软弱围岩隧道液压破碎锤开挖工法.doc

软弱围岩隧道液压破碎锤开挖工法（中铁二十三局集团第三工程有限公司 四川 成都）倪修泉 樊建国 刘 慧 李 松 钟正军摘 要：阐述了将液压破碎锤用于铁路软弱围岩隧道开挖的创新施工方法，并结合格鲁吉亚第比利斯绕城铁路项目隧道施工的工程实例，讲述了液压破碎锤开挖软岩隧道的成功经验。关键词：隧道 软弱围岩 液压破碎锤 工法1. 前言隧道作为铁路土建施工的重点、难点工程和节点工程，历来受到业界重视，虽然目前隧道施工理论发展成熟，技术和装备先进，经验丰富，但选择合适的施工方法一直是各施工单位研究的课题。2. 工程简介中铁二十三局集团有限公司承建的第比利斯绕城铁路项目，是格鲁吉亚近年来投资最大的铁路工程项目，是中国铁建在格鲁吉亚的首次建设项目，也是集团公司成立以来第一次以总承包模式中标的海外项目，更是我们走出国门参与市场竞争，展示企业形象的重要项目。该项目于2010年5月18日中标，6月14日与格鲁吉亚铁路有限责任公司签订合同，合同项目总投资为3.039亿瑞士法郎，折合人民币约20亿元。绕城铁路项目全长38.612km，新建双线轨道28.73km，既有线改造9.96km,新建车站2个，隧道4座总长3585m，桥梁1368.5m，路基土石方850万方，通信、信号、电力94.46km，设计时速100km/h，轨距1520mm。主要技术标准正线数目：双线，最大纵坡坡度：18，最小曲线半径：600m，与Kakheti线路连接的轨道上采用300m；既有线改建段采用250m，到发线有效长度：850m。牵引种类：直流电力。列车类型：VL-10、VL-11。列车运行方式：自动闭塞。3. 工法形成背景3.1 工程地质项目地质条件较差，隧道内围岩为软弱泥质沉积岩，围岩强度不高，属于类软弱围岩。此类岩石遇水易膨胀、风化或遇空气便风化为粘土，需尽量避免对围岩扰动，而且此类围岩的特性，钻杆容易打入，但不易拔出，也增加了钻孔难度。3.2 政策法规格鲁吉亚对炸药管制严格，审批程序复杂，项目位于首都第比利斯近郊，每次爆破都需向当地政府提出申请，且爆破时必须由格鲁吉亚专业爆破人员进行监控，导致洞内施工无法形成有效的24小时无间断循环作业，严重的影响了工程进度。3.3 材料问题格鲁吉亚重工业不发达，炸药依赖进口，且当地市面的炸药性能不稳定，难以确定爆破参数，对实施光面爆破难度大、效果差，而且炸药价格高，难以有效节约施工成本。若采用传统的钻爆法，无论对工程结构还是施工进度和成本控制，都相当不利。经过对隧道的岩石样本进行土工试验，对隧道施工方法进行专项研究，提出了“基于新奥法采用液压破碎锤进行掘进”的施工方法，并在第一座隧道5#隧道进行尝试，不断改进和完善施工工艺流程，取得了很好的效果。此施工方法很快就被施工队熟练掌握，并推广到其他三座隧道。4. 理论依据、工法特点、及适用范围4.1 理论依据根据新奥法基本理论，充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆、钢筋网片、工字钢拱架和喷射混凝土为主要支护手段，将软弱围岩视为隧道承载结构的一部分。基于锚杆对围岩的挤压加固和对岩层的组合作用，以钢拱架为骨架，通过安装钢筋网片和喷射混凝土，在围岩表面形成一层薄壁支护，对围岩进行加固, 与围岩共同构成了隧道的初期支护结构，约束围岩的松弛和变形。薄壁支护通过监测了解初期支护围岩的变形情况，待支护抗力与围岩压力适应时进行封底，使变形收敛，隧道围岩趋于稳定，随后进行二次衬砌。根据隧道地质情况和围岩土工性能，将围岩分级。对于、类围岩，采用液压破碎锤开挖具有显著的优越性，其工法基本相同，即分台阶开挖、初期支护、二次衬砌。针对以上三类围岩的具体施工要求如下：表4-1 各种围岩级别的软岩隧道开挖围岩级别支护类型超前支护开挖方法预留核心土、二台阶四步开挖法超前锚杆三台阶七步开挖法表4-2 各种级别的软岩隧道初期支护与衬砌围岩级别支护类型初期支护二次衬砌初喷系统锚杆工字钢拱架钢筋网片锁脚锚杆喷射混凝土、4.2 工法特点该施工方法按照新奥法“管超前、严注浆、强支护、短进尺、早成环、环套环、勤量测”的施工方法，按台阶法开挖。采用反铲履带挖掘机装备液压破碎锤对台阶、仰拱和洞室进行开挖。相对于传统的钻爆法，无需钻孔，以良好的安全性、适应性、经济性、灵活性、低噪声、对围岩扰动小、易控制超欠挖、机械化程度高、工序简单及对环境污染小等优点得到了业主、监理及所有施工人员的认可和好评。4.3 适用范围根据实践经验，该工法适用于类软弱围岩，且围岩有一定的自稳能力。5. 施工工艺流程及操作要点5.1 三台阶七步开挖法此法较为传统，在类围岩地段利用液压破碎锤掘进时采用，相关的实践与论文繁多，具体的工艺不再赘述。5.2 二台阶四步开挖法此法用于、类围岩，液压破碎锤掘进的优势在此得到突出体现。二台阶四步开挖法是为液压破碎锤掘进施工完美配套的开挖方法，它将隧道分成两个台阶，上导、下导（左下导、右下导）和仰拱，一共4个步骤。开挖顺序如图5-1所示：图5-1 二台阶四步法开挖顺序示意图上导开挖、出渣、初支左下导开挖、出渣、初支右下导开挖、回填便道、初支仰拱和洞室开挖、出渣仰拱、填充、矮边墙和二衬等施工此法施工工艺如图5-2所示：图5-2 二台阶四步法工艺流程图5.2.1 上导开挖、出渣、初支上导开挖、出渣、初支作为一个单独小循环，不间断，以保证掘进速度；液压破碎锤开挖不停歇，充分利用机械。施工流程为：测量放线液压破碎锤就位开挖出渣复测修理开挖面台车就位安装工字钢拱架打锁脚锚杆安装钢筋网片喷射混凝土料测量放线液压破碎锤就位开挖。类围岩进尺在120cm左右，类围岩不超过80cm，类围岩不超过50cm。液压破碎锤开挖前，需对操作手进行培训，开挖全程需安排专人指挥。将配有液压破碎锤的挖掘机主机开至掌子面附近，对掌子面进行开挖，指挥人员先指挥机械手对掌子面岩石进行试打。如果岩石较硬能够达到自稳的情况下，便从掌子面下部进行开挖、破碎，由现场指挥人员站在安全区域利用聚光手电照向掌子面进行指挥，由下至上对掌子面大部进行开挖；当遇到硬岩石时，挖机大臂、小臂及液压破碎锤间可变换不同的角度及方位，可轻松对岩石进行破碎；如果岩石不能够自稳，指挥人员应指挥机械手操作液压破碎锤由上至下对掌子面进行大部开挖，并且根据现场围岩情况确定是否留置核心土，保证开挖后隧道掌子面岩石达到自稳。大部开挖后由现场指挥人员指挥对初支断面边缘轮廓进行局部的开挖破碎、修整并进行排险。整个开挖过程中，掌子面对于液压破碎锤来说不存在盲点，均可利用液压破碎锤完成。开挖完成后采用装载机装渣，自卸车运到弃渣场堆放。清运完渣土后，立即对对掌子面进行复测，然后用液压破碎锤对欠挖部位进行修整。上导工字钢分6节制作，每节用四颗螺栓拧紧，打锁脚锚杆，并将锁脚锚杆与工字钢焊接牢固；根据围岩情况酌情设置系统锚杆，锚杆长度根据实际情况确定，且呈梅花形布置。钢筋网片布置在工字钢与围岩之间，每片钢筋网片的搭接长度不小于20cm。现场技术员需严格检查螺栓、锁脚锚杆、钢筋网片的施工质量。上一工序合格后，用自卸车运送拌合好的喷浆料到现场，采用两台喷浆机同时喷浆作业，以缩短围岩临空面暴露的时间。喷浆作业期间，需保持洞内通风。喷浆完成后，撤走台车，即可进行下一榀上导的测量放线及开挖工作。5.2.2 左下导开挖、出渣、初支上导开挖一定距离后，即可开始下导开挖。下导开挖方法与上导相同，采用液压破碎锤纵向掘进，进尺不得超过三榀。左下导初支和上导初支相同，可用一台喷浆机喷浆。左下导初支需根据设计图纸留出避车洞开挖的位置。5.2.3 右下导开挖、回填便道、初支右下导开挖与左下导相同，但开挖的渣土需回填到左下导以留出施工便道，初支同上导。5.2.4 仰拱和洞室开挖、出渣仰拱开挖前将便道松土清除，测量放线，用液压破碎锤开挖。仰拱开挖长度一般为10m，地质条件较差时，可根据实际情况进行适当缩减。避车洞开挖需精确放线，画出轮廓线，标明开挖深度，用液压破碎锤与仰拱一起开挖。每段仰拱和其中的洞室开挖完成后，用装载机装载渣土，自卸车运至弃渣场堆放。出渣完成后复测仰拱和洞室，用破碎锤对欠挖部分进行修整。此步骤可与上导初期支护平行施工。5.2.5 仰拱、填充、小边墙、二衬等的施工仰拱、填充、矮边墙、二衬等工序的施工，可根据实际情况与隧道开挖平行施工，具体要求按照相关施工工艺和规范进行，不再赘述。6. 材料与设备液压破碎锤开挖软弱围岩隧道的重点，是液压破碎锤和挖掘机主机的选用和组装配套。根据实践经验，选用现代挖掘机和水山破碎锤组装，进行、围岩开挖，效率很高。6.1 现代290挖掘机+水山SB121型破碎锤此组合主要用于类软弱围岩的开挖掘进，性能稳定，效率高。水山SSB121型破碎锤如图6-1所示：总重量(kg) 2413钎杆直径(mm) 155打击频率(Bpm) 300-450工作压力(kgf/cm) 160-180图6-1 水山SB121型破碎锤6.2 现代210挖机+水山SB81型破碎锤此组合主要用于类软弱围岩的开挖掘进，灵活性高，对洞室开挖、欠挖处修理更具优势。水山SB81型破碎锤如图6-2所示：总重量(kg) 1740钎杆直径(mm)140打击频率(Bpm)350-500工作压力(kgf/cm)160-1806-2 水山SB81型破碎锤对于隧道掘进，每座隧道至少应装备液压破碎锤的现代210/290挖机主机各1台，风枪5把，风镐2把，挖掘机1台，装载机1台，自卸车3辆。7. 质量控制7.1 超欠挖控制采用液压破碎锤对软弱围岩隧道进行开挖，最大的优势之一就是对超欠挖的控制。装有液压破碎锤的挖掘机机动灵活，能对掌子面全方位、多角度进行开挖，这离不开精确的测量放线及复测、机械手的娴熟技术和指挥人员的认真负责。对相关人员进行专业培训、采用合理的倒班循环制度、利用有利的辅助工具（用聚光手电指挥开挖）等，能有效控制开挖面，达到很高的开挖质量。7.2 对初支的保护因挖机主机机动灵活，在开挖围岩时应注意照明，避免挖机臂或破碎锤撞击初支。8. 安全措施除遵照有关规范、标准进行施工外，还应采取以下措施：(1)进行全员安全教育，针对工程特点、参照有关安全规则制订、落实安全规章制度。(2)除机械手外，设有专门指挥人员对液压破碎锤施工过程进行全程指挥。(3)根据此项目的设计对软岩支护类型的不同，掌子面的开挖进尺一般控制在80140cm，液压破碎锤长150cm，并以现有的开挖方法，不会对机械手、主机及液压破碎锤造成伤害。(4)开挖的各分步在完成规定的进尺后，必须立即进行初期支护喷射混凝土，以减少围岩的风化、变形。(5)各分步开挖必须在临近作业面的初期支护有一定强度后实施，开挖台阶长度应以能尽快使初期支护闭合而不造成两步施工干扰为原则。(6)加强对围岩和支护的动态监测，进行信息化管理，根据量测数据，分析、判断围岩和支护的稳定状态，并采取正确的态度，科学组织施工，确保安全。9. 环保措施 液压破碎锤用于隧道软若围岩开挖的方法，对环境影响甚小。需要注意的是定期对挖掘机主机和破碎锤的保养和维修，漏油应及时处理，以免随染隧道弃渣，污染水源。10. 效益分析10.1 经济效益利用液压破碎锤为主要机械对隧道进行掘进，采用两台阶四步开挖法进行开挖作业，开挖工作于其他工序平行施工，创造了巨大的经济效益，四座隧道共计节约成本约1300万瑞士法郎，折合人民币约8500万元。10.1.1 施工成本大大降低机械成本主要是液压破碎锤和挖掘机，而这二者各自具有极强的适应性，是常用的工程机械，可重复利用，不会闲置。相对于钻爆法，节省了钻孔、爆破的费用以及炸药材料的开支。有效的控制了隧道的超欠挖，节约了土石方超挖及初支喷射混凝土浪费的费用。节省了人力，机械化程度高。10.1.2 施工质量显著提高大大减小了对周边围岩的扰动，使围岩力学特性更接近设计情况，衬砌质量高，稳定性、可靠度和耐久性得到有力保障。10.1.3 施工进度明显加快此法根据实际情况与隧道其他工序平行施工，充分利用人力资源、机械资源、材料和工作面，环环相扣，相互干扰很小，加快了施工进度，节约了工期。10.1.4 安全性得到有力保障此法相对于钻爆法，安全性得到极大改善。围岩稳定、机械安全隐患少，在一定程度上规避了安全风险。10.2 社会效益由于此法噪音小、粉尘少、不扰民，机械化程度高，工序简单，施工质量高，对环境破坏小，充分体现了“以人为本”的宗旨，“做精品、精细工程”的原则和“人与自然和谐相处”的理念，得到了当地社会的广泛认可和赞许，为企业的良好形象增光添彩。11. 应用实例第比利斯绕城项目的四座隧道全部采用液压破碎锤开挖法，已全部胜利竣工，并已顺利通过监理、业主的验收。施工影像资料如下：图11-1 破碎锤正在修整掌子面欠挖部位11-2 破碎锤开挖的掌子面11-3 钢拱架、钢筋网片安装(间距1.36m，间距较大)11-4 锁脚锚杆(锁脚锚杆与钢拱架间焊接质量差)照片11-3、11-4和破碎锤工法关系不大，