铁路隧道软弱围岩铣挖法施工技术应用

黄贵平，张延峰

（中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001）

1 概述

随着我国铁路建设的不断发展，隧道的占比越来越大，由于速度要求、线路规划、环境保护等因素的影响，隧道工程向长大、深埋方向发展，随之环境恶劣、地质复杂、风险性高、施工难度大的隧道工程不断涌现。新乌鞘岭隧道全长17 125 m，是兰（州）张（掖）三四线铁路的控制性工程，设计为单洞双线隧道，其中Ⅴ级围岩长7 170 m，占隧道总长度的42%。Ⅴ级围岩以志留系下统板岩、千枚岩互层为主，并穿越4条断层破碎带，断层带主要为破碎岩及断层泥砾组层，判定为Ⅲ级大变形。围岩强度应力比为0.031～0.063，处于极高地应力状态。围岩自稳能力差、岩性松散、承载力差、遇水软化，极易产生较大且不规律的沉降和收敛变形（围岩变形量在40～60 cm）。岩层挤压和支护负载上蠕变效应明显，易引发初期支护变形甚至侵限等安全质量事故。若采用钻爆法开挖，会对围岩产生剧烈扰动，且加速加剧隧道洞周外围松动圈的产生，从而引发掌子面塌方，且高地应力软岩大变形地质爆破开挖，隧道轮廓难以成型。而新乌鞘岭隧道单洞双线开挖尺寸，具备悬臂掘进机作业条件，借鉴兰渝铁路两水隧道、武广高铁浏阳河隧道、渭武高速木寨岭隧道等铣挖法施工案例，确定采用悬臂掘进机进行铣挖法施工。

2 铣挖法施工技术

2.1 铣挖法施工技术原理及设备选型

铣挖法施工是指利用悬臂掘进机或铣挖机设备前端截割齿不断旋转，机械研磨剥离岩层［1］，实现沿特定轮廓开挖的目的。目前悬臂掘进机已具备剥离岩层、装载运出、机器本身的行走调动以及喷雾除尘等功能，即集截割、装载、运输、行走于一身。铣挖法开挖以确保掌子面稳定为前提，以控制围岩变形为核心，充分利用围岩开挖后的自稳能力及时空效应，注重早期支护并快速闭合，积极干预加固围岩，实现“快挖、快支、主动支护、快速封闭”［2-3］。

悬臂掘进机的选型应遵循先进高效、配套合理，能满足施工安全经济和均衡生产的原则，保证各施工环节、各机械设备相互协调，充分发挥最大效能［4］。根据隧道环境、地质情况、作业空间等工况条件和铣挖设备的工作性能，确定相适应的截割顺序、开挖步骤、截割空间划分和配套的支护设备、措施等［5］。

新乌鞘岭隧道充分利用了兰武二线乌鞘岭特长隧道既有的8 号、9 号斜井，在斜井内修建支洞与新建隧道连通。既有斜井断面狭窄，且弯道较多，最小断面处宽3.4 m、高4.5 m，既有悬臂掘进机无法通行。经充分考虑设备运输、装机、走行通道、作业范围和截割效率等方面要求，选择了装备的CTR300A 型悬臂掘进机（负责8、9 号斜井工区张掖端施工）和CTR260T 型悬臂掘进机（负责9 号斜井工区兰州端施工）。2 种型号悬臂掘进机截割效率在55～60 m³/h，适用于5～60 MPa 强度围岩施工，最大可截割160 MPa 强度围岩。悬臂掘进机在洞外拆除铲板部、扶梯及机身两侧踏板后，行走至洞内，再行拼装。

2.2 施工关键技术

根据隧道地质情况和围岩稳定性，采用上下台阶预留核心土法施工。铣挖法开挖隧道台阶设置（见图1）：上台阶高6.2～6.5 m、宽14.8～15.5 m，下台阶高4.2～4.5 m、宽14.3～15.1 m；上台阶长25～30 m，下台阶长30～35 m。综合围岩情况和安全步距要求，仰拱封闭成环距掌子面约55～65 m。

图1 铣挖法开挖隧道台阶设置

2.2.1 围岩预加固

隧道铣挖法施工比较适用于以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的无水或少水隧道，或经过加固后的软弱围岩隧道，因此掌子面稳定是铣挖法施工的前提，要根据掌子面地质情况、渗漏水情况和围岩稳定性采取合理的超前支护措施。隧道采用ϕ42 mm 单层超前小导管、ϕ42 mm 双层超前小导管、ϕ89 mm 中管棚+ϕ42 mm 超前小导管3种形式，超前支护沿隧道纵向水平有效搭接不小于1.5 m，超前支护措施可根据围岩松散程度及节理发育程度动态选择调整。对于有出漏水地段，利用超前水平钻探明掌子面前方富水情况，集中出水处进行打孔引流，避免引水浸泡掌子面。

2.2.2 上台阶截割掘进

上台阶开挖时，预留核心土对维持掌子面稳定有很大的作用。核心土预留尺寸以能保持开挖、支护期间掌子面稳定，且不影响作业设备运行为宜，隧道预留核心土尺寸横向宽3.3 m、纵向长4 m、高4.2 m。隧道所用悬臂掘进机截割头顺时针旋转，每部位截割走向按自下而上的顺序进行（见图2）［6］。如节理发育较高时，顺沿节理方向逐步截割。放样轮廓内主要部分截割完毕后，再对轮廓线处进行截割修整。

图2 上台阶开挖顺序图

悬臂掘进机截割头前端至铲板前端约为2.2 m（截割臂平放时），受核心土影响，核心土上方至拱顶2 m范围（图2 ②部）悬臂掘进机截割头触及不到，该部位可使用破碎锤施工。核心土两侧（图2①部）采用悬臂掘进机施工，核心土本身（图2 ③部）采用悬臂掘进机或破碎锤均可（见图3）。

图3 核心土开挖

悬臂掘进机在上台阶掘进开挖时，自卸车可在后方卸料口处直接接渣或采用挖掘机、装载机配合装渣。

针对围岩硬度可选择不同的截齿和截齿螺纹线的排布方式，确保设备有更好的截割能力，提高施工效率。当局部有硬岩时，可选用截割力大，破岩能力强的小直径截割头，以降低掘进难度及截齿消耗量。

2.2.3 下台阶截割掘进

上、下台阶之间留有15 ˚左右的坡道，作为设备上下台阶的移机通道。上台阶掘进一个循环（根据设计要求，一般1～2榀拱架）后，设备移至下台阶进行掘进开挖，视下台阶高度和设备卸料口高度，一般采用挖掘机、装载机配合装渣（见图4）。下台阶掘进时，上台阶进行初期支护作业。截割顺序、轮廓线修整及装渣运输等其他事项同上台阶。

图4 下台阶开挖

2.2.4 围岩监控量测

严格按规程要求进行监控量测，将监控量测工作纳入隧道施工工序管理，及时进行数据分析和信息反馈。监控量测作为检验设计、施工是否合理和围岩、结构是否安全稳定的重要手段，始终伴随施工全过程，切实起到保证施工安全、指导施工作业的作用。

隧道Ⅴ级围岩按间距5 m布设监控量测断面，每个断面布设1 个拱顶沉降点、4 个周边收敛点（2 条收敛观测线），并根据围岩变形情况适当加密监测断面，采用全站仪进行观测（见图5）。

图5 全站仪监测测点布设

当测点位移速率大于5 mm/d 时，分析原因采取处理措施；当测点位移速率连续2 d 大于10 mm/d 时停止掌子面施工，分析原因采取处理措施；当测点位移速率大于15 mm/d 时，停止测点前方及掌子面掘进施工，提级分析原因并研究采取处理措施。

3 铣挖法与钻爆法开挖隧道变形对比分析

经对相同地质条件、相同监测周期内，采用钻爆法开挖与采用铣挖法开挖变形监测数据进行对比分析，铣挖法开挖变形速率低，累计变形量小（见图6）。

图6 铣挖法开挖与钻爆法开挖拱顶沉降变形曲线对比

钻爆法开挖（以DK171+115 掌子面为例）：自上台阶开挖至下台阶开挖（23 d），以13.6 mm/d的速率沉降312.8 mm；自第23 d下台阶开挖至第55 d（仰拱开挖后11 d，共32 d）以5 mm/d 的速率沉降159.6 mm；自第55 d 至第69 d（14 d）以3.6 mm/d 的速率沉降50.4 mm后趋于收敛；共计沉降522.2 mm。

铣挖法开挖（以DK171+715 掌子面为例）：自上台阶开挖至下台阶开挖（47 d），以0.5 mm/d 的速率沉降23.5 mm；自第47 d 下台阶开挖至第69 d（仰拱开挖后7 d，共22 d）以7.5 mm/d的速率沉降165.7 mm。

4 结束语

软弱地质围岩隧道铣挖法开挖对周边围岩扰动小，后期支护变形小；可准确控制超欠挖，开挖轮廓成型好［7-8］；开挖、出渣、雾炮降尘可同步进行，节约工序转换时间，有效保证洞内作业环境；悬臂掘进机采用电力驱动，同等条件下可减少内燃驱动设备对洞内空气的污染。综上所述，在软弱大变形地质隧道施工中，铣挖法是比较可行的方法。