊墻角位置開(kāi)始開(kāi)挖作業(yè)，并遵循“自下而上、先硬后軟”的原則，保證施工現(xiàn)場(chǎng)的流暢性。而針對(duì)軟硬程度不一的巖石，如軟硬兼半和軟硬不均的巖石，操作手在操作銑挖機(jī)時(shí)要先開(kāi)挖質(zhì)地堅(jiān)硬需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間的硬巖，避免擾動(dòng)軟巖，預(yù)防塌方事故。

（2）上臺(tái)階開(kāi)挖。本隧道工程開(kāi)挖施工的具體工況：隧道主洞上臺(tái)階開(kāi)挖斷面高度為3.6 m，寬度為12.2 m；平導(dǎo)上臺(tái)階開(kāi)挖斷面高度為2.92 m，寬度為6.74 m。

基于掌子面的穩(wěn)定性，將上臺(tái)階開(kāi)挖施工細(xì)分為預(yù)留核心土與不預(yù)留核心土，這兩種施工方式的具體操作有一定的區(qū)別。其中，選擇預(yù)留核心土施工方法時(shí)，要先將核心土周圍的巖石開(kāi)挖干凈，再逐漸向周邊靠近，遵循“自下而上、先硬后軟”的施工原則。而若選擇不預(yù)留核心土，就直接按照“自下而上、先中間到周邊及先硬后軟”的施工原則施工。

但不管是計(jì)劃預(yù)留核心土還是不預(yù)留，都必須嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程施工，應(yīng)用銑挖機(jī)進(jìn)行周邊開(kāi)挖施工，并保證開(kāi)挖面與鋼架間距＞30 cm。如果掌子面與周邊距離過(guò)近，而加上切削鼓與巖面又不是垂直關(guān)系，此時(shí)就需要進(jìn)行人工干預(yù)，預(yù)留出10～20 cm，使用風(fēng)鎬鑿除拱腳處的施工死角，保證鋼架安裝到位。此外，還應(yīng)避免切削鼓或銑挖機(jī)施工時(shí)影響已經(jīng)成型的初期支護(hù)和開(kāi)挖輪廓線附近的超前支護(hù)[3]。

（3）中、下臺(tái)階開(kāi)挖。與上臺(tái)階開(kāi)挖遵循的原則不同的是，中、下臺(tái)階開(kāi)挖作業(yè)需要按照馬口方式開(kāi)展，具體就是先對(duì)一側(cè)進(jìn)行馬口開(kāi)挖，而相對(duì)一側(cè)預(yù)留2～2.5 m 的寬度，保證開(kāi)挖作業(yè)的穩(wěn)定性。在進(jìn)行中、下臺(tái)階的開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)該先對(duì)中間進(jìn)行開(kāi)挖，再進(jìn)行后邊墻的開(kāi)挖，勻速施工，在保證邊墻開(kāi)挖至拱腳位置，防止切削鼓與拱腳鋼架碰撞。若邊墻難以開(kāi)挖出拱腳位置，可利用風(fēng)鎬進(jìn)行人工鑿除。

（4）仰拱開(kāi)挖。仰拱開(kāi)挖應(yīng)遵循“由近到遠(yuǎn)、先中間后兩邊”的開(kāi)挖原則，并且自上而下開(kāi)展分層開(kāi)挖施工。結(jié)束開(kāi)挖作業(yè)后要及時(shí)進(jìn)行佯攻初期支護(hù)或二次襯砌。此外，還要在正式開(kāi)始仰拱開(kāi)挖前做好準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)排水系統(tǒng)的建設(shè)，防止隧道內(nèi)的水流入開(kāi)挖作業(yè)面，造成基礎(chǔ)底面出現(xiàn)軟化，增加換填環(huán)節(jié)，造成不必要的浪費(fèi)，影響施工進(jìn)度。

3.2 出渣作業(yè)

銑挖機(jī)的主要功能是銑挖掘進(jìn)，扒碴能力較為不足，因此在銑挖完成后，需要借助切削鼓完成清渣作業(yè)。為了保證出渣快速，避免棄渣影響后續(xù)銑挖施工，需要額外配備一臺(tái)挖掘機(jī)，輔助清理運(yùn)走工作面附近的棄渣。因?yàn)槿_(tái)階法開(kāi)挖扒碴產(chǎn)生的棄渣不多，清渣不到位還會(huì)增加后續(xù)工作量，因而最好選擇不使用裝載機(jī)。

3.3 支護(hù)

在斷面軟巖地質(zhì)隧道施工應(yīng)用銑挖法效果較為突出，在自穩(wěn)差、破碎、松散、富水的圍巖段進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工時(shí)，要盡可能少干擾到圍巖，并加強(qiáng)支護(hù)，嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程操作，完成銑挖施工后要及時(shí)封閉開(kāi)挖面，噴射混凝土，保證鋼拱架與錨桿的架設(shè)打進(jìn)質(zhì)量，防止因開(kāi)挖面長(zhǎng)時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，導(dǎo)致巖石風(fēng)化速度加快，穩(wěn)定性下降。銑挖機(jī)每次進(jìn)尺的多少要根據(jù)實(shí)際情況確定，要以開(kāi)挖面巖層穩(wěn)定性作為參考依據(jù)，保證進(jìn)尺科學(xué)，通常情況下進(jìn)尺0.6～1.2 m。此外，必須保證二次襯砌施作時(shí)間恰當(dāng)，盡可能早施作，施工人員要嚴(yán)格按照施工規(guī)范操作，不能等初期支護(hù)完全穩(wěn)定后再施作，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，造成侵限問(wèn)題。

3.4 循環(huán)掘進(jìn)

在完成銑挖任務(wù)后，操作手將銑挖機(jī)退離銑挖工作面，停靠得當(dāng)后進(jìn)行設(shè)備檢查與養(yǎng)護(hù)，接著展開(kāi)裝渣和出渣作業(yè)，兩者循環(huán)交替。出渣結(jié)束后要及時(shí)安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行混凝土噴射施工。

3.5 開(kāi)挖效率

影響銑挖作業(yè)效率的因素較為復(fù)雜，主要會(huì)受到銑挖作業(yè)面的地質(zhì)情況和銑挖施工技術(shù)、順序的影響。

根據(jù)工程實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，銑挖機(jī)銑挖作業(yè)效率由中心位置向兩側(cè)遞減，邊墻與公布輪廓線外的開(kāi)挖效率最低。當(dāng)然，在上、中、下3 個(gè)不同臺(tái)階中的銑挖作業(yè)效率也存在差異。在上臺(tái)階中開(kāi)挖時(shí)，若開(kāi)挖的基巖強(qiáng)度在30 MPa 范圍內(nèi)，開(kāi)挖量可達(dá)到30 m3/h，完成銑挖作業(yè)一般不會(huì)超過(guò)3 h。而中、下臺(tái)階開(kāi)挖量?jī)H為上臺(tái)階開(kāi)挖方量的1/2，開(kāi)挖邊較效率約為5 m3/h。

若銑挖作業(yè)時(shí)遇到不良地質(zhì)，如富水基巖，則必須充分考慮圍巖的穩(wěn)定性。待銑挖作業(yè)在進(jìn)行到周邊圍巖時(shí)，采取人工干預(yù)的方式，預(yù)留出足夠的空間，人工操作風(fēng)鎬對(duì)預(yù)留的30 cm 巖層進(jìn)行鑿除。若遇到質(zhì)地堅(jiān)硬的圍巖，可利用其他施工機(jī)械，如挖掘機(jī)與液壓破碎錘，兩者相互協(xié)調(diào)破碎巖石，完成掘進(jìn)作業(yè)。

4 銑挖法與鉆爆法分析對(duì)比

4.1 進(jìn)度指標(biāo)

根據(jù)本隧道工程的實(shí)際情況，上臺(tái)階所需要的開(kāi)挖時(shí)間多，整個(gè)施工的進(jìn)度受上臺(tái)階施工進(jìn)度的影響大。對(duì)此，分析隧道正洞上臺(tái)階施工情況與施工進(jìn)度。

（1）鉆爆法。采用鉆爆法施工，每個(gè)循環(huán)需要16 h，每天施工1.5（24/16）個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m，每月進(jìn)尺54 m 左右。

（2）銑挖法配合人工開(kāi)挖。采用銑挖法配合人工開(kāi)挖施工，每個(gè)循環(huán)需要12.67 h，每天施工1.89（24/12.67）個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，每月進(jìn)尺68 m 左右。

基于上述分析可以看出，采用鉆爆法施工的月開(kāi)挖進(jìn)尺比銑挖法施工的月開(kāi)挖進(jìn)尺少14 m。故在斷層破碎帶等軟弱地質(zhì)隧道中采用鉆爆法施工掘進(jìn)速度較慢，而采用銑挖機(jī)開(kāi)挖，縮減了一些施工工序，安全性與施工效率都較高。

4.2 開(kāi)挖效果

在大斷面軟巖地質(zhì)隧道施工中應(yīng)用鉆爆法施工效果較為有限，并且在施工過(guò)程中還會(huì)對(duì)圍巖造成較大干擾，安全隱患多，出現(xiàn)坍塌事故概率高。而應(yīng)用銑挖法與人工開(kāi)挖相互配合的施工方法不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的超挖量，且對(duì)圍巖的干擾較小、銑挖作業(yè)效率高。

4.3 變形指標(biāo)

經(jīng)過(guò)對(duì)鉆爆法與銑挖法施工數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)，鉆爆法施工日均下沉量和收斂量較大，并且還會(huì)降低已支護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)變形，變形數(shù)據(jù)達(dá)到1～2 cm。而在大斷面軟巖地質(zhì)中應(yīng)用銑挖法，既能保證開(kāi)挖效率，保證在規(guī)定工期內(nèi)完成銑挖作業(yè)，又能改善圍巖變形情況，安全性與穩(wěn)定性都高于鉆爆法。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，銑挖法相較于鉆爆法，在工期、開(kāi)挖效果及圍巖穩(wěn)定性等方面皆具有明顯優(yōu)勢(shì)。廣大鐵路祥云隧道應(yīng)用“銑挖法”開(kāi)挖施工，不僅能夠提高施工效率，還能夠改善圍巖變形情況，有效控制隧道的超、欠挖現(xiàn)象，安全順利地通過(guò)該斷層破碎帶，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。