趙宏博， 盧 偉

(1. 武九客專湖北公司興山建設指揮部， 湖北 宜昌 443000; 2. 中鐵五局鄭萬湖北項目部， 湖北 巴東 444303)

0 引言

鐵路隧道施工特點是要求快速封閉，減少對圍巖的擾動影響，提高施工安全及質量控制，加快施工進度，減少超欠挖以節(jié)約施工材料成本。三臂鑿巖臺車在以上要求中具備較大的優(yōu)勢，其先進的自動化鉆孔耗時少、鉆孔精度高、施工安全及質量易于控制，并且具有較好的開挖作業(yè)工作環(huán)境，可在大斷面軟弱圍巖中進行鉆孔、裝藥、超前管棚、系統(tǒng)錨桿、配合注漿等各類施工作業(yè)，但由于熟練技術工種數(shù)量較少、施工現(xiàn)場管理水平參差不齊、配套施工機械不完善等諸多原因，三臂鑿巖臺車不能充分地發(fā)揮其優(yōu)勢。鐵路大斷面隧道軟弱圍巖地質條件下傳統(tǒng)施工常采用三臺階、三臺階臨時仰拱和CRD等分部施工工法，分部施工存在工序復雜、工序時間較長、施工作業(yè)條件較差、安全風險高、無法充分發(fā)揮大型機械的優(yōu)勢等缺點。因此，研究多臂鑿巖臺車在軟弱圍巖地質條件下隧道的大斷面施工方法顯得極為迫切和必要。

三臂鑿巖臺車作為鉆爆法鑿巖的重要施工裝備，具有效率高、安全性能好等優(yōu)勢[1]，已被應用于高鐵及公路隧道等工程建設中，如福溫客專飛鸞隧道[2]、西成客專清涼山隧道[3]、膠州灣海底隧道[4]、大相嶺隧道[5]，發(fā)展前景廣闊，但多應用于Ⅱ、Ⅲ級硬質圍巖中[2-3]，在軟弱圍巖中進行大斷面施工的研究相對較少。本文以榮家灣隧道進口為例，對鄭萬高速鐵路隧道在軟弱圍巖條件下，利用三臂鑿巖臺車進行大斷面施工的工法進行闡述，以期為在軟弱圍巖條件下的三臂鑿巖臺車進行隧道大斷面施工積累經驗。

1 工程概況

1.1 項目概況

新建鄭州至萬州高速鐵路設計為客運專線，設計速度350 km/h，其中，湖北段管內正線全長287 km，隧道32.5座、167 km， 隧道長度占線路總長比例約為58.4%。隧道設計采用單洞雙線，線間距5 m，襯砌凈空由2個半徑為665 cm的108°40′18″圓弧組成，開挖斷面125.47～155.05 m2(視圍巖及襯砌類型)，隧道設計內輪廓見圖1，隧道代表斷面(Ⅴc型襯砌)見圖2。

1.2 地形地貌及水文地質情況

鄭萬高鐵線路翻越大洪山余脈、荊山山脈和大巴山山脈，跨越唐河、漢江、香溪河和神農溪等河流。湖北段管內重點隧道均位于大巴山體系，屬巖溶剝蝕中低山區(qū)，存在多條斷裂構造帶。地質由前震旦系至第四系地層均有分布，主要存在巖溶、滑坡、巖堆、瓦斯及采空區(qū)、膨脹土等多種不良地質。地下水多以第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水形態(tài)分布。管區(qū)內巖層多為三疊系中統(tǒng)巴東二組(T2b2)地層，該地層上段、下段多為紫紅色泥巖、粉砂巖、泥巖夾頁巖，偶含孔雀石薄膜；中段多為灰?guī)r、泥灰?guī)r；該地層具有一定的膨脹性[6]。隧道施工具有難度大、風險高和控制性工程多等特點。

圖1 隧道內輪廓 (單位： cm)

圖2 隧道代表斷面 (單位： cm)

榮家灣隧道起訖里程為DK621+620～DK628+245，隧道全長6 625 m，隧址位于湖北省恩施州巴東縣沿渡河鎮(zhèn)境內。地貌屬溶蝕中低山、巖溶槽谷地貌區(qū)。地勢北低南高，北緩南陡，主體山勢呈北—北西向延展，地面高程112～1 056 m，區(qū)域內最大高差約 944 m，隧道最大埋深235 m。隧址區(qū)主要發(fā)育矮屋槽—魚腥洞、舒家槽、萬人坑—燕子洞3條巖溶槽谷。隧址內地質以巴東組二段(T2b2)泥質灰?guī)r、泥灰?guī)r夾泥巖、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段(T1j3)鹽溶角礫巖為主，地下水不發(fā)育，巖溶特別發(fā)育。

2 施工工法及應用

2.1 施工工法

選取榮家灣隧道進口、向家灣隧道進口等24個隧道作業(yè)面進行加強型機械化配套大斷面試驗施工。大斷面施工工法分為微臺階、全斷面(帶仰拱、不帶仰拱)2大類共3種。

按照新奧法原理，考慮初期支護與圍巖共同作用承擔所有圍巖荷載[7]，開挖前通過地質素描、地質雷達、物探、加深炮孔和超前水平鉆孔等超前地質預報手段，結合隧道監(jiān)控量測、圍巖應力應變數(shù)據(jù)綜合分析，配合電腦三臂臺車WMD地質分析軟件生成地質云圖，對掌子面前方圍巖進行綜合判斷。采用超前加固、掌子面封閉和加強初期支護等措施，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖硬質巖地段采用全斷面或微臺階工法施工，Ⅳ、Ⅴ級圍巖軟質巖地段采用微臺階工法施工。全斷面(帶仰拱)施工示意見圖3和圖4。

圖3 全斷面(帶仰拱)施工橫斷面(單位： cm)

Fig. 3 Cross-section showing full-section method (constructed with inverted arch) (unit: cm)

圖4 全斷面(帶仰拱)施工縱斷面(單位： m)

Fig. 4 Longitudinal profile showing full-section method (constructed with inverted arch) (unit: m)

2.2 三臂鑿巖臺車在鄭萬高鐵隧道的應用

2.2.1 總體情況

鄭萬高鐵湖北段隧道大斷面施工試驗方案要求對掌子面前方軟弱圍巖進行高壓注漿加固及改良，并輔以掌子面噴射混凝土封閉及纖維錨桿施工后，結合大、中管棚進行超前支護，優(yōu)化拱部常用的組合式中空錨桿為預應力錨桿，以解決在軟弱圍巖中掌子面穩(wěn)定性差、軟弱圍巖鉆孔時易塌孔造成鉆爆耗時長、管棚施工時鉆孔傾角不易控制、易造成超挖量過大、開挖及初期支護后變形大等弊端，率先在軟弱圍巖中推行使用三臂鑿巖臺車進行大斷面施工。

通過招標時明確機械化配置要求，做好概算資金保證，施工時提前做好三臂臺車施工供水供電等需要，在施工過程中對三臂鑿巖臺車進行適當?shù)墓ぱb改裝，以實現(xiàn)利用三臂鑿巖臺車施作管棚及長距離超前地質鉆孔等功能，減少或避免各工序間的倒換時間，利用三臂鑿巖臺車的地質云圖功能，通過數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)洞外信息化、網絡管理平臺管理，進行遠程監(jiān)控，達到合理的工序管理，以效率推進施工進度、節(jié)約投資，確保施工安全及施工進度。

榮家灣隧道進口工區(qū)三臂鑿巖臺車于2017年4月2日進場，4月24日在平導進行鉆爆試驗施工，5月26日在進口正洞進行全斷面試驗施工。每循環(huán)進尺按Ⅴ級圍巖每次開挖2榀(1.2～1.5 m)，Ⅳ級圍巖每次開挖按1.8(巖溶發(fā)育地段)～3 m(圍巖較完整地段)控制。

2.2.2 超前地質鉆孔及地質預報

對三臂鑿巖臺車進行適當改造后(改造推進梁位置、改用加粗鉆桿、改裝降低夾持器高度、更換耐磨大鉆頭等)可實現(xiàn)利用三臂鑿巖臺車進行加深炮孔、超前地質鉆孔。利用三臂鑿巖臺車實施超前鉆孔，可減少原人工鉆爆施工超前鉆孔需要更換設備的工序時間，三臂鑿巖臺車鉆孔速度快，可在20～40 min內完成30 m左右的超前鉆孔。超前鉆孔及加深炮孔過程中三臂鑿巖臺車通過實時監(jiān)測鉆孔壓力、鉆孔速度等技術參數(shù)，結合三臂鑿巖臺車配備的WMD軟件，可實現(xiàn)對掌子面前方地質狀況的分析及探測，并形成地質云圖(地質云圖中，深顏色的區(qū)域代表地質圍巖軟弱，地質情況較差；淺顏色的區(qū)域代表圍巖較堅硬，地質情況較好)，增加了對溶洞、軟弱夾層、斷層或節(jié)理發(fā)育帶等不利地質情況的辨識手段，更準確直觀地揭示了掌子面前方地質情況。地質云圖示意見圖5。

2.2.3 鉆爆施工

三臂鑿巖臺車鉆爆施工具有快速、準確的優(yōu)點[8]。施工前，將提前設定好的技術參數(shù)(鉆臂負責施工范圍、鉆孔順序、鉆孔深度及角度等)導入三臂鑿巖臺車操作控制系統(tǒng)。施工時，采用雙機作業(yè)，三臂鑿巖臺車根據(jù)技術參數(shù)可實現(xiàn)自動對位、自動鉆孔，每個鉆臂2～3 min即可自動完成3～5 m深的鉆孔作業(yè)。榮家灣Ⅳ級圍巖全斷面開挖施工鉆孔平面如圖6所示(紅色標志為三臂鑿巖臺車1號機施工作業(yè)順序及范圍，藍色標志為三臂鑿巖臺車2號機作業(yè)順序及范圍)。

圖5 地質云圖示意(單位： m)

圖6 鉆孔平面分區(qū)布置

2.2.4 斷面掃描

通過加裝3D激光掃描儀，可實現(xiàn)隧道開挖斷面掃描，記錄每次爆破后的隧道輪廓，并通過軟件取得數(shù)據(jù)，生成結構模型，得出超欠挖數(shù)據(jù)，用于指導施工，優(yōu)化開挖鉆爆設計，超欠挖數(shù)據(jù)記錄如圖7所示。以榮家灣隧道進口正洞為例，前期施工Ⅳ級圍巖最大超挖值為27 cm，平均線性超挖18 cm；Ⅴ級圍巖最大超挖值為38 cm，平均線性超挖25 cm。經過及時調整鉆爆參數(shù)并采用不耦合裝藥等措施后，Ⅴ級圍巖平均線性超挖基本控制在16 cm左右，Ⅳ級圍巖平均線性超挖基本控制在14 cm左右，基本滿足《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》[9]要求。

2.2.5 錨桿施工

三臂鑿巖臺車利用作業(yè)平臺可實現(xiàn)隧道全方位的錨桿鉆孔，可在不更換施工設備的情況下實現(xiàn)隧道掌子面、拱部、邊墻各部的錨桿鉆設、安裝、張拉和注漿作業(yè)施工，如圖8所示。

圖7 超欠挖數(shù)據(jù)(單位： m)

圖8 三臂鑿巖臺車鉆孔

2.2.6 在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖中的施工

軟弱圍巖中采用三臂鑿巖臺車進行大斷面施工的前提是要確保掌子面及隧道周邊圍巖穩(wěn)定，對于辨識及確保隧道穩(wěn)定，試驗方案采取了以下措施。

1)增加圍巖穩(wěn)定性辨識。根據(jù)地層巖性、地質特征、地下水水文特征和掌子面變形特征對掌子面穩(wěn)定分級，分類辨識見表1； 根據(jù)穩(wěn)定情況評價分級采取不同的優(yōu)化試驗施工技術參數(shù)，見表2。

2)優(yōu)化初期支護措施。按新奧法原理，隧道初期支護與圍巖共同作用承擔圍巖荷載。近幾年，有研究表明隧道二次襯砌參與分擔了圍巖受力，但主要受力仍為初期支護[10]，因此，設計單位在隧道施工前期進行應力應變測試，并結合測試結果對初期支護進行優(yōu)化。主要優(yōu)化措施有： 提高噴射混凝土的等級，軟質圍巖采用噴射纖維混凝土；加強超前支護，采用中大管棚代替原設計超前小導管；對掌子面采取噴射混凝土封閉、局部或全斷面纖維錨桿、超前注漿加固和帷幕注漿等措施；優(yōu)化初期支護參數(shù)，調整鋼架型號及連接方式，將拱部組合式中空錨桿全部優(yōu)化為預應力錨桿，加長鎖腳錨桿(錨管)長度以利于鋼架穩(wěn)定性；優(yōu)化初期支護及襯砌的厚度及強度等。

3)優(yōu)化施工方案。在對Ⅳ、Ⅴ級圍巖進行優(yōu)化支護措施后，改變了傳統(tǒng)采用的三臺階、三臺階加臨時仰拱、CRD法等耗時工法，推廣采用全斷面或微臺階開挖工法，以便減少工序作業(yè)時間，加快施工進度。

4)完善配套施工設備。采用自行式仰拱棧橋、錨桿鉆機、拱架安裝臺車、高壓注漿機和防水板鋪設臺架等配套施工設備，適應大斷面施工作業(yè)，加快施工進度。

5)增加應力應變測試。通過在初期支護及二次襯砌內設置監(jiān)控點，監(jiān)控應力應變情況，并結合圍巖監(jiān)控量測辨識圍巖、鋼架、錨桿和二次襯砌等結構受力情況，及時指導下一步施工。

6)動態(tài)優(yōu)化設計方案。通過試驗性施工，階段性的總結前期施工中存在的問題，及時調整試驗方案。目前已準備出臺第5版試驗方案，以便對試驗參數(shù)進一步優(yōu)化。

3 三臂鑿巖臺車與傳統(tǒng)鉆爆法施工優(yōu)缺點對比

三臂鑿巖臺車開挖作業(yè)面勞動人員密度低，操作人員遠離掌子面進行作業(yè)，極大地提高了作業(yè)安全[11]；其鉆孔精度高，定位準確，可按照事前確定好的鉆孔角度進行鉆孔施工，鉆爆勞動強度低，光爆效果較人工有較大提高；施工作業(yè)環(huán)境較人工開挖有較大改善，且可利用三臂鑿巖臺車施作超前地質鉆孔、錨桿施工等，具有較大的施工優(yōu)勢。三臂鑿巖臺車大斷面施工工法與傳統(tǒng)施工方法優(yōu)缺點對比情況見表3。

表1 隧道掌子面穩(wěn)定性評價分類

表2 隧道優(yōu)化試驗施工技術參數(shù)

表3 三臂鑿巖臺車大斷面施工工法與傳統(tǒng)施工方法優(yōu)缺點對比

采用三臂鑿巖臺車大斷面施工相對于傳統(tǒng)分部開挖施工，優(yōu)點： 合理利用了大型機械的設備優(yōu)勢，施工作業(yè)工序少，減少了工序干擾，更便于施工組織和管理，加快了施工進度；大斷面施工減少了分部施工時多次對圍巖的擾動，有利于圍巖的穩(wěn)定[12]。缺點： 受地質條件影響，炭質頁巖、填充型溶洞等地段超前加固效果不理想的情況下，掌子面穩(wěn)定性相對較差；開挖爆破斷面較大，受爆破震動影響，易形成超挖，需要根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況及時調整爆破參數(shù)。

4 應用效益分析

4.1 工序時間對比

在做好超前支護措施到位的情況下，全電腦三臂鑿巖臺車在Ⅳ級圍巖施工地段，每循環(huán)進尺3 m情況下，鉆爆施工作業(yè)時間4～5 h，工序總作業(yè)時間17.4～21 h，折合月進尺約103 m，超過Q/CR 9004—2015《鐵路工程施工組織設計規(guī)范》[13]中隧道Ⅳ級圍巖指標55～75 m/月。Ⅴ級圍巖每循環(huán)進尺1.6 m情況下，鉆爆施工作業(yè)時間約為3.7 h，工序總作業(yè)時間約為18.4 h，折合月進尺約63 m，超過Q/CR 9004—2015《鐵路工程施工組織設計規(guī)范》[13]中隧道Ⅴ級圍巖指標35～50 m/月。榮家灣隧道進口各級圍巖條件下施工進度綜合分析見表4。

4.2 經濟效益對比

綜合數(shù)個隧道作業(yè)面進行概算分析，經濟成本分析情況見表5。

表4榮家灣隧道三臂鑿巖臺車Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工進度綜合統(tǒng)計分析

Table 4 Statistics of construction schedules of triple-boom rock drilling jumbo in Grade Ⅲ, Ⅳ and Ⅴ surrounding rocks of Rongjiawan Tunnel

圍巖級別及工法進尺/m鉆爆開挖/min通風排煙/min出碴扒碴/min錨桿立架/min噴漿/min清回彈料/min測量放樣/min超前支護/min循環(huán)總時間/min折合理論每月進度/mⅢ級(全斷面)3(無鋼架)240 30 220 60 18030 30 10 800 1623(有鋼架)240 30 220 260180 30 30 10 1 000 130Ⅳ級(全斷面) 2240 30 180 180 200 30 30 150 1 040 833300 30 220 260 240 30 30 150 1 260 103Ⅴ級(微臺階)1.2180 30 150 200 180 30 30 150 950 551.6220 30 160 280 200 30 30 150 1 100 63

表5 經濟成本分析

由表5可見，在不考慮三臂鑿巖臺車施工進度、超欠挖等優(yōu)勢情況下，使用三臂鑿巖臺車成本(直接費)比人工鉆爆開挖高出2%～18%；考慮工效提高按30%估算后，整體效益約提高15%。

5 結論與討論

5.1 結論

三臂鑿巖臺車在軟弱圍巖中施工，必須通過做好超前注漿、加強管棚施工質量等超前支護，結合超前地質預報、監(jiān)控量測及應力應變測試，準確掌握監(jiān)控圍巖及初期支護面的受力及變形，才能在確保安全的情況下進行大斷面施工。

全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔時孔深、孔位和孔底標高等技術參數(shù)均通過電腦控制，較人工鉆爆精確度高，且鉆孔效率高，通過提高操作人員的專業(yè)水平和素質、加強設備保養(yǎng)后可減少超欠挖，加快施工進度，節(jié)約成本。運用好電腦三臂鑿巖臺車，能快速、高效、安全掘進施工；在長大隧道、大斷面隧道施工中發(fā)揮其優(yōu)勢，是今后隧道施工發(fā)展的方向。

通過三臂鑿巖臺車在軟弱圍巖中進行大斷面施工的推廣應用，極大地提高了工效，確保了工程質量及施工安全。鄭萬高鐵充分利用機械化、信息化的優(yōu)勢，通過工裝改造、提高超前加固、推廣高壓注漿等措施，加強了隧道施工安全質量管控，加快了隧道施工進度，為今后隧道施工，特別是軟弱圍巖地段采取全(大)斷面施工提供了施工經驗。

5.2 討論

三臂鑿巖臺車在高速鐵路中的施工常應用于硬質巖中，軟質巖施工時常采用分部開挖施工工法。在軟弱圍巖中采用大斷面施工，需結合應力應變測試情況動態(tài)調整設計方案，這需要設計單位在施工過程中積極配合才能實現(xiàn)。傳統(tǒng)的設計單位提供一套設計參考圖，一圖使用到底的情況需適時改變。

三臂鑿巖臺車的使用要求高水平的管理人員，多種配套及輔助施工設備功能間易形成相互制約, 特別是設備故障不能完全排除和配套服務跟不上時, 會制約整體施工進度，無法確保隧道施工安全,因此，要想使之更快地得到推廣和應用, 還需要進一步探索和實踐。