铁路山区隧道软弱围岩全断面机械化开挖技术

张 勇

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

0 引言

人工成本越来越高，铁路、公路、市政等基础设施建设领域逐渐提高了机械化施工水平。地铁隧道盾构法技术先进，配套设施齐全，工艺成熟。而铁路山区隧道TBM法受围岩类型、隧道断面、长度、施工成本等影响，推广应用缓慢，在全断面隧道开挖中较少采用。

铁路山区隧道开挖仍以钻爆法为主，机械化水平较低，施工风险较高。为此，以郑州至万州高速铁路苏家岩隧道为依托，研究软弱围岩全断面机械化开挖技术，并与两台阶钻爆法进行对比分析，为全断面隧道开挖提供新的解决方案。

1 工程概况

苏家岩隧道为双线高速铁路隧道，位于湖北省襄阳市保康县黄堡镇境内，中心里程DK480+760，全长5 360m，最大埋深439m。隧道设计纵坡坡度25‰，19.7‰的单面上坡，开挖断面面积147.4m2(Ⅳ级围岩)，铺轨后轨顶以上净空面积99.13m2，属典型全断面隧道。

隧道地处荆山山脉，属构造侵蚀剥蚀中山地貌区。隧址区位于扬子准地台一级构造单元北缘上扬子陆块褶皱带内，本区地层倒转，洞身顶部以奥陶系中下统宝塔组灰岩、页岩互层为主，其下为志留系下统龙马溪组页岩夹砂岩，再下为志留系下组新滩组砂质页岩，洞身段主要在新滩组穿过。

洞身左侧存在顺层偏压，隧道岩层走向与线路走向夹角<30°，洞身附近基岩为砂质页岩、页岩夹砂岩等软质岩。隧道设计正常涌水量为9 286m3/d，最大涌水量为23 216m3/d，隧道洞口段为Ⅳ，Ⅴ级软弱围岩。

2 机械化开挖配套设备

将隧道施工区域分为超前支护区、开挖区、初期支护区、二次衬砌区。超前支护区机械化开挖配套设备包括注浆台车、凿岩台车，开挖区机械化开挖配套设备包括运渣车、装载机、挖掘机、凿岩台车，初期支护区机械化开挖配套设备包括混凝土湿喷台车、钢架安装台车、凿岩台车，二次衬砌区机械化开挖配套设备包括沟槽模板台车、自动养护台车、衬砌台车、防水板、钢筋作业台车、自行式仰拱栈桥。目前，隧道衬砌、初期支护实现了机械化施工，为此，重点研究软弱围岩超前支护区、开挖区机械化作业。

3 机械化开挖技术

本工程隧道软弱围岩主要采取以下机械化开挖技术：①长管棚超前支护，以提高围岩整体性；②封闭掌子面，并采用纤维锚杆加固，以提高掌子面自稳性；③采用胀壳式预应力中空锚杆代替普通中空锚杆和砂浆锚杆，以减小开挖后围岩变形。

3.1 长管棚超前支护

长管棚超前支护工艺流程如下：测量放样→凿岩台车就位→钻孔及接长钻杆→钻杆分节退出、卸下→验孔→凿岩机安装长管棚推进器(长管棚加工)→顶进钢管→移位下一孔→顶管完成→注浆机具准备→长管棚注浆→注浆验收。

采用热轧无缝钢管作为长管棚导管，管壁钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距20～30cm，呈梅花形布置，尾部留150cm不钻孔止浆段。长管棚外径分别为60，76，89，108mm，壁厚6mm。长管棚外径、长度根据围岩破碎情况和类别等选择(见表1)。

表1 长管棚支护适用范围

洞内管棚钻进时，采用2台三臂凿岩台车同时钻孔。钻孔外插角度为1°～10°，根据实际情况调整。导管环向设置间距根据地层性质、围岩类别等确定，一般Ⅳ级围岩按50cm/环设置，Ⅴ级围岩按40cm/环设置。凿岩台车开孔时钻速宜小，钻进部分深度后转入正常钻速。换钻杆时，检查钻杆是否弯曲、有无损伤、中心水孔是否畅通等，不符合要求时应立即更换，以确保正常作业。送管前根据管棚长度进行钢管下料，保证钢管接入后接头不在相同断面上。利用三臂凿岩台车将钢管顶入，顶入时需缓慢、平稳，并随时掌握顶进方向，避免将钢管顶弯。送管完成后，外露钢管口应通过钢板焊接封堵。钢板中间焊接注浆用φ25mm钢管，并安装球形或其他形式的止水阀门。

钻孔注浆时，根据地质情况调整注浆参数和注浆工艺，严格控制注浆结束标准，保证注浆效果与质量。水泥浆或水泥砂浆强度等级不低于M20，当围岩破碎、地下水发育时，为满足调凝需要，可部分采用硫铝酸盐水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，浆液强度等级不低于M10。注浆时可在浆液中掺加染料，随浆液一同注入，便于在掌子面取芯试验时观察围岩情况。

3.2 掌子面处理

软弱围岩掌子面存在坍塌风险，喷射混凝土封闭掌子面，并采用玻璃纤维注浆锚杆稳定掌子面。玻璃纤维注浆锚杆抗拉强度高，可替代钢材，以有效加固掌子面；抗剪强度低，开挖过程中锚杆无须拆除，方便机械化快速施工。采用玻璃纤维注浆锚杆加固后，围岩自稳高度大于开挖台阶高度。

掌子面注浆加固搭接长度应大于坡面破裂长度，玻璃纤维注浆锚杆长度与掌子面注浆长度应一致。结合现场地质、超前地质预报及监控测量情况，Ⅳ级围岩掌子面局部或上断面超前预加固采用φ22mm玻璃纤维注浆锚杆，长度≥9m；Ⅴ级围岩掌子面局部或上断面超前预加固采用φ25mm玻璃纤维注浆锚杆，长度≥12m。

玻璃纤维注浆锚杆布置密度不仅影响掌子面围岩抗滑力，且影响注浆效果。玻璃纤维注浆锚杆布置密度越大，其提供的抗滑力越大，掌子面越稳定。根据围岩情况调整玻璃纤维注浆锚杆布置密度，当围岩条件较好时，在掌子面均匀布置9～15根玻璃纤维注浆锚杆；当围岩破碎、存在突水突泥情况时，适当加密玻璃纤维注浆锚杆，锚杆环向间距为1.5～2.5m。

玻璃纤维注浆锚杆钻孔、注浆与普通砂浆锚杆和中空锚杆工艺相同，无特殊要求。

3.3 洞身开挖

三臂凿岩台车具有钻孔、装药、爆破、撬毛、处理欠挖等功能，是洞身开挖主要施工设备。凿岩台车就位后，按测量放样结果和爆破顺序等钻孔。凿岩台车钻孔前的测量、钻孔顺序、钻孔效果等基本与人工钻孔相同，钻孔完成后的装药、爆破、排烟等与两台阶钻爆法相同。

通过钻孔深度控制循环进尺，避免大开挖引起塌方。Ⅳ级围岩循环开挖进尺不大于3榀钢架间距，Ⅴ级围岩循环开挖进尺不大于2榀钢架间距。仰拱开挖前完成钢架锁脚锚杆施工，洞身开挖过程中，根据围岩监控测量结果调整开挖进尺。

3.4 初期支护施工

初期支护拱部系统采用胀壳式预应力中空锚杆施工，锚杆与长管棚、钢拱架、喷射混凝土等形成围岩自稳体系，控制围岩变形，应尽快施工二次衬砌。

初期支护施工工艺流程为：测量布孔→凿岩台车钻孔，同时现场预装配锚杆→清孔→杆体推送入孔→调整垫板角度，旋入螺母→拧紧螺母，施加预应力→插入注浆管并注浆→喷射混凝土至设计厚度。

拧紧螺母、施加预应力前，胀壳式预应力中空锚杆施工工艺与普通砂浆锚杆相同。杆体推送入孔后，在外露端安装垫板，调整垫板角度后旋入螺母。使用风动扳手将螺母旋紧，锚杆尾部胀壳锚固头随之胀开，完成围岩锚固，并施加预应力。

注浆时应使用锚杆专用注浆泵，不宜使用普通注浆泵，以确保浆液注满孔体，水灰比可控制为0.4∶1，注浆压力控制为0.3～0.8MPa。注浆时注意将锚孔中的气体排出，保证注浆效果，增加胀壳式预应力中空锚杆与孔壁间的摩擦力。

4 机械化开挖与两台阶钻爆法对比分析

4.1 施工工艺

机械化开挖与两台阶钻爆法在围岩监测、装药爆破、出渣等方面工艺相同，不同之处主要为：①对超前支护要求不同 三臂凿岩台车要求有较大的工作面，因此不适用于两台阶钻爆法开挖，仅适用于全断面开挖，而软弱围岩全断面开挖对超前支护要求更高；②对围岩变形控制要求不同 机械化开挖技术更重视流水作业与围岩变形控制，以便快速施工二次衬砌；③对设备要求不同 机械化开挖技术增设了具有多种功能的三臂凿岩台车，取消了掌子面开挖台车、风动凿岩机、空气压缩机和供风管道。

4.2 施工成本

1)超前支护成本

机械化开挖技术采用长管棚超前支护，施工成本为160～230元/m(单价与外径有关)。两台阶钻爆法采用小导管超前支护，施工成本约41元/m，可知机械化开挖技术超前支护成本较高。

2)掌子面支护成本

两台阶钻爆法对掌子面封闭要求较低，仅在局部围岩破碎带喷射混凝土，无须施工玻璃纤维注浆锚杆，而机械化开挖技术增加了掌子面支护材料成本。

3)初期支护成本

机械化开挖技术采用的胀壳式预应力中空锚杆单价高于两台阶钻爆法采用的中空锚杆或砂浆锚杆，增加了材料成本。

4)开挖成本

经22个月现场记录，采用机械化开挖技术后，Ⅳ类围岩平均开挖进度为83m/月，Ⅴ类围岩平均开挖进度为64m/月，可知机械化开挖技术施工效率较高。机械化开挖技术使用了大量施工机械，Ⅳ类围岩开挖基价为69.2元/m3，Ⅴ类围岩开挖基价为94.6元/m3；而两台阶钻爆法施工Ⅳ类围岩开挖基价为34.1元/m3，Ⅴ类围岩开挖基价为37.2元/m3，可知机械化开挖技术开挖成本高于两台阶钻爆法。

5 结语

1)苏家岩隧道Ⅳ，Ⅴ级软弱围岩采用全断面机械化开挖技术，该技术成熟、可靠，施工进度优于两台阶钻爆法，但不具成本优势。因此，全断面机械化开挖技术工艺、配套设备等有待进一步优化，使机械化优势全面体现。

2)三臂凿岩台车开挖减少了施工人员数量，降低了劳动强度和施工风险。凿岩台车开挖采用电力作为动力，与风钻相比，噪声较小，大大减小了噪声对人体的伤害。