李 斌
(中铁五局集团有限公司 湖南 长沙 410007)
纵横交错、四通八达的高速铁路、高速公路网络不断提升物流运输速度，改善了人们快速出行的需求，而作为交通运输系统最基本组成单元的隧道工程正向着深埋、超长、超大断面发展，穿越地层越来越复杂多变，对建造技术的要求越来越高；
同时，随着社会经济的发展和物质文化生活水平的提高，人海战术、肩背手扛的传统施工作业方式逐渐被淘汰，隧道开挖、支护作业人工成本越来越高、劳动力越来越难找；
隧道施工，尤其长大隧道、高寒高海拔隧道施工正朝着机械化、智能化方向发展，隧道行业不断探索出全机械化配套开挖、盾构开挖、TBM开挖方法，预切槽隧道开挖技术又再次提上议事日程。
预切槽隧道开挖技术始于1950年美国一个大坝工程的隧道施工，70年代后在法国Fontenay-sous-Bois、Fontenay、Sceaux、Saint Germain等隧道工程施工中得到进一步发展之后，预切槽隧道支护技术逐渐发展成为一种应用比较广发的施工工艺。预切槽技术主要用于软岩隧道、地面环境复杂、地表沉降控制严格的地区。
预切槽法的基本原理是沿隧道开挖轮廓线预先切割出一条有限厚度的沟槽，同时向沟槽内灌注混凝土，以构成连续的超前预筑拱或支护衬砌结构，以减少开挖过程中周边地层的变形和位移，保证掌子面的稳定；
减小地表、上伏建构筑物的沉降。
预切槽技术工艺概要为：在掌子面开挖前，用特制的机械切刀沿断面周边连续切割出一条宽约数十厘米、深数米的窄槽；
在切槽内灌注混凝土，以形成一个连续的、起预先支护作用的混凝土拱壳，必要时还需要加设拱架对预筑拱进行加固，然后在其支护下进行工作面的开挖作业。
预切槽技术的核心是切槽和灌注混凝土。上世纪70年代起，法国等国研制出了基于拱架作业平台的整台机械安装在导轨上，为预切割上导坑而设计的第一代预切槽机；
为满足全断面开挖而设计的第二代预切槽机；
切头安装在滑槽中以便能独立于整个架构运动，滑槽的位置可根据切槽半径以及切槽与隧道轴线的倾角来确定的第三代预切槽机；
用于约30座隧道的建造。
除了拱架式预切槽机械外，法国、意大利等国还研发了轴心式预切槽机械，这种机械的特点是有一个转动臂，可以绕轴心旋转，且旋转的半径可调，这样就可以适应在一定范围内不同洞跨的隧道要求，相比拱架式机械，这种机械更为灵活。
日本从上世纪80年代初期开始研发预切槽技术，研制的New PLS曲线形链锯切槽机，在北陆高速公路名立隧道现场进行了实际工程试验，取得了大量的试验数据，验证了该工艺的工程可行性。
New PLS预切槽机
New PLS机作业示意图
国外的预切槽机主要有拱架式和轴心回转式两种，均采用链锯切槽，拱架式切槽深度一般小于5m，切槽厚度为7.5～35 cm；
轴心回转式切槽深度最大可达12 m，切槽厚度最大可达1.2m。
90年代初，铁道建筑研究设计院在土质和软岩隧道开展预切槽工艺技术研究，通过预切槽机链锯式工作头性能考核试验和工作参数测定，得出链锯式工作头可以满足隧道预切槽工作性能要求的结论，测定了工作头适宜的切削速度和环向给进速度。近年来，中铁建重工等单位从切槽机械、切槽工法、混凝土灌注方面开展了一系列研究。
(一)中心轴式预切槽机
2014年，中铁建重工研制的第一台中心轴式预切槽机在宝兰客专洪亮营隧道开展工业化试验。中心轴式预切槽机由自行式框架结构机架、链式切刀、自行排渣系统、同步灌注混凝土系统组成，有同步切槽灌注和分段切槽灌注两种施工工况。
中心轴式预切槽机
(1)同步切槽注浆
自拱脚一侧施作开口切槽-退出切刀-安装滑模、连接注浆管-切刀、滑模推入开口槽-切口槽注混凝土-切槽并同步注混凝土-至另一侧注混凝土并初凝-退刀、注混凝土封孔。
优点：切槽、注混凝土同步、连续、高效。缺点：混凝土等强时间长，工序占关键线路时间，要求混凝土具有较高的早强性能和良好的流动性。
(2)分段切槽注浆
将掌子面分为若干段进行切槽，喷混凝土作业落后切槽一个分段，如此间隔作业直至整个循环完成。
优点：工艺简单，对混凝土无特殊要求，开挖等待时间较短，施工普遍性广。缺点：每一段都是切槽完成且切刀退出空槽后再喷填混凝土，切刀多次进退占用时间较多，且对围岩的扰动频繁，易造成坍塌；
切槽深度不能太大，一般不超过5m。
工业化试验结果：在黏质黄土中成槽稳定性好，但在砂质黄土中成槽保持时间就较短；
切槽机切灌一体化不能得到很好的解决，同时喷混凝土系统易堵管；
最终槽段的稳定性、预衬切的质量与喷混凝土的及时性、密实程度、槽段大小及划人方式等都有非常密切的关系。
(二)直进式预切槽机
直进式预切槽技术是液压掘进箱(带掘进钻头的金属箱体)沿着隧道轮廓线纵向掘进，螺旋切土、出土，液压静力顶进；
退刀过程通过导管同步压灌混凝土，辅以附属机具在混凝土中插入钢筋或型钢。
工业化试验结果：一次成模宽度为0.98m，厚度0.4m，施工长度为10m。槽体能够及时回填，稳定性好；
具有加筋功能；
设备构造简洁，易操作，且体积较小，能耗较低，对后步施工影响较小。但存在槽口混凝土不能有效封填堵，碴土不能有效收集，槽段间不能有效连接。
(三)拱架式预切槽机
2015年中铁建重工研制首台拱架式预切槽机，并在蒙华铁路郝窑科隧道进行应用试验。拱架式预切槽机由行走机构、拱架、链刀、混凝土灌注系统等部件组成。施工模式为切槽机环向分区切削成槽，喷灌混凝土滞后切槽一个分区平行作业。
拱架式预切槽机现场作业图
拱架式预切槽施工顺序图
预切槽机切灌施工顺序：切削1部—切削2部—喷灌1部—切削3部—喷灌2部—切削4部—喷灌3部—切削5部—喷灌4部—切削6部—喷灌5部—切削7部—喷灌6部—喷灌7部完成。
切削作业：链刀推进至切槽深度后自上往下切削土体形成槽腔，1-6部切削时自上往下切削，第7部自右往左或自左往右切削。
喷灌作业：喷灌方向与切削方向正好相反，1-6部自下往上喷灌，第7部左右往复喷灌。
接荐与拉毛：每段切削时对已成型段回切10cm形成V形接榫，在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果；
同时链刀上钢丝刷将虚渣清除至槽外，喷灌前用高压风管清理搭接面。
切槽施工参数：切槽深度3.5m、厚度0.3m、搭接长度1m、一次开挖长度2.5m。
喷灌施工参数：C30早强早凝混凝土，喷灌混凝土泵送压力为10～12MPa，空气压力为0.8MPa，速凝剂压力为1MPa。
试验结果：可以实现切槽与喷灌平行作业，相互干扰小；
喷灌完成后至少19h强度才能达到10MPa，预衬砌混凝土等强时间长；
设备占用空间大；
槽壁无支护暴露时间仍较长，槽壁易坍塌；
分区接头位置混凝土接荐质量差，易造成接茬面强度不足。
(四)槽内混凝土问题研究
为了满足预切槽法对槽内混凝土快硬早强的特殊要求，不仅需要提高混凝土原材料的技术要求，还需要结合隧道洞内空间狭小的特点对混凝土灌注设备进行研发与改进，工作难度较大。
尽管预切槽技术在法国、意大利等国得到了应用，但预切槽机却始终没有像盾构机那样进入商品化，预切槽技术还需要解决一系列技术难题。
1.预切槽链刀需要有足够的刚度和切割防振要求，制造技术还不够成熟，导致设备体量大、能耗高，对后步工序交叉影响大，设备优势不明显。
2.槽内出土设备研制跟不上，切槽后槽内土方不能及时、彻底清除干净。
3.目前研制出的各种预切槽技术均不能实现与切槽同步平行灌注混凝土，切割后无支护、长时间暴露的土槽空间易坍塌，富水或流沙地质不易成槽。
4.槽内混凝土灌注难度大，槽口混凝土不易封堵，灌注混凝土后等强时间过长，不利于加快隧道掘进作业循环。
5.槽间接头处理难度大、效果差，形成的拱壳质地不均、整体性差，尤其含水地层内不能有效止水。
国内外预切槽技术的研发方向均为适应软弱围岩或浅埋暗挖地质条件的机械开挖方法。笔者认为需对预切槽研发理念重新进行定位，从目前隧道建造技术来看，硬质岩隧道TBM法、全电脑液压凿岩台车机械配套工法应用较为成熟、高效，浅埋地层、软弱围岩隧道盾构法极为普及，预切槽技术与之相比的竞争优势极弱。但对于钻爆法施工隧道的特殊地质、不良地质地段，目前所应用的大管棚工法、水平旋喷桩工法能形成强度高、刚度大的超前支护体系，但体系整体性差，有水环境下止水效果差，且工序复杂、工期长；
帷幕注浆工法能形成整体止水结构，但工作量大、成本高、工期长。
应用预切槽技术则能够高效克服大管棚、水平旋喷桩及帷幕注浆这些弱项，且能够避开目前预切槽所不能解决的出渣、混凝土灌注、拱壳整体性等技术难题。研发改进思路如下：
(1)参考市政深基坑工程TRD工法，改进中心轴式预切槽机的链刀为可延长液压掘进箱，使链刀沿隧道轴线方向切割长度能够达到与大管棚长度相当。
(2)链刀切割岩体后不排渣，引入TRD工法的相应技术，注入水泥浆液与土体搅拌成水泥土。
(3)在水泥土中插入钢筋笼、型钢或钢管。
(4)连续切割、注水泥浆并搅拌，直到全断面形成整体水泥土墙护拱。
(5)一次切槽沿隧道轴线方向长度20～30m。
工法特点：不排渣，槽壁不易坍塌；
水泥土拱壳厚度可以比灌注混凝土法大得多，利于链刀刚度设计；
拱壳为连续整体，止水性能好；
插入型钢等加筋材料极大提高了拱壳的强度与刚度；
一次施工长度长，混凝土等强时间占比小。
改进的预切槽技术可以弥补常规工法的不足，有效避开自身工法缺点，且没有与先进、成熟工法竞争，既可以代替大管棚、帷幕注浆等工法处理不良地质、特殊地质地段，也可以作为全机械化隧道施工工法的超前支护配套设备。
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