软岩隧道三台阶机械开挖施工技术探讨

胡欣

摘要：大邑北二环隧道属软岩隧道，原计划采用钻爆法施工，但受限于临近市区、炸药审批、地层扰动大、施工工期等原因，经各方充分论证，将钻爆法施工优化为三台阶开挖，开挖过程中应严格控制台阶高度和单循环进尺，控制超欠挖和对基础的扰动，及时做好支护，确保施工安全。相关工程经验可为类似工程提供参考。

关键词：隧道开挖；钻爆法；台阶机械开挖法；悬臂式掘进

中图分类号：U455.3       文献标识码：A

Discussion on Construction Technology

of Three Bench Mechanical Excavation in Soft Rock Tunnel

Abstract: The drilling and blasting method was originally planned to be used for the construction of Gaojiashan Tunnel, but due to the approval of explosives, large stratum disturbance, construction period and other reasons, the drilling and blasting method was optimized for bench mechanical excavation through full demonstration by all parties, in which XTR4-180 cantilever roadheader was used for the excavation of auxiliary tunnel in upper and lower benches, and EZB260 cantilever roadheader was used for the excavation of main tunnel in three benches. During the excavation process, the bench height and single cycle footage should be strictly controlled, Control over and under excavation and disturbance to the foundation, and timely provide support to ensure construction safety. Relevant engineering experience can provide reference for similar projects.

Keywords: tunnel excavation; Drilling and blasting method; Bench mechanical excavation method; Cantilever tunnelling

1 工程概况

大邑县二环路北环隧道为四洞全单向、机动车和非机动车分离的交通隧道，左主洞与左辅洞中线间距23m，左主洞与右主洞中线间距36m，右主洞与右辅洞中线间距23～60m。中岩墙厚度小于围岩最小净距2.5B，且洞口最小埋深10m左右。

2 隧道地质水文情况

隧道通过地区地层主要为第四系全新统坡残积层（Q4el+dl），以及白垩系上统灌口组（K2g），自上而下分为粉质黏土、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩、中风化砾岩和中风化砂岩，本隧道工程基本Ⅳ、Ⅴ类围岩。

3 方案优化设计

3.1隧道工程特点

（1）浅埋、偏压、小净距

4条隧道埋深较浅，最大埋深70余米，隧道洞口属于偏压段，中岩墙的厚度V级围岩小于3.5B（B=16.5m），Ⅳ围岩小于2.5B(B=14.1ｍ)，属于小净距隧道。

（2）工作面多、交叉多、工期短

4条隧道同时单头掘进，工作面很多，单洞内分区开挖、初支、二衬交叉作业，交叉干扰大，安全风险高、工期短。

（3）隧道断面形式多

主洞和辅洞主要为Ⅳ类围岩和V类围岩，主洞主要开挖衬砌断面为V加强、Ⅳ加强，辅洞主要开挖衬砌断面主要为V辅加强、Ⅳ辅加强。

3.2 原设计方案

根据设计文件，原设计方案采用台阶爆破法施工。但受限于临近市区、炸药审批困难、地层扰动大、施工工期等原因，不利于爆破施工开展。

3.3 优化设计方案

针对隧道不适用于爆破施工的具体情况，经项目调研决定采用掘进机三台阶施，三台阶机械开挖施工方法是以分台阶机械开挖为基本模式，分上、中、下三个台阶，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法，通过台阶将大断面分成小断面进行开挖。采用悬臂式掘进机开挖，悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级分块截割以上部分，装载机出渣或反挖装自卸汽车出渣。

三台阶机械开挖法相比钻爆法而言，两种方法对比见表1。

表1 三台阶机械开挖法与钻爆法对比

项目	钻爆法	三台阶机械开挖法
开挖质量	受地质钻爆作业水平限制，大多数隧道超欠挖严重，质量差比掘进机法大一倍	受地质、机械操作人员水平影响，大多数隧道开挖圆顺，质量好，超欠挖一般为钻爆法的一半
对围岩的扰动	扰动大，围岩松弛范围大	扰动小，围岩松弛范围小
施工通风	难度大，洞内环境差	难度小，洞内环境好
施工效率	在软岩施工中效率低下，中硬岩施工中有优势	在中软岩施工中效率高，有优势，在硬岩施工中有劣势
安全环保性	差	好
设备投入	采用液压钻孔台车时同悬臂掘进机相当，采用风动凿岩机，投入很小	同钻爆法采用液压钻孔台车时相当
对开挖工序的影响	开挖断面多且小；工序多（钻孔、装药爆破、通风支护、出渣）	开挖断面主要受悬臂掘进机的作业高度限制，都要部分开挖；工序少
临时支护	同初支，后期拆除	掌子面喷砼

4 三台阶施工开挖方法

4.1悬臂式掘进机主要技术参数

采用EZB260型掘进机，由切割机构、支承机构、操纵台、本体总成、行走机构、液压系统、除尘喷雾系统、电气系统、润滑系统、护板总成、标识与涂装、冷却系统、铲板总成、第一运输机等部件构成。EZB260型掘进机长×宽×高=10.85×2.632×1.82 m，总重85t，切割头卧底深度250mm，地隙250mm，龙门高度400 mm，最大/经济切割硬度60/100 MPa，爬坡能力±18°，装机总功率370 kW，电压AC1140 V-50Hz。

4.2 施工工艺流程

三台阶机械开挖法可分为以下主要步骤：

（1）上台阶开挖，施做拱部初期支护；

（2）中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护；

（3）隧底仰拱开挖，施做隧底初期支护，每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。

4.2 施工步骤及顺序

三台阶机械开挖法施工工序见图1。

（a）施工工序剖面示意                   （b）施工工序平面示意

图1三台阶机械开挖法示意

（1）在对①进行拱部超前支护后开挖①部→施作①部初期支护→施作系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

（2）在滞后于①部开挖10m左右后，开挖②部2-1纵向通道→施做两侧边坡，控制坡比→施作两侧边坡3-5cm砼初喷封闭→施做中台阶②部2-2开挖→施作②部2-2初期支护→施作系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度→2-2开挖3～5m后，施做②部2-3开挖→施作②部2-3初期支护→施作系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

（3）在滞后②部开挖10m左右，开挖③部，其施作步骤及工序同2。

（4）在滞后于③部适当距离后，开挖④部，施作隧道底部分初期支护。

（5）施作⑤部仰拱砼。

（6）灌筑仰拱填充部分⑥。

（7）根据监控量测分析结果，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性灌注拱墙衬砌⑦。

4.3 主要施工技术

上台阶开挖：上台阶开挖失跨比应大于0.25，根据隧道开挖断面，主洞上台阶高度取5m，采用徐工EBZ260悬臂式掘进机进行开挖。上台阶开挖在拱部超前支护后进行，开挖循环进尺根据围岩等级和初期支护钢架间距确定，开挖后立即初喷3~5cm砼。开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。悬臂掘进机采用由下至上，从左至右往返切割。

中台阶开挖：上台阶开挖20m后，中台阶纵向通道形成后开始中台阶开挖。中台阶高度控制在2.5~3.5m，左右错开3~5m，禁止同时将上台阶的初支工字钢悬空。开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环进尺不得大于2榀钢架间距。开挖高度一般为2.5～3.5m，纵向通道左右侧台阶前后错开3～5m开挖，即先挖一侧台阶3~5m后再挖另一侧台阶；同一榀钢架两侧不得同时悬空。开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，搭设锁脚锚杆，并与钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。

下台阶开挖：中台阶开挖10m后开始下台阶通道开挖。下台阶开挖在上台阶支护完成且喷射混凝土强度达到设计强度的70%后进行。开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，每循环进尺不得大于2榀钢架间距，开挖高度为2.5～3.5m，位于纵向通道左右侧的台阶前后错开3～5m开挖，即先挖一侧台阶3~5m后再挖另一侧台阶。开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，搭设锁脚锚杆，并与钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。下台阶的开挖高度根据工字钢支护型式、仰拱及仰拱回填高程、仰拱栈桥及二衬钢模台车轨道底高程来综合确定。工字钢分单元采用钢板螺栓连接，下台阶开挖高度为工字钢或格栅钢架底高程以上30cm，剩余的30cm采用人工或小型机械开挖，控制超欠挖和对基础的扰动。

5结论

隧道基本以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，原设计方案采用钻爆法施工，但在特殊时期，存在炸药审批供应困难、爆破施工对工期影响较大、岩层产状不适宜爆破施工等原因，遂决定将钻爆法施工优化为台阶机械开挖，该方法具有开挖成形质量好、对围岩扰动小、施工通风难度小、安全环保等优点开挖法，相比钻爆法而言，具有开挖成形质量好、对围岩扰动小、施工通风难度小、安全环保等优点，采用机械开挖法后，在保证隧道施工安全的前提下，能够加快施工进度，确保工程按计划贯通，相关工程经验可为类似工程提供借鉴。

作者简介：胡欣（1984-），男，湖北孝感人，高级工程师，双学士学位，从事工程施工技术及管理工作。

参考文献

[1]侯圆,王波.公路隧道三台阶机械开挖法施工技术研究[J].四川水利,2022,43(02):114-116.

[2]程可缘,但昭旺,杨居陪,贾丁,张子苗,曹寰宇,王殿荣,周芷昕.特大断面隧道CRD法大型机械施工技术与垂直升降平台研发[J].中国铁路,2022(07):38-46.