切槽

切槽法是一種獨特的施工技術，是介於淺埋暗挖法和盾構法之間的一種方法，它和淺埋暗挖法配合可以形成複雜地質和地面環境下的新型隧道施工技術。採用此法可大大提高施工的機械化水平，同時可有效地控制地表沉降。由於這種方法可有效控制覆蓋層沉降，因此即使覆蓋層很薄也可以安全地全斷面或半斷面開挖大斷面隧道，大大降低了地表沉降和塌陷的風險，可保障人員安全和施工環境。

由於切槽的阻隔作用，這種技術在近接施工的優越性也很明顯。這種方法特別適用於以下場合：①土砂等強度極低的場合；②埋深淺，需嚴格控制地表沉降的場合；③近接重要建築物的場合。相對於盾構法，這種方法具有經濟、施工速度高以及靈活等特點。其斷面形式不拘泥於圓形，且開挖斷面是開敞式的，便於多變地質情況下的施工處理；在掌子面不穩定的情況下可以進行其加固處理，且可以進行多工作面同時作業， 在工期比較緊張的情況下仍然可以滿足要求；設備造價不到盾構的1/4，便於國產化 ^[1]  。

軟土隧道施工中一個最明顯的現象是地層“減壓”。大量的工程實例表明，開挖引起的圍巖應力重分佈在掌子面前方一段非常有限的區域內已經產生， 開挖引起的圍巖位移一般在掌子面前方1~1.5倍洞徑處開始出現； 在掌子面產生的位移佔總位移的1/4~1/3，甚至更多，並且在掌子面前後這種位移的增加是最劇烈的，因而危險區域也主要在掌子面前後這一段。在淺埋城市隧道中，要求將施工引起的地表沉降及隧道頂部位移限制在較小範圍內。這種伴隨着開挖而產生的“減壓”現象無疑是不利的，因而人們設想在隧道掘進之前，在掌子面前方的地層中，預先構築支護或襯砌層，然後在預支護保護下進行開挖作業，這就是預支護的概念，用於軟土的機械切槽法即是預支護的一種。

機械切槽法的基本原理是沿修建拱圈拱腹的理論斷面切割一條有限厚度的溝槽，同時向溝槽內灌注混凝土，以構成連續的超前預築拱，以減少開挖過程中的“減壓”，減小地表及拱頂沉降，保證掌子面的穩定。

切槽技術是一項適於複雜地質條件下的獨特的隧道預支護技術。其工藝概要為：

（1） 在工作面開挖前，用特製的鏈式機械切刀沿斷面周邊連續切割出一條寬約數十釐米、深數米的窄槽。為使預築拱有一定的寬度，軟巖中的切槽寬度一般比硬巖大，常用的切槽寬度為7.5~30 cm，切槽深度3~5 m 左右，在困難土體中需減少深度，每段切槽沿隧道的輪廓線成喇叭狀， 以便兩段預築拱之間有一定的搭接長度，搭接長度通常為0.5 m 左右。

（2） 在切槽的同時應用切刀一體化的混凝土灌注設備註入混凝土，以形成一個連續的、起預先支護作用的混凝土拱殼。

一般情況下應在切槽內灌注混凝土3~4h後就可開挖，此時混凝土強度應達到3~10MPa，必要時還需要加設拱架對預築拱進行加固，然後在其支護下進行工作面的全斷面機械開挖。隧道開挖後，可根據地質情況在開挖面後10m左右用噴混凝土做成封閉仰拱，切槽法施工的二次襯砌一般在開挖面後25m左右施做，國外也有不施做二次襯砌的情況 ^[2]  。

雙線鐵路隧道典型的切槽機械包括：

（1） 一個類似於大型鏈鋸的切槽刀具，表面呈鋸齒狀。

（2） 一個導軌和一個小齒輪，導軌做成隧道外輪廓形狀。

（3） 龍門架，它可確保導軌的結構強度和穩定性。

（4）兩個獨立的走行機構，每側設一個，主要用於支持龍門架；走行機構的設計根據工程項目的需要而變化。

為了施工的靈活性考慮，兩邊的走行機構是可以沿隧道縱斷面移動的，具體形式是整個切槽機分步地向前和向後移動；走行機構可以直接安裝在軌道上面，這樣的移動是連續的。一般的走行機構是由一個箱形梁組成，安裝在液壓調節支架上面；龍門架底座反扣在走行機構的橫樑上面，可以沿着橫樑移動。另外一種方式是龍門架直接通過操作枱安置在隧道底板上面， 走行機構的橫樑相對於龍門架移動。

為了適應不同的隧道斷面和地層的需要，預切槽機設有調節和定位系統；在走行機構上設有一個龍門架的定位裝置，使得刀頭可以沿着特定的路線進行切割作業。由於走行機構和龍門架下設有足夠的淨空，可以保證鑿巖台車和出碴車順利通過。

從龍門架上伸出一懸臂鋼拱架，上面設置了兩根鋼製導軌，驅動切割機的小齒輪和導軌上的齒軌齧合，引導切割機沿着導軌運作。整個切槽機中，切割頭是特製的，可以通過製作不同的切割頭適應不同半徑的隧道斷面，一般的切割頭是由一個驅動馬達、一個齒輪和一個安裝有支撐和導向裝置的鏈鋸組成 ^[3]  。

切槽法最早始於美國，1950年在美國南達科他州皮克城密蘇里河上修建福特—阮道爾水庫工程中，曾用機械切槽法開挖了12座直徑10m的圓型隧道以穿越白堊地層。由於當時技術條件限制，此法未得到進一步發展，直到1969年法國工程師採用該法成功地解決了城市地區硬巖隧道施工的震動問題後，這種方法才重新引起重視，之後在法國得到發展和應用，並開發了三代切槽機。切槽技術在法國、意大利、日本等國家得到了較為廣泛的應用，在對周邊環境控制嚴格的城市尤其適用，並且可以安全地全斷面開挖大斷面隧道，同時可以將地表沉降控制到最小。

軟土地層施工最大的問題是控制地層的變形，眾所周知，隧道的變形在掌子面之前已經發生。要保證掌子面的穩定，就應該首先控制開挖面前方地層預變形，地層條件越差越應該採取強有力的措施，於是預支護技術應運而生。

作為一種獨特的預支護技術，機械切槽技術是在掌子面前方預先形成一個拱殼，它在橫向和縱向的連續性非常好，可以起到很好的約束掌子面前方地層變形的作用；另外，切槽技術在成槽時是邊切邊灌注混凝土，類似於盾構的同步注漿，切槽本身產生的地層預變形也相當小。這就是切槽法能良好地控制地層變形的原因。

機械切槽法控制地層變形的效果可以從比較法國巴黎的兩個工程實例得到。一個是採用新奧法施工的格里尼鐵路隧道，先開挖再噴射混凝土；另一個是採用切槽法施工的豐特內—蘇—布瓦地鐵隧道。前者洞跨8.74 m，後者洞跨10.4 m，兩座隧道都埋於相同的阿爾讓伊泥灰岩中。現場量測結果表明，新奧法開挖引起的最大地表下沉量約為50 mm，而切槽法引起的最大地表沉降量不到15 mm，僅為前者的30%， 而且洞跨要比前者的洞跨大20% ^[2]  。

切槽技術是一種很有發展前途的施工技術，要實現推廣應用，需要在以下幾方面開展研究：

（1） 研發切灌一體的切槽技術，切槽機械的主要部分在於其雙鏈刀具能實現邊切槽、邊出碴、邊灌注混凝土。

（2） 高強度混凝土的配製通常要求灌注的混凝土能在3~4h達到6MPa強度，這對混凝土的要求非常高。

（3） 由於切槽技術是在地層中預先形成一個預築拱，在開挖過程中預築拱逐環搭接，一般在開挖面後25 m 才施做二次襯砌。作為一種獨特的預支護， 預築拱的設計荷載及設計理論不能採用通常的方法，另外其二次襯砌的荷載如何確定，也都需要開展專門研究。

（4） 切槽施工是在預築拱保護下進行大斷面開挖， 需要研究其開挖面的穩定性及保證開挖面穩定性的對策。

（5） 儘管日本在含有碎石、礫石的地層以及有地下湧水（100 L/min）的地層中都成功地應用了預切槽技術，但仍需要研究這種工法的地層適應性，以及遇到特殊地層的解決措施。

在我國，對於切槽工法的研究處於停滯狀態，隨着我國複雜地質和地面環境下隧道建設的大發展， 切槽技術必將以其良好的控制地層變形能力和靈活性重新得到重視。當前應着力進行切槽機械的研發，同時對預築拱的設計理論、切槽法的具體施工工藝、施工組織管理進行研究，以使得這種方法的適用範圍進一步擴大，而且能更好地適應城市地區修建隧道的環境要求 ^[2]  。