黃貴平，張延峰

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

1 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道的占比越來(lái)越大，由于速度要求、線路規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等因素的影響，隧道工程向長(zhǎng)大、深埋方向發(fā)展，隨之環(huán)境惡劣、地質(zhì)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)17 125 m，是蘭（州）張（掖）三四線鐵路的控制性工程，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，其中Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)7 170 m，占隧道總長(zhǎng)度的42%。Ⅴ級(jí)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(jí)大變形。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為0.031～0.063，處于極高地應(yīng)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(hù)負(fù)載上蠕變效應(yīng)明顯，易引發(fā)初期支護(hù)變形甚至侵限等安全質(zhì)量事故。若采用鉆爆法開(kāi)挖，會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，且加速加劇隧道洞周外圍松動(dòng)圈的產(chǎn)生，從而引發(fā)掌子面塌方，且高地應(yīng)力軟巖大變形地質(zhì)爆破開(kāi)挖，隧道輪廓難以成型。而新烏鞘嶺隧道單洞雙線開(kāi)挖尺寸，具備懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)條件，借鑒蘭渝鐵路兩水隧道、武廣高鐵瀏陽(yáng)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(jìn)機(jī)進(jìn)行銑挖法施工。

2 銑挖法施工技術(shù)

2.1 銑挖法施工技術(shù)原理及設(shè)備選型

銑挖法施工是指利用懸臂掘進(jìn)機(jī)或銑挖機(jī)設(shè)備前端截割齒不斷旋轉(zhuǎn)，機(jī)械研磨剝離巖層［1］，實(shí)現(xiàn)沿特定輪廓開(kāi)挖的目的。目前懸臂掘進(jìn)機(jī)已具備剝離巖層、裝載運(yùn)出、機(jī)器本身的行走調(diào)動(dòng)以及噴霧除塵等功能，即集截割、裝載、運(yùn)輸、行走于一身。銑挖法開(kāi)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(kāi)挖后的自穩(wěn)能力及時(shí)空效應(yīng)，注重早期支護(hù)并快速閉合，積極干預(yù)加固圍巖，實(shí)現(xiàn)“快挖、快支、主動(dòng)支護(hù)、快速封閉”［2-3］。

懸臂掘進(jìn)機(jī)的選型應(yīng)遵循先進(jìn)高效、配套合理，能滿(mǎn)足施工安全經(jīng)濟(jì)和均衡生產(chǎn)的原則，保證各施工環(huán)節(jié)、各機(jī)械設(shè)備相互協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮最大效能［4］。根據(jù)隧道環(huán)境、地質(zhì)情況、作業(yè)空間等工況條件和銑挖設(shè)備的工作性能，確定相適應(yīng)的截割順序、開(kāi)挖步驟、截割空間劃分和配套的支護(hù)設(shè)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(zhǎng)隧道既有的8 號(hào)、9 號(hào)斜井，在斜井內(nèi)修建支洞與新建隧道連通。既有斜井?dāng)嗝妾M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(jìn)機(jī)無(wú)法通行。經(jīng)充分考慮設(shè)備運(yùn)輸、裝機(jī)、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(jìn)機(jī)（負(fù)責(zé)8、9 號(hào)斜井工區(qū)張掖端施工）和CTR260T 型懸臂掘進(jìn)機(jī)（負(fù)責(zé)9 號(hào)斜井工區(qū)蘭州端施工）。2 種型號(hào)懸臂掘進(jìn)機(jī)截割效率在55～60 m3/h，適用于5～60 MPa 強(qiáng)度圍巖施工，最大可截割160 MPa 強(qiáng)度圍巖。懸臂掘進(jìn)機(jī)在洞外拆除鏟板部、扶梯及機(jī)身兩側(cè)踏板后，行走至洞內(nèi)，再行拼裝。

2.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)隧道地質(zhì)情況和圍巖穩(wěn)定性，采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。銑挖法開(kāi)挖隧道臺(tái)階設(shè)置（見(jiàn)圖1）：上臺(tái)階高6.2～6.5 m、寬14.8～15.5 m，下臺(tái)階高4.2～4.5 m、寬14.3～15.1 m；上臺(tái)階長(zhǎng)25～30 m，下臺(tái)階長(zhǎng)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(kāi)挖隧道臺(tái)階設(shè)置

2.2.1 圍巖預(yù)加固

隧道銑挖法施工比較適用于以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主的無(wú)水或少水隧道，或經(jīng)過(guò)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(zhì)情況、滲漏水情況和圍巖穩(wěn)定性采取合理的超前支護(hù)措施。隧道采用?42 mm 單層超前小導(dǎo)管、?42 mm 雙層超前小導(dǎo)管、?89 mm 中管棚+?42 mm 超前小導(dǎo)管3種形式，超前支護(hù)沿隧道縱向水平有效搭接不小于1.5 m，超前支護(hù)措施可根據(jù)圍巖松散程度及節(jié)理發(fā)育程度動(dòng)態(tài)選擇調(diào)整。對(duì)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(jìn)行打孔引流，避免引水浸泡掌子面。

2.2.2 上臺(tái)階截割掘進(jìn)

上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，預(yù)留核心土對(duì)維持掌子面穩(wěn)定有很大的作用。核心土預(yù)留尺寸以能保持開(kāi)挖、支護(hù)期間掌子面穩(wěn)定，且不影響作業(yè)設(shè)備運(yùn)行為宜，隧道預(yù)留核心土尺寸橫向?qū)?.3 m、縱向長(zhǎng)4 m、高4.2 m。隧道所用懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每部位截割走向按自下而上的順序進(jìn)行（見(jiàn)圖2）［6］。如節(jié)理發(fā)育較高時(shí)，順沿節(jié)理方向逐步截割。放樣輪廓內(nèi)主要部分截割完畢后，再對(duì)輪廓線處進(jìn)行截割修整。

圖2 上臺(tái)階開(kāi)挖順序圖

懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭前端至鏟板前端約為2.2 m（截割臂平放時(shí)），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(jìn)機(jī)截割頭觸及不到，該部位可使用破碎錘施工。核心土兩側(cè)（圖2①部）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，核心土本身（圖2 ③部）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)或破碎錘均可（見(jiàn)圖3）。

圖3 核心土開(kāi)挖

懸臂掘進(jìn)機(jī)在上臺(tái)階掘進(jìn)開(kāi)挖時(shí)，自卸車(chē)可在后方卸料口處直接接渣或采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)配合裝渣。

針對(duì)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(shè)備有更好的截割能力，提高施工效率。當(dāng)局部有硬巖時(shí)，可選用截割力大，破巖能力強(qiáng)的小直徑截割頭，以降低掘進(jìn)難度及截齒消耗量。

2.2.3 下臺(tái)階截割掘進(jìn)

上、下臺(tái)階之間留有15 ?左右的坡道，作為設(shè)備上下臺(tái)階的移機(jī)通道。上臺(tái)階掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)（根據(jù)設(shè)計(jì)要求，一般1～2榀拱架）后，設(shè)備移至下臺(tái)階進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)挖，視下臺(tái)階高度和設(shè)備卸料口高度，一般采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)配合裝渣（見(jiàn)圖4）。下臺(tái)階掘進(jìn)時(shí)，上臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)。截割順序、輪廓線修整及裝渣運(yùn)輸?shù)绕渌马?xiàng)同上臺(tái)階。

圖4 下臺(tái)階開(kāi)挖

2.2.4 圍巖監(jiān)控量測(cè)

嚴(yán)格按規(guī)程要求進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，將監(jiān)控量測(cè)工作納入隧道施工工序管理，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和信息反饋。監(jiān)控量測(cè)作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、施工是否合理和圍巖、結(jié)構(gòu)是否安全穩(wěn)定的重要手段，始終伴隨施工全過(guò)程，切實(shí)起到保證施工安全、指導(dǎo)施工作業(yè)的作用。

隧道Ⅴ級(jí)圍巖按間距5 m布設(shè)監(jiān)控量測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)1 個(gè)拱頂沉降點(diǎn)、4 個(gè)周邊收斂點(diǎn)（2 條收斂觀測(cè)線），并根據(jù)圍巖變形情況適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)斷面，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)（見(jiàn)圖5）。

圖5 全站儀監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

當(dāng)測(cè)點(diǎn)位移速率大于5 mm/d 時(shí)，分析原因采取處理措施；當(dāng)測(cè)點(diǎn)位移速率連續(xù)2 d 大于10 mm/d 時(shí)停止掌子面施工，分析原因采取處理措施；當(dāng)測(cè)點(diǎn)位移速率大于15 mm/d 時(shí)，停止測(cè)點(diǎn)前方及掌子面掘進(jìn)施工，提級(jí)分析原因并研究采取處理措施。

3 銑挖法與鉆爆法開(kāi)挖隧道變形對(duì)比分析

經(jīng)對(duì)相同地質(zhì)條件、相同監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，采用鉆爆法開(kāi)挖與采用銑挖法開(kāi)挖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，銑挖法開(kāi)挖變形速率低，累計(jì)變形量?。ㄒ?jiàn)圖6）。

圖6 銑挖法開(kāi)挖與鉆爆法開(kāi)挖拱頂沉降變形曲線對(duì)比

鉆爆法開(kāi)挖（以DK171+115 掌子面為例）：自上臺(tái)階開(kāi)挖至下臺(tái)階開(kāi)挖（23 d），以13.6 mm/d的速率沉降312.8 mm；自第23 d下臺(tái)階開(kāi)挖至第55 d（仰拱開(kāi)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(jì)沉降522.2 mm。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

軟弱地質(zhì)圍巖隧道銑挖法開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)小，后期支護(hù)變形??；可準(zhǔn)確控制超欠挖，開(kāi)挖輪廓成型好［7-8］；開(kāi)挖、出渣、霧炮降塵可同步進(jìn)行，節(jié)約工序轉(zhuǎn)換時(shí)間，有效保證洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境；懸臂掘進(jìn)機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，同等條件下可減少內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)洞內(nèi)空氣的污染。綜上所述，在軟弱大變形地質(zhì)隧道施工中，銑挖法是比較可行的方法。