软岩大断面隧道大型机械化开挖施工技术

软岩大断面隧道大型机械化开挖施工技术
发表时间：2020-12-17T02:00:32.851Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年20期作者：罗凛[导读] 香树湾隧道位于重庆市巫山县和湖北省巴东县境内，中心里程DK636+402.25，全长12474.5m，最大埋深约620m，为单洞双线隧道。

中铁五局集团成都工程有限责任公司四川成都 610073摘要：本文介绍了郑万高铁湖北段香树湾隧道软岩大断面隧道大型机械化开挖施工施工技术，本技术主要是通过三臂凿岩台车、锚杆钻安注一体机等加强型机械进行超前预加固和径向注浆加固，提高软弱围岩等级，强化围岩应力拱形成，实现加强型机械化配套软弱围岩
大断面快速施工，且满足验标要求、技术标准。

希望能给大家在岩溶隧道施工中提供一些参考。

关键词：软岩机械化隧道变形预加固
1 工程概况
1.1 工程简介
香树湾隧道位于重庆市巫山县和湖北省巴东县境内，中心里程DK636+402.25，全长12474.5m，最大埋深约620m，为单洞双线隧道。

隧道设计纵坡为30‰、19.1‰和-30‰的人字坡；其中：郑万铁路湖北段ZWZQ-10标管段隧道里程范围为DK630+165～DK635+420，全长5255米，进口里程DK630+165，于重庆段交界里程为DK635+420，香树湾隧道单口掘进长，通风及运输困难，工期压力大，为标段控制性工程。

其中正洞围岩：Ⅲ级围岩400m，占总长的7.6%；Ⅳ级围岩4088m，占总长的77.8%；Ⅴ级围岩总长的767m，占总长的14.6%，设计为II 级风险隧道。

为了加快施工进度，满足防灾救援、施工通风及排水需要，于线路前进方向DK632+200左侧设置横洞1座，该横洞水平长度为822米，本管段内共分2个作业面施工，各工作面任务划分：进口工区负责正洞施工2035m，横洞工区负责822m横洞及正洞3220m施工任务，均单向掘进施工，其中横洞正洞3220m主要为Ⅳ级、Ⅴ级软弱围岩，采用大断面机械开挖。

本工程地形条件较差，隧区主要不良地质为顺层及顺层偏压，施工中可能出现围岩坍方等地质灾害，施工有较大的技术难度及安全风险。

因此，必须在施工过程中加强超前预报和监控量测工作，大力推行信息化施工技术，规避施工风险，保障施工安全。

1.2 工程地质及水文地质1.
2.1 工程地质
主要受三溪乡断裂和巫山向斜影响，伴生较多次级皱褶，受其影响后岩层产状变化显著。

隧道洞身地层岩性为泥质夹砂，洞身段深部地层岩层局部绕曲，泥岩内构造节理裂隙多为密闭型，较发育；砂岩构造节理裂隙为密闭~微张型，延伸较远，较发育。

1.2.2 地层岩性
2 技术背景及特点分析
2.1 国内软岩隧道机械化施工背景
随着科技的进步，我国隧道工程的建设日益增多且对工程施工要求也越来越严格。

为了从根本上提高我国的隧道工程建设，必须实现隧道工程的机械化。

将加强型机械化与施工技术和施工工艺科学的结合，是隧道工程发展的必然趋势，特别是隧道软岩大断面施工采用加强型机械化配套有利于保证施工人员安全和加快施工进度。

2.2 技术特点
采用加强型机械化配套软岩大断面施工主要特点为：加快施工速度，缩短工期；减少掌子面作业人数，降低安全风险；保证隧道施工安全，节约劳动力；减少对隧道开挖扰动次数，保证隧道施工质量；保证施工精度要求、规范要求和技术标准。

主要优越性如下：
1.减小施工人员安全风险。

隧道加强型机械化配套施工，特别是软弱围岩，存在大变形、坍塌、冒顶等风险，采用大机配套施工能减少掌子面作业人数，降低安全风险能保证隧道施工安全。

2.保证软岩隧道的施工质量。

采用加强型机械化配套软岩大断面开挖，较传统分部台阶法开挖，减少了隧道开挖的扰动次数，隧道开挖后初支快速封闭成环且能整体受力，确保了初期支护的施工质量。

3.施工工序较传统台阶法简单。

4.缩短施工工期。

机械化配套软岩大断面施工，通过超前预加固，能提高掌子面前方围岩强度，强化围岩应力拱形成，实现大型机械软弱围岩全断面快速施工的目标。

郑万高铁湖北段10标香树湾隧道进口工区围岩软弱，采用加强型机械化配套软岩大断面施工，共配备了三臂凿岩台车、拱架安装台车、混凝土湿喷机组、高压注浆机、锚杆钻机、自行式仰拱栈桥、多功能防水板台车、移动式养生台架、整体移动式沟槽模板等机械配套，通过精心组织，合理安排，月进尺由传统工法70m/月提高到105m/月，极大缩短了施工工期，同时减少了掌子面施工人员数量，确保施工安全，经监理、业主、地方质检站的联合检查，隧道施工质量满足验标要求。

3 技术要点
3.1 施工工艺流程
软岩大断面隧道大型机械化开挖施工工艺流程图见图3.1。

3.2 施工关键技术
3.2.1 加强型机械配置
香树湾隧道横洞正洞是武九公司指定的加强型机械配套施工工点，现场根据业主指定要求进行了加强型机械配置，主要机械配置有：三臂凿岩台车、拱架安装台车、挖掘机、装载机、自卸汽车、锚杆钻机、自动计量注浆机、混凝土湿喷机组、自行式仰拱栈桥、多功能防水板台车、衬砌模板台车、移动式养生台架、移动式养生台架等。

3.2.2 凿岩台车超前支护施工
施工管棚前先对掌子面采用C30喷射混凝土喷浆封闭，喷砼厚度4～6cm，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水。

超前管棚采用铁建重工三臂凿岩台车施工，管棚采用2榀钢架打孔来对管棚进行定位。

管棚均采用壁厚6mm热轧无缝钢花管加工，
根据不同围岩情况分别采用外径60、76、108mm等导管，环向间距设置根据地层性质等一般为30cm～50cm，节间采用外丝扣连接，施工时可根据实际情况调整外插角，范围在1°～5°。

注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1：1，注浆压力3～5Mpa。

3.2.3 掌子面加固措施
为增加掌子面稳定性，开挖时按照1：0.1放坡处理，掌子面均采用C30喷射混凝土喷浆封闭，其中Ⅳ级围岩段喷砼厚度4cm，Ⅴ级围岩段喷砼厚度6cm，喷射混凝土表面密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓和渗漏水。

当掌子面围岩稳定性非常差、围岩非常软弱时采用12～18m长Φ25FER纤维锚杆加固，纵向搭接不小于2m，按间距1.5×1.5m梅花型布置。

纤维锚杆采用三臂凿岩台车引孔，布设角度基本和隧道轴线方向一致。

当围岩软弱富水无法成孔时需采取套管跟进成孔，通过套管下入纤维锚杆到设计位置，再退出套管，进行纤维锚杆安设及注浆作业。

注浆采用超前高压注浆，浆液为单液水泥浆，水灰比1：1，注浆压力3～5Mpa。

3.2.4 高压注浆
高压注浆采用三川德清3SNS-A的高压注浆机进行作业，注浆压力最高可达到10MPa，通过超前管棚、纤维锚杆及径向预应力锚杆进行高压注浆对围岩进行加固，浆液充填节理、裂隙，形成网络浆脉，提高围岩的自稳性，有效抑制围岩收敛及沉降，为软弱围岩大断面快速施工提供保障。

注浆材料采用水泥浆液，水灰比1：1，压力3～5MPa，作业时采用喷射混凝土作止浆墙，孔口采用锚固剂封堵，注浆方式采用隔孔注浆，由下向上交错进行，注浆压力达到5MPa，稳定10min后结束注浆。

注浆过程中随时关注压力变化，注浆压力长时间无升高现象，采用间歇注浆，若压力突然升高，可能发生堵管，立即停机检查防止爆管伤人。

3.2.5 凿岩台车信息智能化施工
1．凿岩台车智能化特性
香树湾隧道进口工区开挖选用铁建重工ZYS113型全电脑凿岩台车，此机械具有以下性能优点：
1）由于凿岩机功率加大，提高了台车对掌子面地质变化围岩的钻孔控制能力，实现快速掘进的要求。

2）台车自带全自动高效智能化钻孔，可实现全电脑作业模式。

3）有MWD超前地质勘探和地质分析功能，通过软件分析复原地质情况，形成地质预报。

4）安装有自动轮廓扫描仪，可通过软件得出超欠挖数据。

5）安装有RRA远程通讯数据传输，可通过远程终端实时监控隧道内台车作业情况。

6）噪音小且不需要钻孔辅助平台，可实现全电脑钻眼定位，大大提高钻孔精度，改善爆破效果。

2．钻爆施工
钻爆施工过程可以分为爆破设计与现场施做，三臂凿岩台车施工的钻爆过程与传统的人工钻爆相比，从爆破设计到现场施钻实现了智能的三维一体化，利用配套的爆破设计软件可以实现三维化的爆破设计。

1）爆破设计
铁建重工全电脑三臂凿岩台车爆破设计方法为：线路线形导入→添加断面轮廓→断面轮廓载入→炮孔布置→分臂钻孔顺序布置→分臂钻孔顺序模拟。

（1）线路线形导入：提前将导线坐标，导入三臂凿岩台车电脑，电脑可以自动精准定位，这是三臂凿岩台车自动化施钻的前提条件。

（2）添加断面轮廓：输入设计断面参数，通过三臂凿岩台车自动定位确定开挖断面轮廓来确定掌子面开挖范围。

（3）炮孔布置：根据围岩特性进行爆破设计，将炮孔布置、深度和角度等相关参数载入到软件，可精确布置设计炮孔位置、精准控制炮眼深度及角度。

（4）分臂打孔顺序布置及模拟：三臂凿岩台车有三个机械作业臂，需要避免臂与臂之间出现相互干扰和碰撞，这也就需要对三个作业臂施钻位置和顺序进行设计，避免作业臂之间碰撞或者作业距离过近造成相关干扰。

同时在现场施做前可通过软件进行模拟施钻过程，检查臂与臂之间是否存在碰撞或者距离过近现象。

2）现场施作
三臂凿岩台车现场施钻前需进行控制点对位，施钻时导入爆破设计，即可实现全电脑控制的自动找孔位和自动钻眼。

通过爆破效果检查，不断优化爆破参数，达到最佳爆破效果。

3．WMD地质云图
WMD地质云图是三臂凿岩台车自带的地质分析系统软件，该系统软件通过采集施钻过程中钻孔的速度、扭矩、压力等参数，对前方围岩软硬进行分析，形成云状地质图，通过云状地质图的颜色区分，判定前方围岩的软硬程度及基本地质情况。

地质云图可以有效的对掌子面前方围岩进行一个直观的分析，从而有利于下一循环的爆破设计优化，为达到最佳爆破效果创造了好的条件。

3.2.6 多功能拱架安装台车施工
多功能拱架安装台车适用于大断面拱架安装，极大的提升了拱架安装效率，降低劳动强度，安全、质量得到保障。

1．劳动力配置：共需配置10人，较人工立架节约4人，减少作业工人数量；
2．安装效率：全断面拱架安装由人工1.5小时/榀可降低至1小时/榀，提高工作效率；
3．劳动强度：全断面钢拱架由原人工施工时的7个单元节可调整为5个单元节，安装全过程实现机械作业，降低作业工人劳动强度。

4．多功能拱架安装台车将型钢在掌子面地面进行分部预拼装，并检查型钢长度、弧度、连接是否符合要求，操作简单，减轻劳动力，再通过遥控台车操作臂将型钢安装到设计指定位置，单个操作臂有单独的操作平台可由现场工人灵活操作，拱架拼装着重控制型钢竖向垂直、横向平行于隧道法线，并保证型钢立架质量。

2．施工要点
1）钻孔：初喷完成后使用锚杆钻机对初喷面进行径向钻孔，采用φ45mm钻头，钻孔直径为50mm，钻孔时间1.5min～3min/孔。

钻孔结束后检测孔径、孔深、孔距是否符合设计要求。

2）清孔：钻孔完成后前先使用电筒检查孔内是否坍孔，如有坍孔则使用直径20mm半圆小钢管或高压风对孔内进行清掏。

香树湾隧道进口主要为灰岩及岩溶填充物，遇到有填充物地段时钻孔完成后需利用钻杆多次洗孔，以减少塌孔造成的堵塞。

3）锚杆安装：锚杆安装前需对涨壳头先将塑料波纹套管旋入注浆囊小端（内螺纹），再将锚杆体穿入塑料波纹套管直至从注浆囊穿出约10cm，然后在波纹套管端的锚杆体上旋入钢质涨壳锚杆件，并使用塑料扎带进行绑扎固定，以防止涨壳头在推送过程中涨壳提前涨开造成推送困难。

4）预应力张拉：锚杆安装前先将锚杆孔周边进行粗整平处理，或用水泥浆找平，确保垫板安装与岩面或初支面基本密贴，减少漏浆，锚杆推送安装完成后，使用BOOXT波世特BX-4300（最大扭矩1500NM，风压0.52MPa）风炮扳手对锚杆尾部螺栓进行紧固，紧固压力约为42KN。

5）注浆：采用耿立双液注浆泵注浆，浆液釆用水泥净浆，配合比：0.3～0.4，注浆压力：0.2～0.25Mpa；为避免因垫板与围岩或初支面不密贴造成漏浆，注浆前可用棉纱或锚固剂对孔口进行封堵；注浆时先用较小的压力送浆，将孔内空气慢慢排出，逐步加大压力注浆直至孔口返浆，稳定一段时间后孔口持续返浆时停止；注浆时应先用清水将注浆泵润湿，并将清水泵出，注浆管尽量避免出现接头，同时保证连续施工，避免注浆机具堵塞。

4 材料与设备配置
采用的机具设备见表6.1。

1.隧机分公司加强对现场机械自动操作系统的更新和维护，保持机械自动操作正确性和精度，杜绝操作失误和偏差，确保开挖和支护质量。

2.自动拱架安装台车起升起来后进行人工调整方向，保证拱架竖向垂直，横向平行于隧道法线，要求测量人员必须在拱脚部位放样出拱架法线，便于施工人员对位。

3.严格把好原材料质量，进场复检，不合格的材料或半成品不准使用。

4.严格执行工序“三检”制度和报检制度。

确保工程质量。

5.对超前管棚、纤维锚杆及径向预应力锚杆进行高压注浆注浆，必须及时进行注浆效果检查，对注浆配合比进行动态调整，保证软弱围岩的预加固效果。

6 结束语
软岩大断面隧道大型机械化开挖施工是未来隧道施工的发现趋势，施工过程中通过对软弱围岩隧道的加强型机械研究，从机械化配套选型、软岩大断面施工、隧道超前预加固、开挖、初期支护、高压注浆、预应力锚杆施工、大型机械维修保养、施工组织、机械化配套安全教育培训等方面进行了科学施工管理，对隧道施工的安全、工期、经济和社会效益有重要作用，香树湾隧道横洞正洞加强型机械化配套软岩大断面施工取得了阶段性成功，加快了施工进度，确保了施工安全、质量、进度和成本，取得了良好的经济和社会效益，具有重要的推广应用价值。

参考文献
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[4]中国铁路总公司．Q/CR 9217-2015，铁路隧道超前地质预报技术规程．北京：中国铁道出版社，2015．
【作者简介】罗凛（1980），男，湖南益阳人，高级工程师，主要从事铁路工程施工建设工作。