高速铁路软弱围岩隧道全断面机械化施工技术及质量安全控制

詹平

摘要：软弱围岩隧道施工安全控制、质量控制、进度控制一直以来都是工程技术管理人员需要克服的难题，为突破技术壁垒，实现工艺、工法的创新，需要工程建设中的各方管理、技术人员共同努力作出新的尝试。本文介绍了湖北省境内一条主要高速铁路线路上长大隧道，在软弱围岩（Ⅴ级围岩）段改变传统台阶法的开挖工法，采用机械化、加强超前支护的方式实现了全断面开挖，提高了综合工效、降低了施工安全风险，为高速铁路软弱围岩隧道施工机械化、智能化发展指出了新的思路。

关键词：软弱围岩隧道;机械化;全断面开挖

一、工程背景

该隧道位于湖北省境内，设计时速350km/h双线高速铁路，中心里程为DK451+786，全长5498m，最大埋深320m，设计坡度为23‰，-25‰的人字形坡，隧道采用进、出口双向掘进施工，进口至DK449+577.4183位于半径R=7000m的左偏曲线上，DK453+108.2235至出口位于半径R=7000m的右偏曲线上，其余地段均为直线。本隧道围岩主要为页岩及灰岩，灰岩地区岩溶发育，施工中存在突水突泥风险，页岩地层穿过炭質页岩夹煤线，含有低瓦斯，属Ⅱ级风险隧道。

其中进口DK449+112～DK449+257段（无瓦斯）设计为Ⅴ级围岩，围岩中、强风化页岩为主，岩质较软、岩体较破碎，自稳性较差。DK449+111.3掌子面现场实际揭示围岩为黄褐色页岩，中厚层状，中风化，节理裂隙较发育，拱部围岩较破碎，无水，自稳能力较好，整体地质情况较好，无坍塌掉块情况。采用地质雷达及超前水平钻进行超前地质预报，地质雷达成果显示，前方围岩分布基本均匀，地质状况与掌子面情况相符，未见其它不良地质构造;超前水平钻探显示前方30m范围钻渣成黄褐色，转速均匀，无水，地质条件与掌子面地质情况相符。结合已开挖初支后监控量测结果，初支稳定，未出现严重沉降及收敛。

二、施工工艺

进口DK449+112～DK449+257段（Ⅴ级围岩、无瓦斯）原设计为三台阶加临时仰拱的开挖工法（见图1），为寻求更高效、安全的开挖工法，在该里程段范围实施了软弱围岩全断面机械化施工的创新工法（见图2）。

1、施工工序

采用2台全电脑三臂凿岩台车钻孔、装药、爆破、掘进，开挖高度12.7m，为保证全断面含仰拱一次性开挖，拱架安装时施做临时安装作业平台。具体施工工序如下：

掌子面爆破→排险→初喷封闭掌子面→出渣（掌子面后方8m仰拱回填洞渣）→三臂凿岩台车钻孔（掌子面炮孔、超前、锁脚锚杆）→临时封堵炮孔→施做拱架安装的临时作业平台→立拱架（注浆、安装超前管棚和小导管、锁脚锚杆）→喷射混凝土→装药→爆破→进入下一循环。

2、超前支护措施

为保证隧道施工安全、充分发挥三臂凿岩台车钻孔施工优势，在该Ⅴ级围岩地段采用φ76中管棚+大仰角Φ42超前小导管超前支护措施。

（1）φ76中管棚施工参数

中管棚布设于拱部150°范围，长度15m，环向间距50cm，共计50根，每五个开挖循环施作一环，搭接长度3m，外插角为7～10°（见图3、图4）。为保证管棚外插角，在掌子面立拱架前钻孔施做，增大其操作空间，施工完毕后安装拱架。中管棚采用φ76mm×6mm热轧无缝钢管，注浆采用1：1水泥浆，注浆压力为0.5MPa～1.0MPa。

（2）大仰角φ42超前小导管施工参数

为进一步加强开挖轮廓线外2m范围围岩稳定性，拟采用大仰角φ42超前小导管注浆加固，小导管布设于拱部150°范围，每循环施工长度4m，环向间距50cm（布设于中管棚中间），外插角为30°（见图5、图6）。每2.4m施工一环（循环进尺2.4m，每循环施做），有效搭接1m。小导管采用φ42mm×3.5mm热轧无缝钢管，注浆采用1：1水泥浆，注浆压力为0.5MPa～1.0MPa。

3、掌子面超前预加固措施

掌子面稳定是大断面隧道围岩稳定的关键，对掌子面采用玻璃纤维锚杆进行超前预加固。玻璃纤维锚杆抗拉强度高、抗剪强度低，开挖过程中，锚杆不需拆除，方便大断面隧道机械化快速施工需要。

结合现场地质情况，对掌子面超前注浆预加固采用φ22玻璃纤维锚杆，玻璃纤维锚杆单根长度18m，每循环搭接5m，结合现场围岩实际情况及系统锚杆布设间距，围岩注浆扩散半径按1.3m考虑，掌子面玻璃纤维锚杆按7㎡/根布设，根据围岩情况可对局部进行加密。

4、每循环开挖进尺

在对掌子面进行有效的超前预加固后，每循环全断面开挖进尺为2.4m。根据现场围岩情况，结合初期支护监控量测数据、超前地质预报结果，适当调整开挖进尺。

5、超前地质预报

超前地质预报采用地质素描法、TSP、地质雷达、超前水平钻、超前炮孔等探测方法与ZYS113全电脑三臂凿岩台车地质分析数据相结合进行超前地质预报。

地质雷达每次预报距离为25m，前后两次搭接5m以上;超前钻探孔每循环30m，搭接长度5m，外插角控制在13º～20º;电脑凿岩台车自带地质分析软件通过对每循环钻孔压力、扭矩、钻进速度等数据综合分析，形成地质云图，预报前方围岩地质情况。通过对各项超前地质预报成果进行分析，综合判定前方地质情况，指导现场施工。

6、监控量测

围岩监测目的在于掌握围岩变形动态，了解支护结构稳定状态，动态设计指导后续施工。本隧道采用无接触法进行拱顶沉降、围岩收敛、掌子面挤出变形监控量测，结合围岩压力、初支钢架应力监测等方式，对围岩稳定情况进行综合分析，互相验证，得出较准确的周围岩体变形状态，更好的指导后续施工。

（1）根据量测数据绘制周边位移，拱顶下沉时态曲线，以及距开挖面距离关系图等。对时态曲线进行回归分析，预测可能出现的最大拱顶下沉及周边收敛值。

（2）获取软弱围岩地段围岩及衬砌结构的受力水平、规律，验证设计强度是否满足要求，结合监控量测位移与超前地质预报结果，为超前预加固施工提供信息反馈，做到动态施工。

（3）根据开挖面状态，周边位移，拱顶下沉量的大小以及速率，进行综合分析，判断围岩及支护的稳定性。

（4）采用变形总量和变形速率对隧道监控量测安全等级进行管理。测点位移速率测点位移速率≧5mm/d时，由监理工程师组织施工现场分析原因并采取处理措;当速率连续2天大于10mm/d时，由监理单位组织施工单位进行原因分析和制定措施并报建设单位批准;当速率大于15mm/d时由建设单位组织设计、监理、施工单位进行原因分析和制定措施。

三、质量控制措施

1、开挖质量控制措施

（1）加强超前地质预报，坚持先预报后开挖的施工原则;采用光面爆破技术，根据地质情况和爆破效果，调整钻爆参数，不断优化爆破设计，严格控制超欠挖。

（2）钻眼严格控制外插角角度，按照设计控制开挖断面，控制超欠挖。隧道开挖后，在两侧及洞顶每隔10m～20m设一个标志桩，实测开挖断面尺寸。

（3）钻孔前清除掌子面松散岩块。钻眼深度、角度按设计施工，钻孔偏斜度不大于1°，周边眼在断面轮廓线上开孔并向外扩散，眼底向外张量不大于20cm。

（4）装药前先将炮眼内的泥浆、石粉等吹洗干净，经检查合格后装药，严格控制装药量。周边眼采用间隔装药，辅助眼采用不耦合装药。

2、支护质量控制措施

（1）超前管棚、超前小导管

①钻孔前在掌子面上正确测放出钻孔位置，调整好钻机钻孔的角度，确保成孔后孔位、角度、搭接长度满足要求。

②注浆浆液流动性好，固结后收缩小，具有良好的粘结力和较高的早期强度。

③注浆过程中严格控制注浆压力，注浆结束后检查其效果，不合格者补注浆。注浆强度达到要求后方可进行开挖。注浆顺序由拱脚向拱顶逐管注浆。

（2）钢拱架

①按设计材料、尺寸采用厂家制作。安装前根据施工图纸检查验收加工质量，确保钢支撑有足够强度、刚度。

②安装确保中线、标高、尺寸、安装垂直度与设计相符，安装稳固牢靠。保证钢支撑在衬砌断面以外。附件与腹杆安装位置准确，焊接牢固。

（3）喷射混凝土

①水泥、水、骨料的各项技术指标确保满足规范中有关条款要求。所用外加剂确保不引起钢筋锈蚀、腐蚀和对混凝土耐久性产生有害影响。

②喷射混凝土实施前，按照监理工程师指示进行现场试验。喷射前用高压风或水对受喷面进行清理。

③喷射混凝土作业分片自下而上，分段进行。分层喷射时，后层喷射在前次喷射混凝土终凝后进行。

④一次喷层厚度一般不大于5cm。各层间隔30min～60min，如果间隔时间大于1h，对已喷混凝土面用水或风清洗。

⑤喷射混凝土时喷头垂直于受喷面，喷头离受喷面距离保持在0.6m～1.2m。

⑥按照规范要求对喷射混凝土进行养生。

3、衬砌质量控制措施

（1）在浇筑边墙基础和仰拱前，将基底的浮石、杂物、泥浆和积水清理干净。

（2）浇筑混凝土前确保二衬钢筋绑扎和防水板铺设已通过监理工程师验收。

（3）隧道衬砌必须保证其中线、水平、断面尺寸、净空大小符合设计要求，每衬砌循环不论长短都要进行测量放样，复核检查。模板台车准确就位，模板面光滑平順，不漏浆，接缝严密整齐。脱模后对模板认真整修，使每段衬砌接缝平整，内实外光。

（4）混凝土拌和、运输、入模、捣固、养生必须按规范要求施工。模板支撑牢固，表面平整光滑，尺寸符合设计中线水平要求。混凝土捣固密实，做到外光内实，成型美观。

（5）严格把好原材料进场质量关，先检后用，不合格材料不准验收，保证使用的材料全部符合工程质量的要求。

（6）利用超声波检测仪对衬砌混凝土厚度、强度、密实度等采用超声回弹综合法进行检测，以指导施工并确保工程质量。

四、安全控制措施

1、爆破安全控制措施

（1）爆破材料的运输、储存、加工、现场装药、联线、起爆及瞎炮处理，必须遵守《爆破安全规程》（GB6722-2014）的有关规定。

（2）洞内各爆破作业做到统一指挥，爆破前调度人员通知受影响的相邻工作面人员、车辆撤离到安全距离外，距爆破工作面的距离不少于200m。

（3）爆破期间，所有动力及照明电路均断开或改移到距爆破点不小于50m的地点。

（4）每日放炮时间及次数根据施工条件明确规定，爆破前爆破人员严格检查爆破网络，确保一次起爆。

（5）遇到下列情况时严禁装药爆破：照明不足;工作面岩石破碎尚未支护;发现可能有高压水及泥涌出地段。

2、防止坍塌安全控制措施

（1）按照“超前探、预支护、短进尺、弱爆破、快喷锚、勤量测、紧衬砌”的施工原则，开挖作业必须制定切实可行的施工方案和安全措施。

（2）加强地质超前预报，对地质情况或水文情况进行探测，及时观察洞内围岩受力及变形动态，提前发现塌方的可能性及征兆。

（3）严格按照施工方案进行超前支护预注浆，严格注浆工艺，提高围岩自承能力和开挖面的稳定性。

五、结束语

在软弱围岩隧道中，施工安全风险大和施工工效低一直以来是工程技术管理人员关注的重点，在本工程实例中实施了机械化全断面开挖工法，为寻求更加安全、高效的隧道开挖施工工艺作了一次新的尝试，引导广大工程技术人员在机械化、智能化施工前进的道路上不断作出创新，使我们的高铁工程施工技术走出国门、走向世界。

参考文献：

[1]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2018）

[2]《铁路大型施工机械隧道凿岩台车》（TB/T 3557-2020）

[3]《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q/CR 9604-2015）

[4]《铁路隧道超前地质预报技术规程》（Q/CR 9217-2015）

[5]《铁路建设项目隧道工程安全管理办法铁建设》（〔2020〕183号）

[6]《爆破安全规程》（GB6722-2014）