隧道断层破碎带铣挖法开挖施工技术

张 松

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

1 工程概况

广大铁路祥云隧道位于云南省大理市弥渡县红岩镇水墨坪村，隧道正洞设计长度6940 m（D1K141+455—D1K148+395），平导长度为5600 m（隧道进口PDK141+452—PDK144+700，隧道出口PDK148+377—PDK145+995）。

地质调查报告显示，该隧道所在位置受地质构造的影响存在4 个断裂构造，分别为小沟断层、朝阳村断层、上北邑断层、二台坡2#断层，断层总长693 m。断层破碎带设计地质围岩为V 级，分布着深灰色灰岩夹浅灰色泥灰岩、黑色页岩和砂岩，围岩整体较薄，层状分布，岩体之间的软硬差异大，受风化影响大，岩体不连续，破碎、松散、富水，稳定性不高。铣挖法优势突出，在断层破碎带中应用铣挖法不仅仅能够避免超挖，还能够减少对围岩的干扰，保证施工顺利进行[1-2]。经过项目组反复研究与讨论，最后确定在进行祥云隧道隧道开挖施工中应用铣挖法。

2 铣挖机应用优势

祥云隧道出口选用德国艾卡特ER100 型横向铣挖机头配小松200 型液压挖掘机。铣挖工艺特点如下：

（1）铣挖范围广。该类型铣挖机能够良满足本隧道工程三台阶七步开挖工法的需求，其最大挖掘半径与挖掘高度分别能达到7.5 m 和6.8 m，铣挖宽度可达到50 cm。

（2）低振动、低噪声。在限制爆破地段施工时，可有效替换传统的爆破施工，对围岩和周边环境的干扰小。

（3）开挖面控制精确。控制精确，能够高效精准地完成修正开挖轮廓的任务，避免超、欠挖，效果佳、成本低。

（4）安全性好。与传统隧道掘进不同的是，铣挖机不用人工进行软岩或破碎岩层的掘进作业，安全性高。

（5）结构简单，使用方便。不需要额外装配其他的配套设备，可安装在任何一台既有的液压挖掘机上，可直接利用液压破碎锤或液压钳的液压回路进行安装，缩减了用于购买挖掘机的成本。

（6）检修维护成本低。铣挖机养护与维修费用较低，只需要进行铣挖刀头的更换和检查、紧固螺栓，并且不同型号的液压电机能够互换。

（7）高效、低振动。铣挖机中配置的拨料螺旋能够提高铣挖作业效率，保证铣挖过程中不会发生巨大振动。

3 铣挖法施工要点

3.1 开挖

（1）开挖方法。祥云隧道在Ⅴ级断层破碎带围岩施工时，正洞采用三台阶七步法开挖，平导采用两台阶法开挖。铣挖机先从拱脚或者边墙角位置开始开挖作业，并遵循“自下而上、先硬后软”的原则，保证施工现场的流畅性。而针对软硬程度不一的岩石，如软硬兼半和软硬不均的岩石，操作手在操作铣挖机时要先开挖质地坚硬需要花费较长时间的硬岩，避免扰动软岩，预防塌方事故。

（2）上台阶开挖。本隧道工程开挖施工的具体工况：隧道主洞上台阶开挖断面高度为3.6 m，宽度为12.2 m；平导上台阶开挖断面高度为2.92 m，宽度为6.74 m。

基于掌子面的稳定性，将上台阶开挖施工细分为预留核心土与不预留核心土，这两种施工方式的具体操作有一定的区别。其中，选择预留核心土施工方法时，要先将核心土周围的岩石开挖干净，再逐渐向周边靠近，遵循“自下而上、先硬后软”的施工原则。而若选择不预留核心土，就直接按照“自下而上、先中间到周边及先硬后软”的施工原则施工。

但不管是计划预留核心土还是不预留，都必须严格按照技术规程施工，应用铣挖机进行周边开挖施工，并保证开挖面与钢架间距＞30 cm。如果掌子面与周边距离过近，而加上切削鼓与岩面又不是垂直关系，此时就需要进行人工干预，预留出10～20 cm，使用风镐凿除拱脚处的施工死角，保证钢架安装到位。此外，还应避免切削鼓或铣挖机施工时影响已经成型的初期支护和开挖轮廓线附近的超前支护[3]。

（3）中、下台阶开挖。与上台阶开挖遵循的原则不同的是，中、下台阶开挖作业需要按照马口方式开展，具体就是先对一侧进行马口开挖，而相对一侧预留2～2.5 m 的宽度，保证开挖作业的稳定性。在进行中、下台阶的开挖施工时，应该先对中间进行开挖，再进行后边墙的开挖，匀速施工，在保证边墙开挖至拱脚位置，防止切削鼓与拱脚钢架碰撞。若边墙难以开挖出拱脚位置，可利用风镐进行人工凿除。

（4）仰拱开挖。仰拱开挖应遵循“由近到远、先中间后两边”的开挖原则，并且自上而下开展分层开挖施工。结束开挖作业后要及时进行佯攻初期支护或二次衬砌。此外，还要在正式开始仰拱开挖前做好准备工作，加强排水系统的建设，防止隧道内的水流入开挖作业面，造成基础底面出现软化，增加换填环节，造成不必要的浪费，影响施工进度。

3.2 出渣作业

铣挖机的主要功能是铣挖掘进，扒碴能力较为不足，因此在铣挖完成后，需要借助切削鼓完成清渣作业。为了保证出渣快速，避免弃渣影响后续铣挖施工，需要额外配备一台挖掘机，辅助清理运走工作面附近的弃渣。因为三台阶法开挖扒碴产生的弃渣不多，清渣不到位还会增加后续工作量，因而最好选择不使用装载机。

3.3 支护

在断面软岩地质隧道施工应用铣挖法效果较为突出，在自稳差、破碎、松散、富水的围岩段进行隧道掘进施工时，要尽可能少干扰到围岩，并加强支护，严格按照技术规程操作，完成铣挖施工后要及时封闭开挖面，喷射混凝土，保证钢拱架与锚杆的架设打进质量，防止因开挖面长时间暴露在自然环境中，导致岩石风化速度加快，稳定性下降。铣挖机每次进尺的多少要根据实际情况确定，要以开挖面岩层稳定性作为参考依据，保证进尺科学，通常情况下进尺0.6～1.2 m。此外，必须保证二次衬砌施作时间恰当，尽可能早施作，施工人员要严格按照施工规范操作，不能等初期支护完全稳定后再施作，防止结构出现变形，造成侵限问题。

3.4 循环掘进

在完成铣挖任务后，操作手将铣挖机退离铣挖工作面，停靠得当后进行设备检查与养护，接着展开装渣和出渣作业，两者循环交替。出渣结束后要及时安装支护结构，进行混凝土喷射施工。

3.5 开挖效率

影响铣挖作业效率的因素较为复杂，主要会受到铣挖作业面的地质情况和铣挖施工技术、顺序的影响。

根据工程实例可以发现，铣挖机铣挖作业效率由中心位置向两侧递减，边墙与公布轮廓线外的开挖效率最低。当然，在上、中、下3 个不同台阶中的铣挖作业效率也存在差异。在上台阶中开挖时，若开挖的基岩强度在30 MPa 范围内，开挖量可达到30 m3/h，完成铣挖作业一般不会超过3 h。而中、下台阶开挖量仅为上台阶开挖方量的1/2，开挖边较效率约为5 m3/h。

若铣挖作业时遇到不良地质，如富水基岩，则必须充分考虑围岩的稳定性。待铣挖作业在进行到周边围岩时，采取人工干预的方式，预留出足够的空间，人工操作风镐对预留的30 cm 岩层进行凿除。若遇到质地坚硬的围岩，可利用其他施工机械，如挖掘机与液压破碎锤，两者相互协调破碎岩石，完成掘进作业。

4 铣挖法与钻爆法分析对比

4.1 进度指标

根据本隧道工程的实际情况，上台阶所需要的开挖时间多，整个施工的进度受上台阶施工进度的影响大。对此，分析隧道正洞上台阶施工情况与施工进度。

（1）钻爆法。采用钻爆法施工，每个循环需要16 h，每天施工1.5（24/16）个循环，循环进尺为1.2 m，每月进尺54 m 左右。

（2）铣挖法配合人工开挖。采用铣挖法配合人工开挖施工，每个循环需要12.67 h，每天施工1.89（24/12.67）个循环，循环进尺1.2 m，每月进尺68 m 左右。

基于上述分析可以看出，采用钻爆法施工的月开挖进尺比铣挖法施工的月开挖进尺少14 m。故在断层破碎带等软弱地质隧道中采用钻爆法施工掘进速度较慢，而采用铣挖机开挖，缩减了一些施工工序，安全性与施工效率都较高。

4.2 开挖效果

在大断面软岩地质隧道施工中应用钻爆法施工效果较为有限，并且在施工过程中还会对围岩造成较大干扰，安全隐患多，出现坍塌事故概率高。而应用铣挖法与人工开挖相互配合的施工方法不会产生过多的超挖量，且对围岩的干扰较小、铣挖作业效率高。

4.3 变形指标

经过对钻爆法与铣挖法施工数据比较后发现，钻爆法施工日均下沉量和收敛量较大，并且还会降低已支护围岩的稳定性，导致围岩出现变形，变形数据达到1～2 cm。而在大断面软岩地质中应用铣挖法，既能保证开挖效率，保证在规定工期内完成铣挖作业，又能改善围岩变形情况，安全性与稳定性都高于钻爆法。

5 结束语

综上所述，铣挖法相较于钻爆法，在工期、开挖效果及围岩稳定性等方面皆具有明显优势。广大铁路祥云隧道应用“铣挖法”开挖施工，不仅能够提高施工效率，还能够改善围岩变形情况，有效控制隧道的超、欠挖现象，安全顺利地通过该断层破碎带，经济和社会效益显著。