懸臂掘進機法在擠壓性圍巖隧道中的適應性研究
——以木寨嶺公路隧道為例

唐紹武, 郭新新, 于家武, 龍文華

(1. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458; 2. 成都理工大學環境與土木工程學院, 四川 成都 610059; 3. 中鐵隧道集團二處有限公司, 河北 三河 065201)

0 引言

與傳統鉆爆法相比,懸臂掘進機法具有安全、擾動小、施工快、超挖少等多種優勢[1]。懸臂掘進機是一種集行走、開挖、裝渣于一體的多功能機械設備,當巖土體強度適宜時,其是一種開挖煤礦巷道等小斷面地下工程的理想設備[2-3]。近年來,懸臂掘進機法也逐漸被應用于公路、鐵路等隧道工程,形成了以工程地質、復雜環境為先導,融合開挖斷面、施工要求等多因素相適應的應用模式,展現出了較強的工程適應性。

截至目前,懸臂掘進機法典型工程案例包括: 1)大斷面隧道或斷面頻繁變化的隧道,如開挖面積達390 m2的重慶軌道交通4號線魚嘴站[4]、廣州地鐵6號線東湖車站存車線渡線段[5]。2)近接或下穿既有構筑物的隧道,如緊鄰既有營業性的新磨溪2號隧道[6]、淺埋下穿既有密集構筑物的重慶新紅巖隧道[7]。3)特殊地層或環境的隧道,如穿越“滇西紅層”的大瑞鐵路秀嶺隧道[8]、穿越高瓦斯地層的成都軌道交通6號線3期工程[9]。4)擠壓性圍巖隧道,如穿越千枚巖、板巖等軟弱破碎巖體的新烏鞘嶺隧道[10]。受圍巖大變形頻發、施工連續性差以及支護體系多變等因素制約,懸臂掘進機法在擠壓性圍巖隧道中的應用還相對較少,在已有文獻資料中僅新烏鞘嶺隧道的應用較為典型、系統。應用于新烏鞘嶺隧道的懸臂掘進機法主要被用于(協同)處治圍巖大變形,施工中綜合采用了多種輔助措施,如玻璃纖維錨桿、超前大管棚等[10],但并未對懸臂掘進機法在擠壓性圍巖隧道中對細分圍巖適應性以及對圍巖變形控制與支護結構受力的影響進行研究。

擠壓性圍巖隧道多為高應力軟巖隧道,其變形是圍巖的一種具有累進性和明顯時間效應的塑性變形(破壞),故其圍巖變形速率及總量等均與施工(多次)擾動密切相關。鉆爆法開挖對圍巖的爆破沖擊損傷、松動圈擴大、引起的巖體力學性能下降以及鉆爆施工中普遍存在較大超欠挖等,均將大幅減弱圍巖自穩能力、加劇圍巖變形;故從開挖影響圍巖穩定性及位移角度分析,擠壓性圍巖隧道中采用非爆破的懸臂掘進機法優勢顯著。

在以傳統分(多)部開挖為主的擠壓性圍巖隧道中,可以通過將3臺階變換為2臺階來減少“分部數量”,以滿足懸臂掘進機法的施工需求。一般擠壓性圍巖隧道中圍巖強度<30 MPa[11],懸臂掘進機對此強度的圍巖施工效率相對較高。本文以木寨嶺公路隧道為工程依托,在分析擠壓性圍巖隧道應用懸臂掘進機法的適應性基礎上,從施工與支護2個緯度,通過對比研究2臺階懸臂掘進機法開挖與3臺階(光面)鉆爆法開挖,探明懸臂掘進機法在擠壓性圍巖隧道中的適應性。

1 工程概況

G75木寨嶺公路隧道全長15.226 km,最大埋深為629.1 m,位于甘肅中部定西市境內。隧道穿越秦嶺東西復雜構造帶,水平構造應力占主導地位,呈現SH(最大水平主應力)>Sh(最小水平主應力)>Sv(豎向應力)的特征,實測最大水平主應力為18.76 MPa,方向與隧道軸線方向大致相同。隧道穿越地層以炭質板巖為主,地質縱斷面如圖1所示。

圖1 木寨嶺公路隧道地質縱斷面圖(右線)

為確保鉆爆法施工中掌子面圍巖穩定,設計采用3臺階法開挖(見圖2)。然而,施工中發現多工序鉆爆開挖對圍巖擾動頻繁,破壞了巖體的整體穩定性,使得(嚴重)超挖和局部坍塌掉塊等現象時有發生(見圖3(a));同時,受地應力場作用與炭質板巖薄層產狀控制,拱腰區域為圍巖變形主要部位(見圖3(b)),而3臺階法施工中上臺階鋼架的“懸空接長”(見圖3(c))加劇了拱腰區域圍巖變形,體現在木寨嶺公路隧道圍巖大變形多發生在上中臺階交接的拱腰部位[12]。

(a) 開挖斷面(單位: cm)

(b) 縱向施工工序示意(單位: m)

2 基于工程地質條件的懸臂掘進機法適應性分析

不考慮切割頭截齒影響時,懸臂掘進機法在隧道等地下工程中的適應性及選型主要受工程地質條件制約,包括巖石強度、巖體完整度和地下水發育程度等方面。

2.1 巖石強度

懸臂掘進機法的適應性同巖石強度緊密相關,隨巖石強度增大、開挖工效降低,懸臂掘進機的故障率升高。當巖石強度大于80 MPa,與傳統鉆爆法相比,懸臂掘進機法開挖的經濟適用性較差[13]。結合施工中所揭示的炭質板巖、砂質板巖典型圍巖(見圖4(a)、4(b)),現場進行了圍巖點荷載單軸抗壓強度測試,結果見圖4(c)?？梢钥闯? 炭質板巖抗壓強度分布區間為16～38 MPa,平均值為25 MPa; 砂質板巖抗壓強度分布區間為37～65 MPa,平均值為48 MPa。從主要巖石強度來看,木寨嶺公路隧道適合采用懸臂掘進機法開挖。

(a) 斷面成型差

(b) 拱腰處大變形

(c) 上臺階拱腳懸空

2.2 巖體完整性

根據地勘資料與施工揭示,除斷層破碎帶外,木寨嶺公路隧道圍巖完整性表現為巖體破碎、節理裂隙較發育—發育,在此完整性條件下,采用懸臂掘進機法開挖效率更高。

2.3 地下水

地下水對懸臂掘進機法施工影響的本質是水對巖體的影響。一般軟質巖體常會出現遇水軟化、泥化,從而造成糊切割頭和設備移動困難,降低懸臂掘進機施工效率;而對非水敏性巖體,地下水的影響較小。木寨嶺公路隧道圍巖以炭質板巖為主,屬水敏性巖體,但炭質板巖內部不具備含水條件,這與施工炭質板巖地段時,掌子面多干燥或呈潮濕狀態的現象相吻合;在砂質板巖段落,雖其具備(一定)含水條件,但砂質板巖風化程度以中風化為主、少見強風化,故水對砂質板巖段的影響也較小。因此,從地下水的分布及其影響角度看,木寨嶺公路隧道適合采用懸臂掘進機法開挖。

(a) 炭質板巖為主

(b) 砂質板巖為主

(c) 單軸抗壓強度

3 懸臂掘進機法開挖方案設計

3.1 懸臂掘進機選型

懸臂掘進機選型主要考慮巖石強度、開挖斷面和工效等因素。

1)巖石強度決定了懸臂掘進機的切割功率,當巖石強度達到30～60 MPa,宜選擇260型以上機型[4]。

2)考慮匹配開挖斷面,選用的機型一是要求能夠滿足機械自身通行要求,二是以實現定位切割面積最大化為基本原則,即要求懸臂掘進機在同一臺階內施工,盡可能不移動或少移動。鑒于木寨嶺公路隧道開挖斷面積>130 m2,當要求懸臂掘進機能夠實現“臺階內移動1次”即滿足開挖1個臺階時,單次定位切割面積>32.5 m2。

3)掘進開挖工效方面,當圍巖強度為0～30 MPa或30～60 MPa時,切割功率為300 kW的CTR300和切割功率為320 kW的EBZ320在開挖效率上無較大差異[4],故無必要選用切割功率超300 kW的機型。

綜上,以地下工程常用懸臂掘進機為例(徐工EBZ200A、EBZ260、XTR6/260型、中鐵裝備CTR300A、CTR323型懸臂掘進機),確定采用CTR300A型懸臂掘進機(見圖5),最大一次定位切割高度為6.5 m、切割寬度為7.0 m、切割面積為43.5 m2。CTR300A型懸臂掘進機主要參數如表1所示。

圖5 CTR300A型懸臂掘進機及其工作原理

表1 CTR300A型懸臂掘進機主要參數

3.2 掘進開挖設計

掘進開挖方案設計中重點需考慮開挖工法、開挖斷面分區(部)和掘進路線等要素。

1)綜合考慮開挖斷面尺寸、懸臂掘進機工作空間、圍巖級別及穩定性,并遵照“臺階內移動1次”即滿足開挖1個臺階原則,綜合確定上臺階開挖高度為6.0 m、開挖寬度為13.32 m、臺階長度為25 m,并視實際掌子面圍巖穩定情況預留核心土;下臺階開挖高度為3.6 m,開挖寬度為12.56 m;同時,開挖進尺設置為1～2榀拱架間距(0.8～1.6 m/循環)。2臺階懸臂掘進機法如圖6所示。

(a) 開挖斷面(單位: cm)

(b) 縱向施工工序示意(單位: m)

2)考慮懸臂掘進機一次切割(圍巖)尺寸,結合2臺階工法,采用“2臺階4斷面”施工工序(見圖7(a))。施工工序為上臺階左側—移動掘進機—上臺階右側—移動掘進機—下臺階左側—移動掘進機—下臺階右側。其中,下臺階開挖時按左右側錯開2榀拱架。

(a) 掘進順序 (b) 掘進路線

3)掘進路線設計遵循自下向上銑挖的順序原則[14],結合木寨嶺公路隧道圍巖以層狀形式為主、傾角一般小于45°,綜合確定掘進路線(見圖7(b))為Z型自下而上、左右往復Ⅰ,輔以斷面修整Ⅱ(以切割上臺階左側為例)。

4 懸臂掘進的實施及其效果

4.1 現場實施與適應性分析

1)適用性較好的(掌子面)圍巖如圖8所示。 局部含條帶狀白色石英夾層以及掌子面傾角小于60°的薄層狀灰黑色炭質板巖; (灰白色)砂巖與炭質板巖互層。該類巖體懸臂掘進機施工效率高,圍巖穩定性相對較好,開挖過程中不易出現(較大)滑層或坍塌。

(a) 條帶狀白色石英夾層 (b) (灰白色)砂巖與炭質板巖互層

2)適用性一般的(掌子面)圍巖如圖9所示。出現輕微揉皺發育的薄層狀灰黑色炭質板巖;層理發育、有部分錯斷的薄層狀灰黑色炭質板巖;層理發育不明顯,但部分圍巖豎直;含有高強度褐黃色(夾黑色)砂質板巖。前3種巖體主要問題是易出現局部較大滑移、坍塌等現象;而褐黃色(夾黑色)砂質板巖強度高(多超80 MPa),單方耗電量大、截齒損耗越大。

(a) 揉皺發育 (b) 薄厚不一、部分錯斷

(c) 圍巖豎直 (d) 褐黃色(夾黑色)砂質板巖

4.2 施工效能分析

4.2.1 施工進度

2臺階懸臂掘進機法在適應性較好及一般圍巖段的循環耗時與3臺階鉆爆法的循環耗時如表2所示?？梢钥闯? 2臺階懸臂掘進機法具有一定的進度優勢,每循環耗時19～19.5 h; 3臺階鉆爆法每循環耗時23.5 h,兩者差異主要集中在圍巖的開挖工序。整體上,2臺階懸臂掘進機法的進度為48 m/月(累計施工255 m),較鉆爆法40 m/月提高20%。

4.2.2 開挖斷面質量

采用2臺階懸臂掘進機法開挖,局部垮塌現象明顯減小,開挖輪廓成型更佳。以各統計20個循環為例,2臺階懸臂掘進法開挖時出現局部垮塌2次,垮塌面積最大為3.2 m2; 3臺階鉆爆法開挖時出現局部溜坍7次,垮塌面積最大為8.4 m2; 平均超挖由原300 mm(鉆爆法)降低至150 mm(懸臂掘進機法),可有效減少初期支護脫空的質量隱患。典型開挖成型效果如圖10所示。

表2 循環耗時及明細

(a) 懸臂掘進機法 (b) 鉆爆法

4.2.3 施工經濟性

2臺階懸臂掘進機法與3臺階鉆爆法綜合單價費用差值如表3所示?？梢钥闯? 1)2臺階懸臂掘進自動化程度高,降低了勞動強度,減少用工量5～10人,人工費下降明顯。2)2臺階懸臂掘進掘進和出渣同時進行,相互干擾減少,機械使用頻率降低; 但鑒于懸臂掘進機的使用,保養及維修費用較高,機械費增加。3)2臺階懸臂掘進噴混凝土超耗量下降顯著。采用“(設計混凝土厚度+超欠挖值)×弧長×(1+0.15)”計算,各統計20個循環,噴混凝土設計方量為278.21 m3,2臺階懸臂掘進施工噴混凝土用量為427.23 m3,3臺階鉆爆施工噴混凝土用量為576.29 m3,超耗量由107%降至53%左右。

表3 2臺階懸臂掘進機法與3臺階鉆爆法綜合單價費用差值

4.3 實施效果分析

4.3.1 試驗段及支護方案

根據地勘資料木寨嶺公路隧道右線渭源方向YK217+176.0～+115.0地質條件基本一致,在此段進行懸臂掘進機法和鉆爆法開挖工法對比試驗。其中,YK217+170～+145.8段24.2 m,采用2臺階懸臂掘進機法;YK217+145.8～+120.0段25.8 m,采用3臺階鉆爆法。試驗段支護參數如表4所示。不同之處在于錨索環向(施工)布置,與施工臺階數匹配。

表4 試驗段支護參數

現場開挖施工揭示,YK217+176.0～+115.0段圍巖以黑色炭質板巖為主夾灰白色砂質板巖,多呈薄層狀、層厚為 1 ～ 5 cm、傾角為45°～80°,懸臂掘進機法和鉆爆法段的地質情況一致。YK217+166.0～+126.0部分典型掌子面圍巖如圖11所示。

(a) YK217+170 (b) YK217+150

(c) YK217+140 (d) YK217+120

試驗段每隔5 m設置1個位移監測斷面,在里程YK217+155和YK217+135各設置1個受力監測斷面,測量圍巖壓力、拱架應力與錨索軸力。監測斷面如圖12所示。

(a) 監測布置 (b) 錨索軸力監測 (c) 鋼架應力監測

4.3.2 試驗結果與分析

4.3.2.1 圍巖位移分析

斷面測點(線)位移隨里程變化曲線如圖13所示,試驗段測點(線)平均位移如圖14所示。由圖13和14可以看出: 1)2臺階懸臂掘進機法的拱頂沉降、拱腰收斂及其平均值與3臺階鉆爆法無明顯差異。2)以平均值為例,2臺階懸臂掘進機法的拱頂平均沉降和拱腰平均收斂為132 mm和319.8 mm,略大于3臺階鉆爆法的121.4 mm和313.2 mm,差值僅為10.6 mm和6.6 mm。

圖13 測點(線)位移隨里程變化曲線

圖14 試驗段測點(線)平均位移

4.3.2.2 圍巖壓力分析

圍巖壓力時程曲線如圖15所示?？梢钥闯? 1)斷面開挖后,圍巖壓力均呈現先快速增長后趨于穩定;且YK217+155(A/B/C)斷面的早前圍巖壓力增長速率明顯大于YK217+135(A1/B1/C1)斷面,其原因為懸臂掘進機法中上臺階開挖面積增大。2) YK217+155(A/B/C)斷面一般在7 d左右,各測點圍巖壓力基本穩定; 而YK217+135(A1/B1/C1)斷面則需14 d,其原因為鉆爆法對圍巖擾動加大,且采用3臺階工法,使B1、C1測點在中臺階開挖時(第6～10天),圍巖壓力有明顯下降(調整)的過程,進一步增加了收斂穩定所需時間。3) YK217+135(A1/B1/C1)斷面的圍巖壓力(穩定后)要大于YK217+155(A/B/C)斷面,差值為0.01～0.11 MPa。由上述分析可知,懸臂掘進機法開挖后的圍巖壓力小于鉆爆法。

圖15 圍巖壓力時程曲線

4.3.2.3 拱架應力分析

拱架應力時程曲線如圖16所示?？梢钥闯? 1)斷面開挖后,拱架應力呈現先快速增長后趨于恒定;其中,YK217+155斷面在15 d左右趨于恒定; YK217+135斷面的應力波動較顯著,且在中臺階開挖時(第6～10天)有明顯變化。2) YK217+155斷面和YK217+135斷面的拱架最終受力分別為-5～-155 MPa和-45～-181 MPa;設鋼拱架受力驗算保守取值375 MPa,上述斷面的安全系數均大于2,結構安全性較好。由上述分析可知,拱架受力差異不大,均有較好的安全性。

(a) YK217+155監測斷面

(b) YK217+135監測斷面

4.3.2.4 錨索軸力分析

錨索軸力時程曲線如圖17所示?？梢钥闯? 1)10 m錨索加載至320～330 kN的預應力損失率約為15%。2) 錨索支護過程包含下降期、快速承載期和緩慢承載期;其中,下降期出現在錨索安裝后的1～3 d; 快速承載期出現在急速下降期后的5～7 d,錨索軸力在此期間快速增長;緩慢承載期出現在快速承載期后,軸力基本恒定,此時的圍巖變形已基本收斂。3)2個監測斷面中錨索受力的最大差異出現在下降期; 其中,懸臂掘進機法中的下降期不顯著,相應軸力未明顯下降,但鉆爆法法中的下降期顯著,相應軸力“損失”40～53 kN,降幅14%～19%。4) YK217+155斷面的錨索最終平均軸力為320 kN,大于YK217+135斷面的281 kN,原因主要為懸臂掘進機法開挖對圍巖擾動小,下降期影響減小;設錨索受力驗算保守取值520 kN,各錨索的安全系數均大于1.5,結構安全性較好。由上述分析可知,2種開挖方法中錨索均有較好的安全性。

橫坐標“-1”對應的軸力值表示千斤頂加載的預應力值; 橫坐標“0”表示千斤頂卸載后加載到錨索上的預緊力。

綜合試驗段圍巖位移以及監測斷面圍巖壓力、拱架應力、錨索軸力的對比分析可知,從圍巖變形及支護結構受力角度,2臺階懸臂掘進法開挖與3臺階鉆爆法開挖差異不大,均有良好的適應性,即開挖后圍巖變形均能得到有效控制,且支護結構處于安全狀態。

5 結論與討論

1)從工程地質條件、圍巖變形控制以及支護結構受力安全角度,木寨嶺公路隧道適用2臺階懸臂掘進機法開挖。與3臺階鉆爆法比較,2臺階懸臂掘進機法的施工效能提升: 月進度為48 m/月,提高20%;開挖輪廓成型更佳,平均超挖由原300 mm降至150 mm;自動化程度高,減少用工5～10人;噴射混凝土用量減少,超耗量由107%降至53%左右。

2)懸臂掘進機法開挖方案設計中,懸臂掘進機的選型應重點考慮切割面積和切割功率; 掘進開挖的設計應以滿足通行要求為前提,并以實現單次定位切割面積最大化為目標,重點考慮與開挖工法的適配性以及開挖斷面分區(部)的數量和掘進路線的布設。

3)木寨嶺公路隧道圍巖按能否較好適用懸臂掘進機法開挖,可劃分為2類6種。其中,適應性較好的圍巖在開挖過程中主要表現為掘進工效高、穩定性好;適應性一般的圍巖在開挖過程中主要表現為易出現局部較大滑移、坍塌,以及掘進工效低。

4)文中試驗段支護參數中含預應力錨索。工程實踐反饋,預應力錨索對圍巖變形控制起關鍵性作用。同時,試驗段也反應了與3臺階鉆爆法比較,2臺階懸臂掘進機法中的錨索軸力出現了增加,故傳統初期支護體系(系統錨桿+噴混凝土+鋼架)下擠壓性圍巖隧道的2臺階懸臂掘進機法的適應性有待進一步探明。