中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在大斷面黃土隧道中的應(yīng)用試驗(yàn)

孫　兵，王秀英，譚忠盛

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京　100044)

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中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在大斷面黃土隧道中的應(yīng)用試驗(yàn)

孫兵1，王秀英2，譚忠盛2

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

摘要：黃土是一種特殊的第四紀(jì)陸相松散堆積物，具有強(qiáng)度低、變形大、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，我國大斷面黃土隧道的建設(shè)通常采用三臺(tái)階七步開挖法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，存在施工工序多、施工進(jìn)度慢、變形量難以控制、臨時(shí)支護(hù)用量大、對(duì)各小斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接工藝要求高等問題，研究適合軟弱圍巖隧道機(jī)械化施工的工法非常必要。預(yù)切槽法由于具有控制地層變形能力強(qiáng)、施工速度快的特點(diǎn)，受到國內(nèi)隧道界的再次關(guān)注。2013年，中鐵重工集團(tuán)研制成功了國內(nèi)第一代中心軸式預(yù)切槽機(jī)械。為了掌握預(yù)切槽機(jī)械切灌過程性能及預(yù)襯砌的受力變形特性，進(jìn)行預(yù)切槽機(jī)械在黃土隧道中的工業(yè)化試驗(yàn)。研究認(rèn)為：(1)研制的中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在黃土地層切割成槽能力良好，但在切灌一體化方面尚需要深入研究；(2)由于限制了地層的變形，預(yù)襯砌承受的地層壓力較大。(3)預(yù)切槽法對(duì)切槽腳部地基的承載力要求較高，預(yù)襯砌腳部是拉應(yīng)力集中區(qū)域，實(shí)際施工中要進(jìn)行合理加固。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；黃土隧道；預(yù)切槽機(jī)械；預(yù)襯砌；現(xiàn)場試驗(yàn)

1概述

黃土是一種特殊的第四紀(jì)陸相松散堆積物，在世界分布很廣，面積達(dá)1.3×107km2，我國黃土主要分布于西北、華北和東北等地，分布面積約6.4×105km2。我國雙線黃土隧道的建設(shè)開始于20世紀(jì)80年代建設(shè)的大秦、侯月、神朔、隴海鐵路寶蘭二線，2005年開始建設(shè)的鄭西客運(yùn)專線是我國黃土隧道密度最大的線路，其中砂質(zhì)黃土地段所占比例大，隧道斷面較大[1]。砂質(zhì)黃土具有強(qiáng)度低、變形大、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)，稍有不慎，極易發(fā)生坍塌。因此，我國大斷面黃土隧道的建設(shè)主要基于將大斷面化為小斷面并及時(shí)封閉的思路，據(jù)此摸索形成了三臺(tái)階七步開挖法，并針對(duì)黃土隧道特點(diǎn)創(chuàng)新了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法，形成了針對(duì)大斷面黃土隧道的修建技術(shù)。在長期的黃土隧道建設(shè)實(shí)踐中，我們也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的施工方法存在施工工序多、施工進(jìn)度慢、變形量難以控制、臨時(shí)支護(hù)用量大、對(duì)各小斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接工藝要求高的問題[2-7]。對(duì)于大斷面黃土隧道而言，控制變形量和提高施工進(jìn)度是亟待解決的問題。

預(yù)切槽法是在掌子面土體開挖前，采用特制的鏈?zhǔn)角械堆毓ぷ髅嬷苓吳懈畛鲆粭l深數(shù)米、寬約數(shù)十厘米的溝槽，在切槽的同時(shí)用與切刀一體化的設(shè)備灌注混凝土，以形成一個(gè)連續(xù)并起預(yù)支護(hù)作用的混凝土殼體(預(yù)襯砌)。一般要求槽內(nèi)灌注的混凝土在6～10 h達(dá)到開挖強(qiáng)度要求，然后即可全斷面開挖下部土體，有時(shí)需要配合玻纖錨桿加固掌子面，必要時(shí)還可架設(shè)拱架對(duì)預(yù)襯砌進(jìn)行加固[8]。預(yù)切槽法具有非常好的控制地層變形的能力，在美國、法國、意大利、日本得到發(fā)展，開發(fā)了專用的預(yù)切槽機(jī)械，于20世紀(jì)80～90年代建設(shè)了大約30多座隧道，其中主要是穿越軟弱地層并對(duì)沉降控制嚴(yán)格的地區(qū)。

預(yù)切槽技術(shù)的發(fā)展依賴于專用的切槽機(jī)械，我國預(yù)切槽機(jī)械的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代，研制成功了專用的切削臂，但機(jī)械不具備切灌一體化功能[9]。2013年10月，中鐵重工集團(tuán)研制成功了國內(nèi)第一臺(tái)中心軸式預(yù)切槽機(jī)械，2014年7～8月，在寶蘭客專洪亮營黃土隧道開展工業(yè)化試驗(yàn)。本文通過對(duì)試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)的分析，研究預(yù)切槽法形成的預(yù)襯砌的變形及受力特性，分析總結(jié)試驗(yàn)過程的問題，旨在探索預(yù)切槽法在黃土隧道中應(yīng)用的前景。

2中心軸式預(yù)切槽機(jī)械及在黃土隧道的工業(yè)化試驗(yàn)

2.1工程概況

洪亮營隧道地處黃土高原梁峁區(qū)，地面高程1 880～2 008 m，相對(duì)高差100～150 m，在水流切割侵蝕作用下進(jìn)口端沖溝、黃土陷穴發(fā)育。隧道最大埋深約120 m，全長961 m。隧道洞身通過的地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土。隧道進(jìn)口端位于龍王溝左岸黃土斜坡，出口端位于洪亮營村附近的洪積平原上。預(yù)切槽工業(yè)化試驗(yàn)在洪亮營隧道出口端附近山體進(jìn)行。

2.2中心軸式預(yù)切槽機(jī)械概況

國外預(yù)切槽機(jī)械主要有拱架式和中心軸式兩種，拱架式針對(duì)具體的設(shè)計(jì)斷面制作拱架，中心軸式適用的斷面跨度在一定范圍內(nèi)可變化。本次研制成功的中心軸式預(yù)切槽機(jī)械包括：(1)一個(gè)自走式管狀框架；(2)框架上有一個(gè)懸臂(可旋轉(zhuǎn)270°)；(3)旋轉(zhuǎn)伸縮壁；(4)6個(gè)馬達(dá)；(5)切刀模塊(沿著框架上的懸臂滑動(dòng))。切刀模塊有兩個(gè)鏈條，組裝在一個(gè)單一的箱體結(jié)構(gòu)的剛性臂上。鏈條上有很多切刀，切削角和切刀數(shù)量都可以根據(jù)不同地層而變化。切刀模塊上還有很多滑動(dòng)塊，它們在切刀的一側(cè)，當(dāng)開始切割的時(shí)候，這些塊體滑出壓在土壤和巖石上，然后，澆筑混凝土模組安裝在切刀模塊后面。在施工的時(shí)候電子控制裝置使現(xiàn)場工作人員能夠?qū)崟r(shí)查看和控制設(shè)備的主要參數(shù)。切槽機(jī)可以在內(nèi)徑為11.6～15.2 m的隧道內(nèi)工作，最大切割長度12 m，切槽厚度35 cm。圖1給出了中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在現(xiàn)場切割的情況。

圖1　中心軸式預(yù)切槽機(jī)切槽作業(yè)

2.3現(xiàn)場工業(yè)化試驗(yàn)情況

2014年7月～8月，在現(xiàn)場開展了預(yù)切槽機(jī)械的現(xiàn)場工業(yè)化試驗(yàn)，試驗(yàn)中切槽長度5 m，混凝土灌注長度4.5 m，期間對(duì)黃土地層機(jī)械切割的各項(xiàng)參數(shù)、混凝土配比、混凝土灌注進(jìn)行了大量試驗(yàn)，同時(shí)為了掌握預(yù)襯砌的變形和受力情況，進(jìn)行了預(yù)襯砌土壓測試、混凝土內(nèi)力測試和預(yù)襯砌沉降收斂測試。

預(yù)切槽法不同于傳統(tǒng)工法，要獲取預(yù)襯砌的受力特性，不能采用傳統(tǒng)的土壓和應(yīng)力測點(diǎn)埋設(shè)方法，因此，通過大量摸索研究，設(shè)計(jì)了新的土壓測點(diǎn)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點(diǎn)埋設(shè)方法，以土壓測試為例，先在如圖2所示焊接成的鋼筋框上布置土壓盒，當(dāng)切槽完成后，迅速將布置有土壓盒和鋼筋計(jì)的鋼筋框置入槽段相應(yīng)位置，并讀取初讀數(shù)，當(dāng)槽內(nèi)噴射混凝土完成后，即可測試相應(yīng)位置的土壓力和預(yù)支護(hù)應(yīng)力。

圖2　鋼架上布置土壓盒

現(xiàn)場試驗(yàn)原計(jì)劃做2環(huán)預(yù)襯砌，后由于現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)山體滑坡只施做了一環(huán)?，F(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖3～圖4所示。

圖3　現(xiàn)場切槽及試驗(yàn)情況

圖4　切槽腳部土壓量測

3試驗(yàn)過程預(yù)襯砌受力及變形測試

在洞外預(yù)切槽法工業(yè)化試驗(yàn)過程中，拱頂部位土壓測點(diǎn)的埋設(shè)異常困難，而且現(xiàn)場不具備條件，因此本次試驗(yàn)預(yù)襯砌受力測點(diǎn)主要布置在邊墻和拱腳(預(yù)襯砌最下部)部位。

3.1土壓力量測

預(yù)襯砌土壓力從2014年7月26日21：00開始測試，到8月14日結(jié)束。圖5給出了土壓變化情況。

圖5　預(yù)襯砌土壓力變化曲線

分析圖5曲線可以發(fā)現(xiàn)，邊墻處的土壓最大為0.131 MPa，該試驗(yàn)斷面處隧道埋深在30 m左右，測試值約為規(guī)范計(jì)算土壓的50%。測試得到的拱腳處側(cè)向土壓比邊墻處小，這是由于拱腳處為切槽最低點(diǎn)，沒有繼續(xù)下部開挖，因此整體應(yīng)力釋放并未完成。但是可以發(fā)現(xiàn)，左右拱腳處的豎向壓力隨時(shí)間持續(xù)增長，因此預(yù)切槽法對(duì)腳部地基的承載力要求較大。

3.2混凝土內(nèi)力量測

圖6給出了預(yù)襯砌邊墻內(nèi)側(cè)和左右拱腳外側(cè)應(yīng)力測試情況。

圖6　施工過程預(yù)襯砌應(yīng)力變化曲線

分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)襯砌的應(yīng)力總體隨時(shí)間在增長，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且拱腳拉應(yīng)力的數(shù)值最大達(dá)到3.1 MPa，邊墻達(dá)到2.1 MPa，分析認(rèn)為，由于測點(diǎn)埋設(shè)后并未進(jìn)行掌子面的大量開挖，因此測到的預(yù)襯砌應(yīng)力主要應(yīng)與混凝土硬化過程有關(guān)，由于受力引起的成分是較小的。但是大量數(shù)值計(jì)算分析表明，拱腳部位是易于出現(xiàn)拉應(yīng)力的，尤其在拱腳處理不好的情況下，因此實(shí)際施工中對(duì)該部位的加固一定要重視。

3.3沉降收斂量測

圖7～圖9給出了測得的預(yù)襯砌左右邊墻及拱腳的沉降曲線。

圖7　預(yù)襯砌邊墻沉降曲線圖

圖9　預(yù)襯砌收斂曲線

分析以上數(shù)據(jù)表明，預(yù)襯砌整體變形較小。當(dāng)然，在此試驗(yàn)階段，并未進(jìn)行預(yù)襯砌下土體的大規(guī)模開挖。

4分析及思考

4.1對(duì)預(yù)襯砌控制變形能力及其受力的思考

不同于一般的初期支護(hù)，機(jī)械預(yù)切槽法形成的預(yù)襯砌承擔(dān)著預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)的雙重功能，對(duì)預(yù)襯砌受力的掌握是預(yù)切槽工法支護(hù)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于現(xiàn)場試驗(yàn)沒能按計(jì)劃進(jìn)行，目前還不能通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析出預(yù)襯砌的荷載特性。隧道初期支護(hù)的受力與其施工方法是密切相關(guān)的，對(duì)于預(yù)切槽法而言，預(yù)襯砌是在掌子面前方邊切邊灌形成的，當(dāng)預(yù)襯砌達(dá)到一定強(qiáng)度再進(jìn)行下方土體的開挖，研究表明[10-11]，預(yù)襯砌有助于保護(hù)地層的自然特性，顯著降低地層上方的坍落拱范圍，從而使得地層變形大大減少，并且發(fā)現(xiàn)預(yù)襯砌的形成有助于減小掌子面前方地層預(yù)收斂。圖10給出了法國位于相同地層條件和相同埋深條件下2個(gè)工程的實(shí)測地表沉降情況，其中單純采用臺(tái)階法施工的格麗尼隧道跨度8.74 m，采用預(yù)切槽法施工的豐特尼蘇—布瓦隧道跨度10.4 m，由圖10可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)切槽法的最終地表沉降約為新奧法的30%。

新奧法:格麗尼隧道　預(yù)切槽法：豐特尼蘇-布瓦隧道圖10　兩座隧道沉降對(duì)比

由于較大地限制了地層變形，預(yù)襯砌承受的地層壓力通常較大，日本在北陸公路名立隧道的預(yù)切槽法試驗(yàn)段測試發(fā)現(xiàn)，切槽混凝土比新奧法中噴混凝土的軸力約大4.5倍[12]。本次現(xiàn)場實(shí)測得到的邊墻土壓在下部土體未大規(guī)模開挖時(shí)(預(yù)留核心土未開挖)達(dá)到規(guī)范計(jì)算值的50%，也說明預(yù)襯砌的受力較大。數(shù)值計(jì)算結(jié)果也表明[11]，在其他條件相同的情況下，采用預(yù)切槽法時(shí)預(yù)襯砌受力比采用臺(tái)階法時(shí)初期支護(hù)的受力要大。但是數(shù)值計(jì)算的參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖條件繼續(xù)變差時(shí)，二者的差距在逐漸減小，據(jù)此可以推測，對(duì)于給定的埋深和其他支護(hù)參數(shù)條件，必然存在某種圍巖條件，二者的差距縮小為0?？梢岳斫鉃殡S著圍巖的逐漸變差，在傳統(tǒng)的施工方法中，坍落荷載開始呈現(xiàn)，而預(yù)切槽法由于可以極大地保持地層的自然特性，因而圍巖壓力仍處于形變壓力階段。由此也說明，從理論上來講，在較為軟弱的圍巖中，更適合運(yùn)用預(yù)切槽技術(shù)，此點(diǎn)在新意法對(duì)圍巖分類的思想中得到證實(shí)。根據(jù)掌子面與隧道徑向應(yīng)力與變形曲線(P-U曲線)的關(guān)系，新意法將圍巖分為3類，如圖11所示。

圖11　不同圍巖掌子面與P-U曲線位置關(guān)系圖示

圖11中，掌子面前方圍巖預(yù)收斂值UA

4.2對(duì)預(yù)切槽機(jī)械在黃土隧道應(yīng)用的思考

從中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在黃土隧道現(xiàn)場的試驗(yàn)情況來看，在黏質(zhì)黃土中成槽的穩(wěn)定性是完全能保證的。在砂質(zhì)黃土中，成槽能短期穩(wěn)定，只要混凝土灌注及時(shí)圍巖的變形就較小。但是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題是機(jī)械的切灌一體化不能得到很好解決，因此最終預(yù)襯砌環(huán)是通過切槽-噴混凝土的方式形成的，同時(shí)噴射過程中發(fā)生多次堵管，最終槽段的穩(wěn)定性、預(yù)襯砌的質(zhì)量與噴混凝土的及時(shí)性、噴注密實(shí)程度、槽段的大小及劃分等有著非常密切的關(guān)系，另外在含水地層中運(yùn)用的局限將加大。由于黃土隧道真正迫切需要預(yù)切槽技術(shù)的是砂質(zhì)黃土地段， 因此從現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果來看，為了在黃土隧道中得到廣泛運(yùn)用，我國第一代中心軸式預(yù)切槽機(jī)械尚需要在切灌一體化方面進(jìn)行研究和改進(jìn)。

5結(jié)論

預(yù)切槽技術(shù)在我國尚屬空白，中心軸式預(yù)切槽機(jī)械的研發(fā)成功無疑為預(yù)切槽技術(shù)在我國的發(fā)展開辟了道路。通過在黃土隧道進(jìn)行的預(yù)切槽法試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論。

(1)研制的中心軸式預(yù)切槽機(jī)械切割成槽質(zhì)量好，在黏質(zhì)黃土中成槽的穩(wěn)定性好，在砂質(zhì)黃土中能短期穩(wěn)定，配合混凝土的及時(shí)灌注可以保證圍巖穩(wěn)定。但目前機(jī)械的切灌一體化方面的配套問題尚需深入研究。

(2)測試得到的預(yù)襯砌變形較小，預(yù)切槽法在控制地層變形方面的優(yōu)勢較為顯著。由于盡可能限制了地層的變形，預(yù)襯砌承受的地層壓力通常較大，現(xiàn)場測試得到的土壓也較大。但是由于預(yù)襯砌可以減小地層應(yīng)力的急劇釋放，更適于運(yùn)用于掌子面前方容易出現(xiàn)較大預(yù)收斂變形的圍巖中，這是預(yù)襯砌上承受的荷載相比傳統(tǒng)方法反而有減小。

(3)現(xiàn)場測試得到預(yù)襯砌拱腳(預(yù)襯砌最底部)處豎向壓力隨時(shí)間持續(xù)增長且較大，因此預(yù)切槽法對(duì)腳部地基的承載力要求較大。另外，拱腳部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力，實(shí)際施工中對(duì)該部位的加固一定要予以重視。

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Application Test of Center Axis Pre-cut Machine in Large-section Loess Tunnel

SUN Bing1， WANG Xiu-ying2， TAN Zhong-sheng2

(1.China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China; 2.School of Civil Engineering of Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Abstract：Loess is a special kind of quaternary continental loose debris， characterized by low strength， large deformation and poor stability. Large section loess tunnel construction in China usually employs such methods as three-bench seven-step excavation method， CD， CRD and double side drift method， which may result in great many construction processes， low progress， difficulties in controlling deformation， excessive temporary support and complex connection of supporting structures in each individual small section. Therefore， it is necessary to study mechanized construction method for soft ground tunneling. The pre-cut method attracts again the attention of domestic tunnel constructors due to its advantages in controlling ground deformation and construction speed. In 2013， China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd. successfully developed the first generation center axis pre-cut machine in China. To master the performances and characteristics of the machine with respect to the stress and deformation in pre-lining process， tests are conducted in large-section loess tunnel. The results show that (1) the machine has good cutting capacity in loess strata， but further study is required on the integration of cutting and filling; (2) due to limited deformation of strata， the pre-lining bears bigger ground pressure; (3) the pre-cut method requires higher bearing capacity of the foot foundation and the foot of the pre-lining is a tensile-stress-concentrated area， which needs to be consolidated during construction．

Key words：Railway tunnel; loess tunnel; Pre-cut machine; Pre-lining; Field test

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0074-05

收稿日期：2015-09-29； 修回日期：2015-11-12

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃(2013BAF07B06)

作者簡介：孫兵(1981—)，男，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)隧道專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail:bing_sun@yeah.net。

中圖分類號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.016