既有鐵路隧道擴挖施工技術(shù)

祝 巖

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110013)

東北地區(qū)是我國的老重工業(yè)基地，現(xiàn)存有大量解放前后修建的鐵路隧道，隧道斷面空間小，標(biāo)準(zhǔn)低，部分隧道使用年限已達到100 a。由于現(xiàn)有鐵路車輛的大型化、電氣化，火車運行速度提升以及隧道陳舊老化、滲漏水等病害頻發(fā)等原因，老舊隧道越來越難以滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要。合理利用既有的鐵路線路，對已超過使用年限的老舊隧道進行全面改擴建，以降低運營、維修、管理成本，成為擺在鐵路建設(shè)者眼前的重要課題。

1 工程概況

沈丹鐵路是遼寧省東部的主要鐵路，始建于1904年，是日本掠奪東北資源的主要運輸線。新中國成立后，鐵路部門先后投資更換水泥軌枕，鋪設(shè)無縫鋼軌線路，提高鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)，列車運行速度達到100 km/h。為進一步提高沈丹鐵路運輸能力，沈丹線全線電氣化改造。

福金嶺隧道是沈丹鐵路線上的重要鐵路隧道，建于20世紀(jì)六七十年代，隧道全長2 650 m。隧道最小斷面處軌面距拱頂7.20 m，寬左側(cè)為2.05 m、右側(cè)2.85 m，隧道凈空約32 m2。

2015年12月對既有福金嶺隧道進行無損檢測顯示：福金嶺隧道襯砌背后空洞629處，襯砌背后不密實100處，缺陷長度共計3 780 m，占總測線長度的29.5%。

福金嶺隧道混凝土老化嚴(yán)重，凈空小，病害多，標(biāo)準(zhǔn)低，為滿足沈丹鐵路電氣化改造要求，采用原位擴孔、線路平面位置不變的改擴方法，對隧道進行改造。

2 隧道擴挖施工技術(shù)

有完整襯砌結(jié)構(gòu)的老舊隧道，雖然襯砌混凝土老化，但經(jīng)過多年自然變形，隧道圍巖結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力分布已完全穩(wěn)定。隧道擴挖施工中，拆除既有襯砌，必將導(dǎo)致應(yīng)力重分布，影響隧道穩(wěn)定性，進而威脅施工作業(yè)安全。在擴挖施工中，根據(jù)隧道應(yīng)力重新分布的特點，確定拆除隧道襯砌的方案。

隧道圍巖基本分級及巖土工程分級情況見表1。根據(jù)隧道圍巖整體性情況和圍巖自穩(wěn)定情況，將隧道擴挖分為三種[1]：對圍巖整體性較好、自穩(wěn)定性較強的Ⅲ級圍巖，拆除襯砌后短時間內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用全斷面鉆爆擴挖法；對圍巖整體性較差、自穩(wěn)定性較差的Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，拆除襯砌后會出現(xiàn)掉塊、坍塌，采用超前小導(dǎo)管支護兩臺階擴挖法；對圍巖整體性極差、自穩(wěn)定性極差的Ⅴ級加強、洞口段，拆除襯砌等支護結(jié)構(gòu)后會隨時塌方，采用大管棚支護破碎錘破碎擴挖法。結(jié)合“新奧法”施工工藝，遵行“弱爆破、強支護、短進尺、勤監(jiān)測、快襯砌”的原則，一炮一支，減小圍巖暴露時間，強化支護質(zhì)量，按照開挖、襯砌“安全步距”的有關(guān)要求，及早封閉成環(huán)。

2.1 全斷面鉆爆擴挖法

全斷面鉆爆擴挖法擴挖，不把拆除襯砌混凝土作為一個獨立的工序。在擴挖施工中，擴挖斷面小，采用光面爆破施工工藝，把襯砌混凝土和隧道圍巖一起爆破拆除，直接開挖到設(shè)計斷面。

表1 南嶺隧道圍巖分級

擴挖工序[2]為：測量放樣→鉆孔爆破→掛網(wǎng)噴錨支護→襯砌。其中鉆孔爆破是保證施工安全、控制施工成本的關(guān)鍵工序。

2.1.1 炮眼布置[3]

采用多鉆孔、少裝藥的方法，控制爆破強度，適應(yīng)既有隧道爆破厚度小(最大厚度1.84 m)、已存在爆破臨空面的實際情況；沿隧道開挖輪廓線布置一排周邊眼，炮眼間距50 cm；沿既有隧道襯砌線外邊緣布置一排炮眼，炮眼間距50 cm，拆除既有襯砌混凝土；隧道起拱線以上布置一排輔助眼，炮眼間距50 cm。詳見圖1。

圖1 炮孔布置圖(單位：cm)

施工中嚴(yán)格控制周邊眼位置，周邊眼的眼口在斷面設(shè)計輪廓線上，垂直開挖面鉆孔，不設(shè)置傾斜角；根據(jù)圍巖監(jiān)控量測顯示的拱頂沉降情況，適當(dāng)調(diào)整隧道拱頂周邊眼位置，預(yù)留沉降量。

既有隧道擴挖爆破厚度小，屬于“薄壁”拆除爆破。采用光面爆破施工工藝，減少對圍巖的擾動，增強圍巖的自承能力，減少危石和支護的工程量，使開挖面平整，控制超欠挖量。

2.1.2 炮眼深度

既有隧道擴挖施工，與新建隧道不同，炮眼深度主要受鉆孔施工工藝、施工難度影響。炮眼太深，增加鉆孔難度，不利于控制周邊眼的垂直度和位置，容易形成超欠挖，增加超欠挖處理工程量；Ⅲ級圍巖每循環(huán)掘進一般不超過3 m，選擇炮眼深度與開挖循環(huán)一致，取3 m，鉆孔難度低，作業(yè)方便[4]。

2.1.3 裝藥布置

隧道擴挖爆破作業(yè)，爆破臨空面大，最小抵抗線小，宜采用間斷、不耦合的裝藥方式裝藥[5]。裝藥前用小直徑高壓風(fēng)管將炮眼內(nèi)石屑吹凈，分片裝藥，分組按炮眼設(shè)計確定的裝藥量自上而下進行，雷管“對號入座”不得混裝。所有炮眼均用炮泥堵塞，堵塞長度不小于20 cm。

周邊眼采用小藥卷配導(dǎo)爆索，以增加不耦合系數(shù)和爆破時的緩沖作用，炮眼裝藥均采用反向裝藥結(jié)構(gòu)。對周邊眼、輔助眼、底板眼，裝?25 mm小藥卷；既有襯砌外邊緣炮眼，裝?20 mm小藥卷；對新增的大型洞室、下錨段、大型會車道、設(shè)備洞室，應(yīng)適當(dāng)加大用藥量，直至采用耦合連續(xù)裝藥，以保證開挖效果[5]。裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：①鉆頭為?40 mm，炮眼孔徑為?42 mm；②采用間隔裝藥時，相鄰炮眼所用的藥卷位置應(yīng)錯開，以充分利用炸藥性能；③光面爆破的不耦合系數(shù)最好大于2，藥卷直徑不應(yīng)小于炸藥的臨界直徑，以保證穩(wěn)定傳爆。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

2.1.4 起爆與其他

采用復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)、非電毫秒雷管微差起爆，保證起爆的可靠性和準(zhǔn)確性。起爆順序：既有襯砌外邊緣眼→輔助眼→周邊眼→底板眼。使用低爆速、低猛度、低密度、傳爆性能好、爆炸威力大的2號巖石乳化梯炸藥，保證爆破效果。控制與周邊眼相鄰的內(nèi)圈眼的爆破效果，為周邊眼創(chuàng)造臨空面，確保周邊眼同時起爆，達到光面爆破的效果[6]。

起爆結(jié)束后，檢查隧道擴挖面炮眼殘留率，確保殘留率達到90%以上。如殘留率小，超欠挖量大，適當(dāng)調(diào)整間隔不耦合裝藥。超挖，減少用藥量，加大裝藥間距；欠挖，增加用藥量，調(diào)整裝藥位置。通過微調(diào)，以達到最優(yōu)的光面爆破效果，為后續(xù)支護、襯砌工作創(chuàng)造條件[7]。

2.2 超前小導(dǎo)管支護兩臺階擴挖法

Ⅳ、Ⅴ級圍巖的圍巖自穩(wěn)定性較差，采用全斷面擴挖法，施工過程會出現(xiàn)掉塊，甚至大面積坍塌。對Ⅳ、Ⅴ級圍巖，采取小導(dǎo)管超前支護，在小導(dǎo)管支護體系下兩臺階法擴挖。擴挖工序為：插打上臺階小導(dǎo)管→注漿→上臺階鉆孔爆破→立拱架、打錨桿、掛網(wǎng)噴錨→下臺階鉆孔爆破→立拱架、打錨桿、掛網(wǎng)噴錨→襯砌[8]。

2.2.1 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管為?42 mm的熱軋無縫鋼花管，壁厚3.5 mm。插打超前小導(dǎo)管并注漿，讓小導(dǎo)管與漿液固化的巖體一起形成超前支護體系，為擴挖提供條件。超前小導(dǎo)管分單排超前小導(dǎo)管和雙排超前小導(dǎo)管。當(dāng)圍巖破碎、裂隙發(fā)育、滲水較多段，采用雙排超前小導(dǎo)管；圍巖相對完整段，采用單排超前小導(dǎo)管[9]。

單排超前小導(dǎo)管一般應(yīng)用于隧道Ⅳ級圍巖，單根長度3.5 m，環(huán)向間距50 cm，縱向間距與單循環(huán)進尺一致，即每循環(huán)插打一排超前小導(dǎo)管，間距2 m，搭接長度1.1 m，插打時外插角控制在10～15°之間。

雙排超前小導(dǎo)管一般用于隧道Ⅴ級圍巖，單根長度3.5～4.0 m，兩排間間距15 cm，環(huán)向間距50 cm，梅花型布置；當(dāng)圍巖較破碎、滲水較多地段，適當(dāng)加密超前小導(dǎo)管。圖3所示為環(huán)向間距30 cm的雙排超前小導(dǎo)管布置圖。雙排超前小導(dǎo)管配合鋼架使用，縱向間距與單循環(huán)進尺一致，間距1.5 m，搭接長度1.5 m，第1排小導(dǎo)管外插角控制在5～10°，第2排小導(dǎo)管外插角控制在10～15°。

超前小導(dǎo)管注漿是形成小導(dǎo)管超前預(yù)支護體系

圖3 雙排超前小導(dǎo)管示意圖(單位：cm)

的關(guān)鍵，注漿漿液水灰比0.5～1.0，注漿壓力0.5～1.0 MPa，對于涌水量較大的松散破碎帶，可采用具有針對性的注漿材料。小導(dǎo)管注漿完成后，注漿固結(jié)的巖體與小導(dǎo)管一起，替代既有襯砌，為擴挖提供安全保證[10]。

2.2.2 開挖及其他

超前小導(dǎo)管支護下的擴挖作業(yè)，采用控制爆破，多打孔少裝藥，避免爆破作業(yè)損壞小導(dǎo)管支護體系。嚴(yán)格控制開挖單循環(huán)進度，Ⅳ級圍巖控制在2.0 m以內(nèi)，Ⅴ級圍巖控制在1.5 m以內(nèi)。在下臺階開挖時，實施左半幅和右半幅分開擴挖的開挖方法，最大限度降低單次擴挖對圍巖影響。擴挖完成后，及時立拱架、插打系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)支護，減少開挖面暴露時間，讓開挖后的錨噴體系承擔(dān)變形和沉降，降低坍塌風(fēng)險。

2.3 大管棚支護破碎錘破碎擴挖法

Ⅴ級圍巖加強段、洞口段，采用大管棚支護，在大管棚支護體系下兩臺階或三臺階法擴挖。擴挖工序為：大管棚施工→上臺階破碎錘拆除襯砌→立拱架、打錨桿、掛網(wǎng)噴錨→下臺階破碎錘拆除→立拱架、打錨桿、掛網(wǎng)噴錨→襯砌。

2.3.1 大管棚施工

大管棚是隧道施工最強超前支護體系。在洞口和巖石破碎地段施工大管棚，可以為自穩(wěn)定性極差圍巖段提供超前支護，為隧道擴挖提供臨時支承體系。大管棚分為?89 mm超前大管棚和?108 mm超前大管棚，可根據(jù)支護圍巖的破碎程度選擇。當(dāng)圍巖為土質(zhì)結(jié)構(gòu)時，可選用?108 mm超前大管棚。大管棚施作示意見圖4。

圖4 大管棚施作

隧道擴挖大管棚施工，與普通隧道開挖大管棚施工工藝一樣。大管棚鋼管采用熱軋無縫鋼管及鋼花管，外徑89 mm，壁厚6 mm；每節(jié)鋼管兩端均預(yù)加工成外絲扣，以便連接鋼管；大管棚環(huán)向間距3根/m，外插角0～3°；注漿M10水泥漿材料，注漿壓力0.5～3.0 MPa。大管棚注漿完成后，注漿固結(jié)的巖體與大管棚一起，替代既有襯砌，為擴挖提供安全保證。

2.3.2 破碎錘開挖

Ⅴ級圍巖加強段及洞口段，圍巖穩(wěn)定性差，一般不采用爆破開挖的方法。隧道擴挖斷面小，爆破作業(yè)易擾動大管棚支護體系。使用破碎錘破碎襯砌，挖掘機配合出渣車出渣，施工更安全。

破碎錘作業(yè)時，根據(jù)機械作業(yè)面要求劃分上下臺階。先進行起拱線以上部分(Ⅰ單元)襯砌的破碎和擴挖，后進行邊墻(Ⅱ單元)、底板部分(Ⅲ單元)襯砌破碎和擴挖。對Ⅰ單元的破碎擴挖，單循環(huán)擴挖的進尺控制在1 m以內(nèi)，以保證擴挖安全。嚴(yán)格執(zhí)行拆除一段，立1～2榀拱架，同步進行打錨桿、掛網(wǎng)噴錨支護，使拱架、錨噴支護體系與大管棚一起，及早形成新的支護體系。

在Ⅱ單元開挖時，破碎襯砌、擴挖、支護等工序，半幅半幅地完成，開挖進尺控制在1 m以內(nèi)，降低拆除既有襯砌和擴挖對圍巖及大管棚支護體系的擾動。

2.3.3 爆破拆除襯砌

當(dāng)襯砌混凝土中有鋼筋時，采用破碎錘拆除工效低，難度大，可對襯砌進行控制微振爆破，加快施工進度。

爆破拆除襯砌，縱向以2 m為一段，橫向以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為拆除單元，分單元爆破拆除。在襯砌上以50 cm為間距布置炮孔，呈梅花型布置，孔深為襯砌厚減10 cm，按照控制微振爆破要求，炮孔內(nèi)裝小藥卷，達到松動鋼筋混凝土的襯砌即可。松動爆破及拆除擴挖的順序為：Ⅰ單元→Ⅱ單元→Ⅲ單元。松動爆破后，破碎錘配合拆除襯砌，并擴挖到設(shè)計位置。爆破分區(qū)及炮眼布置詳見圖5。爆破拆除襯砌，是對破碎錘擴挖施工的補充，遵循Ⅰ單元拆除支護全部完成后，再進行Ⅱ單元的爆破、拆除和支護。

支護完成后，做好圍巖沉降監(jiān)測和斷面測量，避免侵限，同時為后續(xù)開挖輪廓線的調(diào)整提供依據(jù)。

3 隧道擴挖造價分析

3.1 既有隧道改擴建的有利條件

圖5 爆破分區(qū)及炮眼示意圖

相對新建隧道，既有隧道改擴建有以下有利條件：①不需開展超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報，節(jié)約了投資及施工時間，施工難度降低，沒有情況不明的涌水、涌泥、瓦斯等風(fēng)險。②既有隧道地質(zhì)條件清晰，施工組織有的放矢，可有效加快施工進度，無須變更設(shè)計，極大減少了變更設(shè)計相關(guān)工作花費時間。③既有隧道擴建施工，通風(fēng)條件好。④既有隧道擴建施工，有天然的逃生通道。⑤隧道棄渣方量小，減少了棄土場處理費用和環(huán)水保風(fēng)險。⑥在Ⅰ～Ⅲ級圍巖中，可跳挖增加工作面，加快施工進度，方便搶工期。利用以上有利條件，施工方可降低施工成本，業(yè)主方可減少投資。

3.2 既有隧道改擴建的不利條件

既有隧道改擴建，會造成既有線路的停止運營，同時影響臨近既有線路的正常運營。

3.3 對投資的影響

新建隧道和改擴建隧道，占投資主要部分的超前支護、掛網(wǎng)噴錨支護、襯砌等永久工程，工程量幾乎完全一致，開挖工程量、擴挖隧道襯砌拆除工程量增加，總體工程量減少，工程投資減少；既有隧道擴挖，棄渣量減少，棄渣場臨時用地相對減?。凰淼肋M出口無須征拆，建設(shè)單位征地拆遷任務(wù)相應(yīng)減少，協(xié)調(diào)工程量及難度降低，相應(yīng)支出減少。

4 結(jié)束語

既有隧道改擴建為新隧道，征拆成本減少，總投資降低，同時舊線利用降低了火車運營對環(huán)境的污染。隧道總體投資減少，隧道擴挖相對于新建隧道更有經(jīng)濟意義。福金嶺隧道擴挖前對其圍巖進行全面的勘測和加固處理，可以有效地控制施工過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。此次施工新擴隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運營理想，得到廣泛肯定。