鐵路隧道洞身開挖中的全斷面法施工工藝

李蓬

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西太原 030032）

1 工程概況

某鐵路擴(kuò)能改造工程標(biāo)段中隧道起訖里程為DK14+380～DK24+025，全長(zhǎng)9645m，共布設(shè)3 個(gè)斜井，具體位置及長(zhǎng)度分別為：DK17+367 線路右側(cè)，長(zhǎng)550m；DK20+090 線路左側(cè)，長(zhǎng)1080m；DK23+130 線路右側(cè)，長(zhǎng)230m。隧道施工條件特殊，經(jīng)技術(shù)可行性分析后決定采用全斷面法，以期通過(guò)該施工方法的應(yīng)用創(chuàng)造安全的施工環(huán)境，高效施工。

2 鐵路隧道洞身開挖的重難點(diǎn)及工作思路

2.1 開挖的重難點(diǎn)

（1）隧道施工規(guī)模大，地質(zhì)、水文條件復(fù)雜。隧道長(zhǎng)度達(dá)到9625m，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件組成錯(cuò)綜復(fù)雜，包含Ⅱ級(jí)圍巖5295m、Ⅲ級(jí)圍巖1830m、Ⅳ級(jí)圍巖1840m、V 級(jí)圍巖680m?？辈旖Y(jié)果顯示，施工現(xiàn)場(chǎng)的斷層達(dá)到高度發(fā)育的狀態(tài)，分布范圍較廣，與隧道洞身多角度相交。在施工現(xiàn)場(chǎng)F4 斷層帶的影響下，明顯加劇隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的水文復(fù)雜性，正常涌水量達(dá)到了416m3/d。從隧道埋深的角度來(lái)看，最淺處僅為24m，地表溝谷長(zhǎng)期處于有水的狀態(tài)，產(chǎn)生較大的匯水面積。此外，周邊建有水庫(kù)。若缺乏有效的控制措施，在開挖的擾動(dòng)性影響下容易出現(xiàn)涌水事故，不利于施工進(jìn)程的順利推進(jìn)。

（2）質(zhì)量要求高，施工難度大。根據(jù)要求，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為250km/h，還考慮到遠(yuǎn)景發(fā)展需求，預(yù)留提速條件，如何滿足列車的高速通行要求為重難點(diǎn)內(nèi)容?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)水文條件所帶來(lái)的干擾，切實(shí)提高隧道防水等級(jí)，即采取一級(jí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，要求設(shè)置足夠穩(wěn)定性與嚴(yán)密性的防排水結(jié)構(gòu)，通過(guò)各結(jié)構(gòu)的聯(lián)合應(yīng)用共同形成防護(hù)體系，最大限度減小水侵蝕問(wèn)題。并且，隧道對(duì)混凝土的耐久性提出較高的要求，不可因?yàn)槭褂脮r(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)失穩(wěn)、破碎等情況。

（3）圍巖穩(wěn)定性不足，安全隱患多。隧址區(qū)存在凝灰?guī)r、流紋斑巖，其性質(zhì)特殊，在開挖期間若方法不當(dāng)或是未采取有效的控制措施，則容易發(fā)生巖爆。

2.2 工作思路

（1）管超前：Ⅳ、V 級(jí)圍巖易在開挖的擾動(dòng)性作用下而出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此開挖前施作超前注漿小導(dǎo)管，采取注漿加固措施，以此維持圍巖的穩(wěn)定性[1]。

（2）嚴(yán)注漿：施工現(xiàn)場(chǎng)存在部分地質(zhì)斷層以及富水地段，在此類特殊的地段施工時(shí)壓注水泥漿液，通過(guò)漿液的固結(jié)作用增強(qiáng)圍巖的完整性，確保其具有自穩(wěn)性。

（3）短進(jìn)尺：加強(qiáng)對(duì)開挖進(jìn)尺的精細(xì)化控制，減小超前支護(hù)承載跨度；合理協(xié)調(diào)各項(xiàng)生產(chǎn)要素，快速噴射混凝土，縮短掌子面的暴露時(shí)間，從而減小外部對(duì)掌子面穩(wěn)定性所帶來(lái)的影響。

（4）弱爆破：以微震控制爆破的方式較為合適，細(xì)分方法包含光面爆破、預(yù)裂爆破；在不影響爆破施工質(zhì)量的前提下盡可能減少裝藥量，以免破壞圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）強(qiáng)支護(hù)：以徑向砂漿錨桿較為合適，將其設(shè)置到位，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

（6）早封閉：開挖完成后隨即組織混凝土初噴作業(yè)，通過(guò)此途徑盡快封閉開挖面。施工前根據(jù)要求制作格柵鋼架和工字鋼鋼架，通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)后轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場(chǎng)，利用此類裝置及時(shí)支撐圍巖，局部地質(zhì)條件欠佳時(shí)采取加強(qiáng)措施，盡早封閉成環(huán)。

3 洞口開挖與支護(hù)

洞口開挖的安全隱患較多，該部分穿過(guò)山體埋深最淺的地段，在開挖施工之下洞口范圍內(nèi)的總體狀況發(fā)生變化，即天然植被山體遭到破壞，山體水系的路徑隨之改變，順洞口向下流淌，在水的侵蝕作用下容易誘發(fā)塌方事故。此外，洞口的表層巖石處于風(fēng)化狀態(tài)，破碎狀明顯，拱部的穩(wěn)定性欠佳。針對(duì)此情況，在洞身施工前便要采取防護(hù)措施，切實(shí)保證洞口的穩(wěn)定性。此外，可采取長(zhǎng)管棚套拱進(jìn)洞的方案，此方式可有效減小仰拱開挖的影響，使山體在開挖施工期間無(wú)滑塌、局部掉落等問(wèn)題[2]。

3.1 洞口開挖

正式開挖前，先修筑洞外路塹天溝和洞頂截水溝，構(gòu)成完善的排水系統(tǒng)，改善現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，以便推進(jìn)洞口開挖施工進(jìn)程。截水天溝距邊仰坡開挖線的距離控制在5～10m。詳細(xì)檢查洞口頂部地表的平整度，若該處有凹坑或是小洞穴可利用粘土予以回填，使其具有平整性。洞口拉槽段開挖環(huán)節(jié)采取的是挖掘機(jī)開挖、自卸車裝運(yùn)的聯(lián)合作業(yè)模式。從上部開始逐層向下開挖，考慮到開挖巖土體的穩(wěn)定性要求，在開挖期間及時(shí)采取仰坡防護(hù)措施。

3.2 洞口支護(hù)

大管棚超前預(yù)支護(hù)，主要的施工流程為：先組織洞口開挖作業(yè)，待實(shí)際開挖位置在起拱線處時(shí)，按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)，將管棚導(dǎo)向管埋設(shè)到位，最后設(shè)置長(zhǎng)管棚，至此則可以形成完整、穩(wěn)定的洞室輪廓[3]。在洞口支護(hù)工作中，超前大管棚的打設(shè)為重點(diǎn)內(nèi)容，環(huán)向間距取0.6m，制備水泥漿并將其填塞至管體內(nèi)，拱部設(shè)φ42 超前小導(dǎo)管，該裝置與大管棚交錯(cuò)布置；此外，使用適量長(zhǎng)度為3.5m 的小導(dǎo)管，依然按環(huán)向間距0.6m 的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，注漿施工所用材料為水泥漿。加強(qiáng)對(duì)管棚中心位置的檢測(cè)與控制，要求其距離開挖輪廓線約30cm，外插角按1°～3°加以控制。管棚套拱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示；洞口開挖支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖1 管棚混凝土套拱結(jié)構(gòu)

圖2 洞口段開挖支護(hù)方法及工藝

4 洞身全斷面開挖施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，因地制宜地采取可行的施工方法，洞口、洞口明洞施工環(huán)節(jié)均采用明挖法，暗洞段為新奧法，考慮到開挖施工的效率要求，輔以光面爆破法。其中，不同圍巖等級(jí)的開挖方法不盡相同，對(duì)于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、V 級(jí)圍巖，分別采用的是全斷面法、臺(tái)階法、三臺(tái)階開挖法、四臺(tái)階四步開挖法。拱墻施工遵循連續(xù)性原則，即一次澆筑成型，以保證拱墻結(jié)構(gòu)的完整性。

正洞襯砌施工所用材料為C35 鋼筋混凝土。V 級(jí)圍巖施工段，開挖采取的是“挖掘機(jī)（主）+風(fēng)鎬（輔）”的綜合型方案，遇局部施工條件異常特殊的情況時(shí)用風(fēng)鉆打眼爆破；除此之外的其他施工段，鉆眼施工所用裝置均為YT-28 鑿巖機(jī)，待炮眼的深度、孔徑等方面均滿足要求后進(jìn)行光面爆破施工。

兩相對(duì)開挖工作面的距離為施工中的重點(diǎn)考慮內(nèi)容，待其減小至40m 時(shí)，尤為重要的是加強(qiáng)安全防護(hù)，兩端工作人員及時(shí)取得聯(lián)系，就實(shí)際施工情況展開溝通，協(xié)調(diào)工作關(guān)系，確保安全；隨施工進(jìn)程的推進(jìn)，待兩開挖面的距離減小至10～15m 時(shí)一端暫停施工，另一端開挖，直至貫通為止。

5 隧道洞身開挖施工的注意事項(xiàng)

隧道洞身開挖是一項(xiàng)安全隱患較多的工作，期間潛在諸多突發(fā)性因素，必須加強(qiáng)控制。在開挖前，通過(guò)激光指向儀、激光斷面儀等相關(guān)裝置的聯(lián)合應(yīng)用，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求確定開挖輪廓線和炮孔的具體位置，做好標(biāo)記，給相關(guān)工作的開展提供參照基準(zhǔn)[4]。

爆破開挖前應(yīng)組織爆破試驗(yàn)，通過(guò)此方式驗(yàn)證鉆爆參數(shù)的可行性，若實(shí)際爆破效果不滿足要求則對(duì)鉆爆參數(shù)做靈活的調(diào)整，直至鉆爆方案切實(shí)可行為止。加大施工期間的監(jiān)測(cè)力度，及時(shí)掌握地質(zhì)條件以及振動(dòng)波的特性，根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)對(duì)爆破施工效果做出準(zhǔn)確的判斷，及時(shí)調(diào)整鉆爆參數(shù)，在該動(dòng)態(tài)化施工的模式下，盡可能降低爆破施工對(duì)圍巖、支護(hù)及襯砌的影響，以免造成不良影響。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在根據(jù)鐵路隧道洞身施工條件采取相適應(yīng)的全斷面法后，能夠有效保證施工的安全性，充分發(fā)揮出支護(hù)、襯砌等相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)作用，從而給隧道施工創(chuàng)設(shè)了良好的條件。施工全程安全狀況良好，實(shí)際施工質(zhì)量滿足要求。根據(jù)該工程實(shí)例可知，全斷面法施工工藝在鐵路隧道洞身開挖施工中具有可行性，可為類似工程提供參考，同時(shí)也需根據(jù)工程的實(shí)際情況合理優(yōu)化方法，全面發(fā)揮出施工方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。