公路隧道三臺階機械開挖法施工技術研究

侯 圓，王 波

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

高家山隧道為大斷面軟巖隧道，同時為淺埋小凈距隧道，可適用于CD、CRD、雙側(cè)壁導坑鉆爆法或小型機械開挖法。鉆爆法在大斷面軟巖隧道中進度慢、超欠挖控制難度大、爆破擾動大、安全性低；小型機械開挖出渣慢、交叉干擾大、功效低、進度慢。結(jié)合我公司類似經(jīng)驗，選用懸臂式掘進機+液壓鷹嘴鉤作為開挖設備，配套使用三臺階機械開挖法，提高設備利用效率。

1 工程概況

大邑縣二環(huán)路北環(huán)線建設工程高家山隧道為四洞全單向、機動車和非機動車分離的交通隧道，左主洞與左輔洞中線間距23m，左主洞與右主洞中線間距36m，右主洞與右輔洞中線間距23m～60m。洞口最小埋深10m左右，最大埋深70m多。本隧道工程基本為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，左主洞長377.66m，右主洞長387m，主洞V級圍巖共420m，IV級圍巖共345m，主洞Ⅴ級圍巖占隧道總長度的54.9%。

高家山隧道主洞Ⅴ級圍巖開挖斷面寬16m，最大開挖斷面160.5。地質(zhì)分布為中上部強風化～中風化粉砂質(zhì)泥巖，棕紅色，細粒結(jié)構，中厚～厚層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層傾角近水平，巖芯呈短柱狀，節(jié)長10cm～35cm，采取率65%～98%，錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，浸水后手可捏碎，屬軟巖，為Ⅳ級軟石，單軸抗壓強度約8MPa。

中下部分布有中風化礫巖，褐紅色，中厚～厚層狀構造。主要成分為石英巖、灰?guī)r等含少許圓礫，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層傾角平緩，巖質(zhì)較暗淡、質(zhì)較軟，采取率80%～90%。錘擊聲啞、有輕微回彈、有凹痕、較易擊碎。裂隙較發(fā)育，巖芯破碎，呈碎塊狀、餅狀以及短柱狀，單軸抗壓強度約26MPa。

2 三臺階機械開挖法的特點

三臺階機械開挖法是以分臺階機械開挖為基本模式，分上、中、下三個臺階，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。三臺階機械開挖法適用于公路工程三車道大斷面隧道，且圍巖具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段隧道的施工。該工法具有下列技術特點：

(1)施工空間大，方便機械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。IV級和V級軟巖采用懸臂掘進機、液壓鷹嘴鉤等機械直接開挖，開挖質(zhì)量好，超欠挖容易控制，工效高。

(2)在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，便于靈活、及時地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法，頂部圍巖自穩(wěn)條件差時可增加豎向臨時支撐，將上臺階分為左右兩個洞室開挖，減小上部開挖斷面面積，縮短開挖進尺，圍巖穩(wěn)定后可拆除豎向臨時支撐。

(3)適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。

(4)當圍巖變形較大或突變時，在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時間。

(5)開挖進度快、圍巖擾動小、作業(yè)人員少、安全性高。

3 施工工藝

3.1 施工準備

施工前進行施工技術交底，作業(yè)人員進行崗前培訓和安全教育，特別是懸臂式掘進機操作手要具備足夠的經(jīng)驗，更利于超欠挖控制和突發(fā)情況的處置。隧道進洞前按設計要求做好截排水系統(tǒng)、邊仰坡防護、洞口大管棚、端墻，在洞口安全的前提下進洞。

3.2 工藝流程

三臺階機械開挖法可分為以下主要步驟：

(1)上臺階懸臂式掘進機開挖，施做拱部初期支護；

(2)中、下臺階左右錯開液壓鷹嘴鉤開挖，施做墻部初期支護；

(3)隧底仰拱液壓鷹嘴鉤開挖，施做隧底初期支護。

每部開挖后及時支護，隧底初期支護后及時施做仰拱、二襯，盡早封閉成環(huán)。

3.3 三臺階機械開挖

上臺階采用懸臂式掘進機開挖，懸臂式掘進機的截割方式是從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線逐級分塊截割以上部分；中、下臺階采用液壓鷹嘴鉤開挖；裝載機出渣或反挖裝自卸汽車出渣。

三個臺階分步平行開挖，平行施做初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環(huán)；仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩(wěn)固的支護體系。施工過程通過監(jiān)控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調(diào)整支護參數(shù)和預留變形量，保證施工安全。完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎。

三臺階機械開挖法開挖透視圖見圖1。

圖1 三臺階機械開挖法開挖透視

3.3.1 上臺階開挖(圖1中1區(qū))

上臺階開挖在拱部超前支護后進行，開挖循環(huán)進尺應根據(jù)圍巖等級和初期支護鋼架間距確定，IV級圍巖宜不大于2榀鋼架間距，V級圍巖宜不大于1榀鋼架間距，開挖后立即初噴3cm～5cm厚混凝土。上臺階開挖失跨比應大于0.25，根據(jù)高家山隧道特點和設備有效開挖高度，主洞上臺階高度取5m。掘進機采用徐工XTR260，XTR260掘進機自身長11.7m，采用側(cè)翻裝載機裝自卸車(長7.6m)出渣，上臺階長度至少11.7+7.6+2=19.7m，上臺階長度取20m。開挖后應及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，拱腳錨桿和鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。

3.3.2 縱向通道開挖(圖1中2-1、3-1區(qū))

上臺階開挖20m后，準備開始施工中下臺階。為給掘進機和出渣設備形成縱向通道，采用通道縱挖法，通道寬4m，縱坡不大于18%，兩側(cè)邊坡坡度應根據(jù)地質(zhì)情況確定，本項目為粉砂質(zhì)泥巖隧道，具備一定的自穩(wěn)條件，坡比選用1∶0.75。邊坡人工刷坡，清除松散塊石，采用3cm～5cm厚混凝土初噴封閉。

3.3.3 中臺階開挖(圖1中2-2、2-3區(qū))

上臺階開挖20m后，縱向通道形成，同時開始中臺階開挖。中臺階高度控制在2.5m～3.5m，左右錯開3m～5m，禁止同時將上臺階的初支工字鋼懸空。中臺階采用液壓鷹嘴鉤+銑挖機開挖，反挖裝自卸汽車出渣。

3.3.4 下臺階開挖(圖1中3-2、3-3區(qū))

下臺階開挖在上臺階支護完成且噴射混凝土強度達到設計強度的70%后進行。下臺階的底部開挖高度應根據(jù)仰拱及仰拱回填高程、棧橋的布置及二襯鋼模臺車軌道底高程來綜合確定，且不宜高于3.5m。

3.3.5 隧底開挖(圖1中4區(qū))

隧底為泥巖，局部為礫巖，采用液壓鷹嘴鉤開挖，6m一段整體開挖。開挖后應及時施做仰拱初期支護、仰拱及仰拱回填和二襯。

4 超欠挖、地下水、環(huán)水?？刂拼胧?/h2>

4.1 超欠挖控制措施

(1)采用“新奧法”施工工藝，嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、勤測量、早封閉”的基本原則。

(2)提高測量精度，降低放樣誤差，是控制隧道超欠挖的重要措施。

(3)加強人員培訓，提高機械操作手的專業(yè)操作技能，使其養(yǎng)成良好的操作習慣，以達到熟能生巧的程度。

(4)預留輪廓范圍內(nèi)30cm～50cm二次銑挖。

4.2 地下水及施工用水的控制措施

水對軟巖隧道影響極大，特別是工字鋼拱腳軟化后影響初支的穩(wěn)定，軟巖隧道需重點控制地下水和施工用水。隧道兩側(cè)設置縱向排水溝，滲水及裂隙水經(jīng)排水溝匯集至洞口集水坑抽排，股水通過埋設PVC管引排，錨桿及小導管鉆孔用水引至兩側(cè)排水溝。

4.3 粉塵及環(huán)水?？刂拼胧?/h3>

上臺階懸臂式掘進機開挖時會產(chǎn)生大量的粉塵，直接影響掘進機操作手的視線和工作環(huán)境，對工作面超欠挖控制影響較大，也影響中下臺階、仰拱及二襯工作面的施工環(huán)境。目前尚未找到一套能完全解決工作面粉塵的方法，有待進一步研究。

本隧道施工時采用抽出式+壓入式通風降塵，抽出式通風量為壓入式的兩倍[1]，壓入式出風口布置在操作手附近，掌子面利用掘進機自有噴淋系統(tǒng)改裝的霧炮系統(tǒng)+兩臺霧炮機降塵。

抽出的粉塵在洞口經(jīng)過逆流式噴淋塔，含塵氣流從噴淋塔底部向上運動，噴淋塔噴出的液滴向下運動，通過慣性、攔截、擴散等效應將較大的塵粒捕集下來，徑水霧凈化后的氣流由塔上部排出[2]，污水從下部抽排至自動拉板壓濾機，壓成泥餅后自卸汽車運輸至棄渣場，清水返回至水池重復利用。

5 結(jié)語

三臺階機械開挖法適用于具備一定自穩(wěn)能力的軟巖隧道，在超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測的信息化指導下，能發(fā)揮機械開挖的優(yōu)勢，對圍巖擾動小，對中巖墻和初支結(jié)構安全有利。但機械開挖輪廓精準自動控制和粉塵控制是難點，有待于進一步研究和突破。