既有高铁隧道上方超大断面隧道机械开挖施工技术应用

刘 畅 马运新 张 旭 杨守兴 陈小玮 张 遇

中建八局第一建设有限公司 山东 济南 250014

近年来，随着中国城镇化建设步伐的不断加快，新建或改建的道路与既有运营铁路的交集日趋密集，邻近既有铁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隐蔽性、围岩受力的复杂性，导致邻近既有隧道的新建隧道施工不确定风险因素加大，保障邻近既有隧道的稳定及安全运行成为了新建隧道施工的关键。目前我国新建隧道主要采用钻爆法施工[4-5]，这种施工方法的施工工艺较成熟、应用范围广，但其产生的爆破振动给既有邻近高铁隧道的安全运行带来了威胁，故在现有的邻近既有高铁隧道的新建隧道施工中往往采用非爆破开挖方式施工，以保障既有隧道的运行安全[6]。传统的非爆破施工方法有人工开挖法、静态破碎法、破碎锤破碎法等，上述几种非爆破施工方法在超大断面隧道施工过程中存在着施工风险大、施工成本高、施工效率低的缺陷[7]。悬臂掘进机机械开挖施工技术具有开挖效率高、对围岩扰动小的特点，在我国矿山巷道或地铁隧道等中小断面隧道施工中得到了成功应用，但在大断面、超大断面隧道施工中，因作业半径受限、施工粉尘大及开挖轮廓人工控制困难等难题，限制了该项技术的推广应用[8-9]。

在保证邻近高铁隧道安全运行的前提下，为保障新建隧道的施工安全、工期，在新建草籽岗隧道施工中引进了矿山用的悬臂掘进机对隧道进行机械开挖。施工中采取分区域开挖、激光指向、高压水喷淋降尘等措施对掘进机施工技术进行完善，取得了良好的施工效果和安全效益。

1 工程概况

草籽岗隧道位于浙江省余姚市境内，隧道最大埋深130 m，采用双向六车道一级公路标准，设计速度80 km/h，采用左右洞分离的形式，为分离式长隧道。左线全长1 130 m，右线全长1 180 m。隧道单洞行车道3× 3.75 m，单洞建筑限界总宽度14 m，径高5 m，最大开挖断面为171 m2，属超大断面隧道。该隧道采用新奥法原理设计、施工，设计采用钻爆开挖。

草籽岗隧道位于剥蚀丘陵区，地形起伏较大，山体表部零散分布碎石土，局部见块石，局部完整性为一般-较差。部分路段受构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，影响隧道围岩的稳定性。隧址水文地质条件简单，以基岩裂隙水为主，进洞口段和节理密集带发育段地下水较丰富，其余区域地下水较贫乏。

草籽岗隧道出口端与既有大脑山高铁隧道的直线距离约为965 m，进口端与既有大脑山隧道的水平距离约为50 m，垂直距离约为30 m。

由于新建隧道位于高铁隧道1 000 m范围以内，被评定为邻近营业线Ⅲ级施工，邻近高铁隧道0～100 m范围内禁止爆破施工。新建草籽岗隧道与邻近既有高铁隧道的空间位置关系如图1所示。

图1 新建隧道与既有高铁隧道的空间位置关系

2 开挖机械的选择

由于邻近高铁段无法采用传统的钻爆施工，为保障施工进度及高铁隧道的运行安全，S5段需选用机械开挖。通过调查分析，隧道悬臂掘进机开挖掘进速度及成本消耗主要与岩石单向抗压强度Rc、岩体基本质量指标QB、围岩级别等3个因素有关（表1～表3）。

表1 围岩强度与掘进机适用性划分

表2 岩体基本质量指标与掘进机适用性划分

表3 围岩级别与掘进机适用性划分

结合表1～表3可知，Rc在20～60 MPa之间，QB在250～400之间，围岩级别为Ⅳ～Ⅴ时，悬臂掘进机的截割效率较优，消耗较少。草籽岗隧道地勘报告显示，该段围岩岩体破碎、完整性差，围岩为散体状-碎裂状结构，QB＜250，Rc=40.5 MPa，隧道围岩符合上述条件，故选用EBZ260T悬臂掘进机（图2）进行涉铁段机械开挖。

图2 EBZ260T悬臂掘进机

3 机械开挖施工工艺

3.1 分区域开挖工艺流程

为保障超大断面隧道开挖施工安全，考虑到悬臂掘进机作业半径的限制，对隧道掌子面进行分区域开挖。将掌子面分为5个部分，按照①→②→③→④→⑤的顺序进行开挖支护施工（图3）。

具体开挖工序如下：

1）开挖先行导坑上台阶①部分，施作先行导坑拱架Ⅰ、中隔壁Ⅱ及锚喷混凝土（上部）。

2）落后①部分10～15 m开挖后行导坑上台阶②部分，施作后行导坑拱架Ⅰ及锚喷混凝土（上部）。

3）上台阶导坑开挖30～35 m后，开挖下台阶导坑③、④部分，其中③部分应超前④部分3～5 m，防止上台阶两侧拱脚同时悬空，及时施做拱架Ⅰ及锚喷混凝土（下部）。

4）围岩和初支变形稳定后，逐段拆除中隔壁Ⅱ，开挖⑤部分，施做初支仰拱Ⅳ，铺挂防水板Ⅲ，绑扎二衬钢筋，浇筑二衬混凝土Ⅴ。

3.2 机械铣挖工艺流程

根据隧道断面分区情况，悬臂掘进机采用由下至上“回”字形铣挖方式破碎围岩，在轮廓边缘预留约20 cm的余量，操作手通过慢速操作机械，手动控制截割量，精修轮廓，防止出现超欠挖情况（图4）。破碎时通过钻头的高压喷雾装置配合洞口喷淋设施进行降尘。破碎后的围岩经过星轮铲板收拢至传送机构，通过悬臂式皮带运输机，实现大范围岩渣的收集和连续快速转运。

4 操作要点

4.1 隧道机械掘进粉尘控制

图3 隧道掌子面分区域开挖示意

图4 悬臂掘进机铣挖过程示意

隧道机械开挖是依靠掘进机钻头与围岩的摩擦来破碎岩石的，摩擦过程中会产生大量热及粉尘。为冷却钻头及降低粉尘，在隧道掘进机钻头上安装高压喷雾装置，在隧道洞口安装环向喷淋降尘设施+雾炮除尘装置。降尘设施的水消耗量为60 L/min，需配备蓄水池及增压泵。蓄水池容积不小于30 m3，增压泵的最大工作压力不小于3 MPa。

其中洞口环向喷淋降尘设施采用φ42 mm无缝钢管加工制作，钢管采用冷弯设备弯曲成与隧道轮廓大小一致的拱形结构，钻孔后安装高压水雾喷头，喷头间距20 cm。喷淋用水自洞口蓄水池经增压泵加压后，由高压水雾喷头喷出，以防止洞内粉尘向外扩散，最终达到降低施工扬尘的目的。

4.2 隧道开挖轮廓线控制

掘进机机械开挖施工不同于隧道爆破施工，机械开挖施工是一个动态过程，掌子面围岩随时会被剥落，以往采用喷漆标记隧道断面轮廓的方式已不再适用。为控制隧道开挖轮廓，防止超挖和欠挖，在隧道拱顶位置安装激光指向装置用以配合掘进机掘进施工（图5）。

图5 隧道断面激光指向仪安装示意

安装前需事先在隧道顶部安装2根φ22 mm的锚杆，埋设深度不宜小于50 cm，锚杆间距为30～40 cm，锚杆外露的长度以不影响激光指向仪的安装、调试和洞内施工为准。待锚杆稳定后，安装激光指向仪。将激光指向仪通过接合器悬挂在锚杆下方并固定，再用拉杆将2根锚杆连接在一起，以增强激光指向仪的稳定性。

4.3 隧道超前支护措施

相比普通的钻爆施工方法，隧道采用机械开挖方法，围岩暴露时间较长，对围岩条件较差地段需做好隧道超前支护。洞口段采用打设大管棚的超前支护方式，洞内采用密排小导管做超前支护。其中大管棚宜采用φ108 mm×6 mm钢管，洞身采用单排φ48 mm×4 mm无缝钢管超前小导管支护，小导管单根长度5 m，外插角5°～7°，每排搭接长度不小于1.5 m。

4.4 隧道监控量测

草籽岗隧道S5段采用机械开挖后，对隧道地表、隧道初支拱圈埋设监控量测点，进行了1个月的观测。其中地表下沉最大点发生在距S5段施工终点10 m处，累计下沉量为46 mm，平均下沉速率为1.53 mm/d。拱顶最大下沉量也发生在该处，累计下沉量为32 mm，平均下沉速率为1.07 mm/d，隧道支护结构变形稳定。

5 结语

本文通过对草籽岗隧道机械开挖应用实例的总结分析，提出了一种新型的超大断面隧道机械开挖施工技术，其核心技术如下：

1）采用悬臂掘进机对超大断面隧道进行分区域开挖，最大限度地发挥悬臂掘进机的开挖效率。

2）通过在隧道掘进机钻头上安装高压喷雾装置，在隧道洞口安装环向喷淋降尘设施+雾炮除尘装置，有效降低了掘进机施工扬尘，改善了工人作业条件，有利于工人职业健康。

3）利用隧道激光指向装置，标记隧道开挖轮廓，有效避免了隧道超挖和欠挖等情况的产生，解决了隧道施工中超挖、欠挖难以控制的难题。

4）隧道监控量测数据表明，采用超大断面隧道机械开挖施工技术后，隧道支护结构稳定，既保证了既有高铁隧道的运行安全，又保障了新建隧道的施工安全及工期要求，可以在类似的隧道工程项目中推广使用。