軟巖隧道三臺階機械開挖施工技術(shù)探討

Summary：大邑北二環(huán)隧道屬軟巖隧道，原計劃采用鉆爆法施工，但受限于臨近市區(qū)、炸藥審批、地層擾動大、施工工期等原因，經(jīng)各方充分論證，將鉆爆法施工優(yōu)化為三臺階開挖，開挖過程中應(yīng)嚴格控制臺階高度和單循環(huán)進尺，控制超欠挖和對基礎(chǔ)的擾動，及時做好支護，確保施工安全。相關(guān)工程經(jīng)驗可為類似工程提供參考。Keys：隧道開挖；鉆爆法；臺階機械開挖法；懸臂式掘進：U455.3

：ADiscussiononConstructionTechnologyofThreeBenchMechanicalExcavationinSoftRockTunnelAbstract:ThedrillingandblastingmethodwasoriginallyplannedtobeusedfortheconstructionofGaojiashanTunnel,butduetotheapprovalofexplosives,largestratumdisturbance,constructionperiodandotherreasons,thedrillingandblastingmethodwasoptimizedforbenchmechanicalexcavationthroughfulldemonstrationbyallparties,inwhichXTR4-180cantileverroadheaderwasusedfortheexcavationofauxiliarytunnelinupperandlowerbenches,andEZB260cantileverroadheaderwasusedfortheexcavationofmaintunnelinthreebenches.Duringtheexcavationprocess,thebenchheightandsinglecyclefootageshouldbestrictlycontrolled,Controloverandunderexcavationanddisturbancetothefoundation,andtimelyprovidesupporttoensureconstructionsafety.Relevantengineeringexperiencecanprovidereferenceforsimilarprojects.Keywords:tunnelexcavation;Drillingandblastingmethod;Benchmechanicalexcavationmethod;Cantilevertunnelling1工程概況大邑縣二環(huán)路北環(huán)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23～60m。中巖墻厚度小于圍巖最小凈距2.5B，且洞口最小埋深10m左右。2隧道地質(zhì)水文情況隧道通過地區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4el+dl），以及白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g），自上而下分為粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化砂巖，本隧道工程基本Ⅳ、Ⅴ類圍巖。3方案優(yōu)化設(shè)計3.1隧道工程特點（1）淺埋、偏壓、小凈距4條隧道埋深較淺，最大埋深70余米，隧道洞口屬于偏壓段，中巖墻的厚度V級圍巖小于3.5B（B=16.5m），Ⅳ圍巖小于2.5B(B=14.1ｍ)，屬于小凈距隧道。（2）工作面多、交叉多、工期短4條隧道同時單頭掘進，工作面很多，單洞內(nèi)分區(qū)開挖、初支、二襯交叉作業(yè)，交叉干擾大，安全風(fēng)險高、工期短。（3）隧道斷面形式多主洞和輔洞主要為Ⅳ類圍巖和V類圍巖，主洞主要開挖襯砌斷面為V加強、Ⅳ加強，輔洞主要開挖襯砌斷面主要為V輔加強、Ⅳ輔加強。3.2原設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計文件，原設(shè)計方案采用臺階爆破法施工。但受限于臨近市區(qū)、炸藥審批困難、地層擾動大、施工工期等原因，不利于爆破施工開展。3.3優(yōu)化設(shè)計方案針對隧道不適用于爆破施工的具體情況，經(jīng)項目調(diào)研決定采用掘進機三臺階施，三臺階機械開挖施工方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，通過臺階將大斷面分成小斷面進行開挖。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，裝載機出渣或反挖裝自卸汽車出渣。三臺階機械開挖法相比鉆爆法而言，兩種方法對比見表1。表1三臺階機械開挖法與鉆爆法對比項目鉆爆法三臺階機械開挖法開挖質(zhì)量受地質(zhì)鉆爆作業(yè)水平限制，大多數(shù)隧道超欠挖嚴重，質(zhì)量差比掘進機法大一倍受地質(zhì)、機械操作人員水平影響，大多數(shù)隧道開挖圓順，質(zhì)量好，超欠挖一般為鉆爆法的一半對圍巖的擾動擾動大，圍巖松弛范圍大擾動小，圍巖松弛范圍小施工通風(fēng)難度大，洞內(nèi)環(huán)境差難度小，洞內(nèi)環(huán)境好施工效率在軟巖施工中效率低下，中硬巖施工中有優(yōu)勢在中軟巖施工中效率高，有優(yōu)勢，在硬巖施工中有劣勢安全環(huán)保性差好設(shè)備投入采用液壓鉆孔臺車時同懸臂掘進機相當，采用風(fēng)動鑿巖機，投入很小同鉆爆法采用液壓鉆孔臺車時相當對開挖工序的影響開挖斷面多且??；工序多（鉆孔、裝藥爆破、通風(fēng)支護、出渣）開挖斷面主要受懸臂掘進機的作業(yè)高度限制，都要部分開挖；工序少臨時支護同初支，后期拆除掌子面噴砼4三臺階施工開挖方法4.1懸臂式掘進機主要技術(shù)參數(shù)采用EZB260型掘進機，由切割機構(gòu)、支承機構(gòu)、操縱臺、本體總成、行走機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、除塵噴霧系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、護板總成、標識與涂裝、冷卻系統(tǒng)、鏟板總成、第一運輸機等部件構(gòu)成。EZB260型掘進機長×寬×高=10.85×2.632×1.82m，總重85t，切割頭臥底深度250mm，地隙250mm，龍門高度400mm，最大/經(jīng)濟切割硬度60/100MPa，爬坡能力±18°，裝機總功率370kW，電壓AC1140V-50Hz。4.2施工工藝流程三臺階機械開挖法可分為以下主要步驟：（1）上臺階開挖，施做拱部初期支護；（2）中、下臺階左右錯開開挖，施做墻部初期支護；（3）隧底仰拱開挖，施做隧底初期支護，每部開挖后均應(yīng)及時支護，隧底初期支護后應(yīng)及時施做仰拱，盡早封閉成環(huán)。4.2施工步驟及順序三臺階機械開挖法施工工序見圖1。（a）施工工序剖面示意

（b）施工工序平面示意圖1三臺階機械開挖法示意（1）在對①進行拱部超前支護后開挖①部→施作①部初期支護→施作系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。（2）在滯后于①部開挖10m左右后，開挖②部2-1縱向通道→施做兩側(cè)邊坡，控制坡比→施作兩側(cè)邊坡3-5cm砼初噴封閉→施做中臺階②部2-2開挖→施作②部2-2初期支護→施作系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度→2-2開挖3～5m后，施做②部2-3開挖→施作②部2-3初期支護→施作系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。（3）在滯后②部開挖10m左右，開挖③部，其施作步驟及工序同2。（4）在滯后于③部適當距離后，開挖④部，施作隧道底部分初期支護。（5）施作⑤部仰拱砼。（6）灌筑仰拱填充部分⑥。（7）根據(jù)監(jiān)控量測分析結(jié)果，待初期支護收斂后，利用襯砌模板臺車一次性灌注拱墻襯砌⑦。4.3主要施工技術(shù)上臺階開挖：上臺階開挖失跨比應(yīng)大于0.25，根據(jù)隧道開挖斷面，主洞上臺階高度取5m，采用徐工EBZ260懸臂式掘進機進行開挖。上臺階開挖在拱部超前支護后進行，開挖循環(huán)進尺根據(jù)圍巖等級和初期支護鋼架間距確定，開挖后立即初噴3~5cm砼。開挖后及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設(shè)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°搭設(shè)鎖腳錨桿，拱腳錨桿和鋼架牢固焊接，復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。懸臂掘進機采用由下至上，從左至右往返切割。中臺階開挖：上臺階開挖20m后，中臺階縱向通道形成后開始中臺階開挖。中臺階高度控制在2.5~3.5m，左右錯開3~5m，禁止同時將上臺階的初支工字鋼懸空。開挖進尺根據(jù)初期支護鋼架間距確定，每循環(huán)進尺不得大于2榀鋼架間距。開挖高度一般為2.5～3.5m，縱向通道左右側(cè)臺階前后錯開3～5m開挖，即先挖一側(cè)臺階3~5m后再挖另一側(cè)臺階；同一榀鋼架兩側(cè)不得同時懸空。開挖后立即初噴3～5cm砼，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，搭設(shè)鎖腳錨桿，并與鋼架牢固焊接，復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。下臺階開挖：中臺階開挖10m后開始下臺階通道開挖。下臺階開挖在上臺階支護完成且噴射混凝土強度達到設(shè)計強度的70%后進行。開挖進尺根據(jù)初期支護鋼架間距確定，每循環(huán)進尺不得大于2榀鋼架間距，開挖高度為2.5～3.5m，位于縱向通道左右側(cè)的臺階前后錯開3～5m開挖，即先挖一側(cè)臺階3~5m后再挖另一側(cè)臺階。開挖后立即初噴3～5cm砼，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，搭設(shè)鎖腳錨桿，并與鋼架牢固焊接，復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。下臺階的開挖高度根據(jù)工字鋼支護型式、仰拱及仰拱回填高程、仰拱棧橋及二襯鋼模臺車軌道底高程來綜合確定。工字鋼分單元采用鋼板螺栓連接，下臺階開挖高度為工字鋼或格柵鋼架底高程以上30cm，剩余的30cm采用人工或小型機械開挖，控制超欠挖和對基礎(chǔ)的擾動。5結(jié)論隧道基本以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，原設(shè)計方案采用鉆爆法施工，但在特殊時期，存在炸藥審批供應(yīng)困難、爆破施工對工期影響較大、巖層產(chǎn)狀不適宜爆破施工等原因，遂決定將鉆爆法施工優(yōu)化為臺階機械開挖，該方法具有開挖成形質(zhì)量好、對圍巖擾動小、施工通風(fēng)難度小、安全環(huán)保等優(yōu)點開挖法，相比鉆爆法而言，具有開挖成形質(zhì)量好、對圍巖擾動小、施工通風(fēng)難度小、安全環(huán)保等