高岩溶区上软下硬岩层地铁隧道机械与矿山法组合施工技术*

杨 明 汪海波 王松青 徐 颖 杨新文 杨谢生 王梦想

（1.中煤第三建设（集团）有限责任公司；2.安徽理工大学土木建筑学院）

由于城市地上用地日趋紧张，交通拥堵越发严重，地下空间正在被大规模地开发使用［1］。矿山法是地铁隧道穿越岩石的主要施工方法，高岩溶地层的溶洞、溶腔、岩溶破碎带以及红黏土等不良地质体不利于钻孔爆破，且爆破会对围岩体产生强烈的扰动，在破碎岩体中出现塌方的风险较高；过大的地面沉降将会给道路、地下管线及周边建（构）筑物带来严重影响，甚至造成人身伤害和经济财产损失，因此，有必要开展复杂环境下矿山法施工技术研究。袁剑晓［2］结合一号路站到振兴路站区间隧道工程，研究了围岩条件和水文地质条件复杂而选用小断面矿山法施工工艺。邵旭等［3］对成都轨道交通18号线工程高瓦斯隧道区采用矿山法施工的安全管理措施进行了研究。刘浪［4］在喀斯特地貌大断面软弱围岩施工应用了悬臂式掘进机。赵霞等［5］分析表明悬臂式掘进机在岩溶隧道暗挖施工中具有施工快、安全性高等优点。孙泽顺［6］结合贵阳市轨道交通强岩溶发育区工程实践，研究了悬臂式掘进机选型、施工定位和支护技术等内容，取得了良好的应用效果。漆泰岳等［7］研究了悬臂式掘进机在地铁隧道施工中的适应性，认为适用于无临时仰拱的台阶法隧道。此外，悬臂式掘进机还应用于输水工程软岩隧洞［8］、浅埋岩溶隧道［9］和小断面隧道工程［10］。

上述研究和应用多是针对全断面采用悬臂式掘进机施工，在武汉地铁27号线纸坊地区间及出入场线区间隧道工程中，受地质条件影响，隧道的上断面为红黏土、断层破碎带，整体性差，而下断面为石灰岩、质地坚硬，掘进机难以截割。针对此类上软下硬地层，设计采用悬臂式掘进机和矿山法共同施工，研究了高岩溶区域上软下硬岩层悬臂式掘进机施工工艺流程、矿山法爆破方案和参数，为类似地层地铁隧道施工提供参考。

1 工程概况

武汉地铁27号线纸坊大街站至地铁小镇站区间隧道为单洞单线隧道、掘进断面积46 m2，出入场线隧道为单洞双线隧道、掘进断面积152.3 m2，其中区间隧道全长2 640 m、出入线隧道全长1 274 m，隧道平均埋深22 m，最浅埋深5.7 m。设计的初次支护为超前导管（管棚）+锚网+钢格栅喷射混凝土，永久支护采用现浇钢筋混凝土结构。

区间隧道分别下穿市政道路、居民区、学校和青龙山，爆破振动控制要求高。在纸地区间隧道上断面位于软弱硅质岩中，单轴抗压强度为30～40 MPa，施工揭露较多溶洞，主要为半充填，个别为无充填，主要填充物为黏土，多呈流体状；多处拱顶至两侧肩窝区域存在岩溶破碎带，如图1、图2所示；隧道及下部为石灰岩，单轴抗压强度为100～120 MPa，掘进机掘进困难。

在该工程中若全断面采用爆破施工，上部的破碎岩体不利于钻孔爆破，且爆破动载对围岩体的扰动大，出现塌方的风险高。根据现场岩层呈现上软下硬的特点，结合地面居民区、学校等建筑物的减震需求以及环境条件、工期和技术经济因素，纸坊停车场出场线区间710 m、纸坊停车场入场线区间693 m和纸坊站南端头部分正线区间600 m（下穿学校、民居区及立体交叉段）上台阶采用悬臂式掘进机掘进施工，下台阶利用掘进机开挖提供的自由面采用控制爆破施工。

2 施工工艺与关键技术

2.1 施工工艺特点

由于施工所处环境的复杂性，传统施工工艺很难达到施工要求，采用掘进机和矿山法共同施工相对于传统施工技术存在明显的优势。

（1）上台阶围岩软弱、破碎，采用掘进机开挖对围岩的扰动小、效率高，隧道周边成型规整、超欠挖小，便于格栅、网片快速拼装、喷射混凝土，节省大量初次支护时间，提高了隧道的开挖质量。

（2）上台阶开挖、初次支护完成后，为下台阶坚硬岩石爆破提供良好的自由面；下台阶岩石爆破时，自上而下逐排起爆，爆破振动和对地层扰动小、爆破炮孔利用率高、岩石块度均匀，矸石抛掷距离短、爆堆集中，有利于机械装运。

（3）上台阶超前施工，可充分掌握地层岩性变化特征，根据岩性和围岩变形情况，及时调整上下台阶的距离和支护方案，施工工艺灵活。

2.2 施工工艺流程

施工地段处于高岩溶、上软下硬岩层区域，地面环境复杂，施工难度大，控制要求严格。首先利用超前探测技术掌握施工区域不良地质体的具体情况，再进行超前支护施工；超前支护完成后、采用EBZ260H型悬臂式掘进机开挖上台阶环形区域，顶板岩层无溶洞、完整性较好时单循环进尺为2.0 m，有溶洞时，视溶洞大小，循环进尺减小为0.5～1.0 m，确定开挖尺寸符合设计要求后，安装钢格栅、安装锁脚锚管、喷射混凝土。施工时利用综掘机开挖上台阶，尽可能开挖至坚硬岩层，格栅下口增加锁脚锚管，支护后及时进行注浆充填。

下台阶采用控制爆破，以减少对围岩和初次支护的扰动，下台阶滞后10～15 m施工，这样既能保证掘进机施工的空间及沉降值满足要求，又能保证施工下台阶时初期支护不受破坏。下台阶支护完成后进行仰拱及永久衬砌的施工，仰拱施工滞后掘进工作面30～40 m。仰拱施工（防水板铺设、钢筋制安和混凝土浇筑）与掘进工作面平行作业，采用18 m长栈桥保持正常运输；永久衬砌施工滞后仰拱40 m，采用液压模板台车与掘进及仰拱平行作业。

具体施工工艺流程如图3所示，区间隧道施工工序布置见图4。

2.3 关键技术要点

对于地面环境复杂、施工控制要求严格的上软下硬地层，采取控制爆破为主，辅助以掘进机开挖配套进行施工，施工过程中要注意几点关键技术。

（1）控制上台阶超前长度。若上台阶超前距离过长，初次支护全断面封闭成环的时间将延长，隧道顶板易出现沉降过大的问题；若距离过短，则上、下台阶施工工序调整频繁，下台阶的爆破振动会对上台阶的初次支护造成不利影响。因此，上台阶超前距离既要符合矿山法施工快速封闭成环的要求，又要满足上台阶掘进机施工时有足够的作业空间。经分析和现场实践，上台阶超前长度确定为10～15 m。

（2）单循环掘进进尺。单循环掘进进尺是提高施工效率、保证施工安全的重要参数。掘进机施工时，既要充分发挥掘进机施工高效优势，又要符合短进尺的矿山法施工原则。主要决定因素为超前小导管的有效长度和岩层地质情况：首先，单循环进尺不得大于超前小导管的有效长度（常用小导管长度3.5 m，搭接长度1.0 m，有效长度为2.5 m）；其次，根据顶板和上台阶岩层情况确定单循环进尺，若地质条件良好，岩层稳定，单循环进尺为2.0～2.5 m；若遇小型溶洞或顶板较破碎时，单循环进尺应控制在0.5～1.0 m（钢格栅间距为0.5 m）；若顶部遇大型溶洞，制定岩溶治理专项方案，治理、确保安全后，快速穿过溶洞区域。

（3）控制对地层的扰动。施工过程中主要控制开挖时地层应力重分布引起的地层沉降，迅速进行隧道的初次支护施工。下台阶采用控制爆破技术，采用控制单段起爆最大药量、增加段别等措施。

（4）加强监控量测。隧道内部和地表变形控制时确保安全的关键指标，虽然掘进机施工较爆破掘进对隧道围岩扰动小很多，但在下穿地面建（构）筑物时，应加强监控量测工作，特别是老旧居民楼、学校校舍等公共设施。

3 爆破方案与参数

为充分利用机械开挖形成的自由面，下台阶爆破开挖自上而下进行，根据下台阶高度布置炮孔。典型炮眼布置如图5所示，布置3排崩落孔，炮孔间距为550 mm、排距为750 mm，共划分3个区域，爆破参数见表1。钻孔直径为42 mm、炸药直径为32 mm，采用2号岩石乳化炸药、导爆管雷管引爆。

采用综掘机切割的隧道成型规整，与穿层段炮掘隧道成型相比，成型质量明显改善。超挖现象基本杜绝，减少了不必要的掘进工程量，如图6所示。有了上台阶作为自由面，下台阶爆破炮孔利用率可达到98%以上，爆后矸石块度均匀、爆堆集中，有效节约了装运时间。

4 结 论

高岩溶区上软下硬岩层地铁隧道综合采用悬臂式掘进机和矿山法施工，可以充分发挥破碎岩体中掘进机扰动小、周边成型规整和为爆破提供自由面的优点，下台阶利用掘进机提供的自由面采用控制爆破施工，爆破效率高，地表及地表建筑物内几乎感觉不到爆破振动，避免了爆破施工扰民的问题。还减轻了劳动强度，减少了垮帮、冒顶等危害发生，提高了临时支护期间的安全。

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