長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工技術(shù)研究

王 偉

(身份證號(hào)：130402198512031215；中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工技術(shù)研究

王 偉

(身份證號(hào)：130402198512031215；中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

本文首先對(duì)長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工中需要主要的問題進(jìn)行了介紹，然后介紹了長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工技術(shù)。

長(zhǎng)大隧道 獨(dú)頭掘進(jìn) 高地應(yīng)力 施工技術(shù)

1.前言

高速公路上長(zhǎng)大隧道是控制工期的重點(diǎn)工程，隧道掘進(jìn)工序的快慢直接影響著工程的總工期，因此，選擇合適的施工技術(shù)是保障施工進(jìn)度的前提。

2.工程概況

中鐵十四局集團(tuán)潮惠高速TJ17標(biāo)承建的蓮花山2號(hào)隧道位于廣東省境內(nèi)，起于汕尾市海豐縣赤石鎮(zhèn)，止于惠州市惠東縣多祝鎮(zhèn)。起訖樁號(hào)為左線ZK200+365～ZK205+505，右線K200+337～K205+445。左線長(zhǎng)5140米，右線長(zhǎng)5108米，隧道雙線全長(zhǎng)10248m，為全線控制性工程，隧道最大高差約578m，隧洞洞身段巖體處于高地應(yīng)力區(qū)，巖體應(yīng)力水平為中等～高應(yīng)力水平。

3.長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工中需要主要的問題

3.1 開挖運(yùn)輸作業(yè)線

3.1.1開挖機(jī)械

隧道斷面凈空大，運(yùn)距長(zhǎng)，經(jīng)過詳細(xì)論證，認(rèn)為采用2臺(tái)AtlasCopco三臂臺(tái)車進(jìn)行全斷面開挖施工是合理的。該設(shè)備采用電力作為動(dòng)力，由液壓動(dòng)力機(jī)組驅(qū)動(dòng)，配有先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)；臺(tái)車工作高度12m，工作寬度14m，一次可覆蓋面積168m2，鉆孔速度在普通巖層中可達(dá)2.5m/min，硬質(zhì)花崗巖中可達(dá)2.0m/min，最大鉆深5.24m，在潮濕、多塵的環(huán)境下均可正常工作。項(xiàng)目部采用全斷面光面爆破，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)平均線性超挖均能控制在10cm以內(nèi)。同時(shí)鑿巖臺(tái)車兼顧施鉆系統(tǒng)錨桿眼孔的任務(wù)，提高了初期支護(hù)的施工效率和質(zhì)量。

3.1.2裝碴設(shè)備

裝碴機(jī)械的選擇應(yīng)使之能在開挖斷面內(nèi)高效作業(yè)，并和運(yùn)輸機(jī)械相匹配，靈活方便，污染小，維修費(fèi)用低。隧道運(yùn)輸有3種方式：無軌運(yùn)輸、有軌運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸。本工程經(jīng)研究決定采用有軌運(yùn)輸方式。配備數(shù)量N根據(jù)需裝出的石碴數(shù)量V和循環(huán)時(shí)間要求的裝碴時(shí)間T及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝載生產(chǎn)率A確定，同時(shí)考慮備用量，一般為一臺(tái)。N=V/AT+n’。一次爆破循環(huán)的裝碴量V應(yīng)考慮松散系數(shù)、超挖量。裝載設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)率A除考慮裝碴設(shè)備的本身能力外，還應(yīng)考慮運(yùn)輸車輛的外運(yùn)能力。配備數(shù)量還受作業(yè)時(shí)工作面尺寸的限制。

蓮花山2號(hào)隧道進(jìn)口用1臺(tái)斗容量1m3的PC220-6小松挖掘機(jī)進(jìn)行裝碴，配合3臺(tái)梭式搭接有軌運(yùn)輸?shù)V車，1臺(tái)ZLC40B型側(cè)卸式裝載機(jī)在棄碴場(chǎng)平整，4～6h可出完廢碴，進(jìn)行下一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)。初襯支撐完后，進(jìn)行仰拱施工仍然使用該挖掘機(jī)裝碴。

3.2 錨噴支護(hù)作業(yè)線

3.2.1錨噴機(jī)械

錨桿孔采用臺(tái)車鉆眼，多功能作業(yè)臺(tái)架掛網(wǎng)，擠壓式注漿泵注漿。噴射混凝土采用長(zhǎng)沙科達(dá)KC30濕噴機(jī)械手，該設(shè)備可通過操作有線“遙控器”來控制噴射頭進(jìn)行噴混凝土作業(yè)，噴料速度4～24m3/h，噴射頭上安裝有擺動(dòng)馬達(dá)（可240°擺動(dòng)）和回轉(zhuǎn)馬達(dá)（可360°回轉(zhuǎn)），且機(jī)械手的大臂、小臂均能通過液壓驅(qū)動(dòng)后靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，噴射范圍較大，施工中噴頭與噴射面之間的角度能夠始終保持在最佳角度。長(zhǎng)沙科達(dá)KC30濕噴機(jī)采用液態(tài)添加劑計(jì)量輸送裝置，能夠精確地控制速凝劑用量，噴頭安裝紅外線距離感應(yīng)器，保證了噴頭到噴射面始終控制在0.8米，有效保證了噴射混凝土質(zhì)量，減少噴射混凝土回彈量，混凝土的施工質(zhì)量也因此得以保證，成本也得以大幅度降低。

3.2.2仰拱施工機(jī)械

蓮花山2號(hào)隧道進(jìn)口采用液壓移動(dòng)仰拱棧橋，主橋38m，支點(diǎn)間跨度23m，一個(gè)循環(huán)最大施工長(zhǎng)度20m，可橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)，施工方便。該棧橋主梁和橋面采用桁架式結(jié)構(gòu)，減少了自重和結(jié)構(gòu)高度，滿足了通行和橋下作業(yè)凈空要求，實(shí)現(xiàn)了仰拱全斷面作業(yè)。移動(dòng)就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移動(dòng)就位僅需1小時(shí)，提高了仰拱混凝土的施工速度。

4.長(zhǎng)大隧道獨(dú)頭掘進(jìn)高地應(yīng)力施工技術(shù)

4.1 提高支護(hù)系統(tǒng)剛度與整體受力性能

4.1.1調(diào)整支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)系統(tǒng)剛度

原設(shè)計(jì)初期支護(hù)采用鋼架型號(hào)I16@1.0m（不成環(huán)），鋼架嚴(yán)重扭曲，拱部噴射混凝土產(chǎn)生裂縫并大面積掉落，初期支護(hù)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，無法保證施工安全。后調(diào)整到成環(huán)I18@@0.6m，以提高支護(hù)剛度和強(qiáng)度，減小圍巖變形。

4.1.2根據(jù)新奧法原理，提高支護(hù)體系整體受力能力

隧道大變形支護(hù)系統(tǒng)是指支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的結(jié)合體,不僅指鋼架、噴混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)本身，還包括錨桿、注漿等方式加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊圍巖的聯(lián)系，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成整體支護(hù)體系，抵抗開挖后地層應(yīng)力作用。具體措施主要有加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)（Φ42超前注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度4m）、鋼架間設(shè)置雙層連接鋼筋（Φ22螺紋鋼筋，內(nèi)外雙層布置，環(huán)向間距1.0m）、雙層鋼筋網(wǎng)（Φ8雙層鋼筋網(wǎng)）、錨桿采用中空注漿錨桿、初期支護(hù)后回填灌漿等。對(duì)于施工完畢未施作二襯處，發(fā)生大變形，通過設(shè)置套拱和拆換拱架提高支護(hù)強(qiáng)度，但對(duì)成本和進(jìn)度有很大影響。

4.2 采用超短臺(tái)階法施工，初期支護(hù)快速封閉成環(huán)

大變形隧道在滿足施工開挖要求和臺(tái)階穩(wěn)定的情況下，盡可能縮短上臺(tái)階長(zhǎng)度，可以盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)形式閉合成環(huán)，控制圍巖變形。

國(guó)內(nèi)外著名的大變形隧道工程實(shí)踐表明，長(zhǎng)錨桿是控制軟巖大變形的重要手段之一。設(shè)計(jì)改進(jìn)后，將原來3.5m系統(tǒng)錨桿加長(zhǎng)，采用4.5m長(zhǎng)，D25中空錨桿，以穿透軟弱圍巖塑性區(qū)，達(dá)到對(duì)圍巖加固的目的。D25中空錨在施工中要嚴(yán)格控制錨桿長(zhǎng)度、角度、注漿壓力等工藝。

一方面隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，長(zhǎng)錨桿施工難度大，對(duì)工藝要求嚴(yán)格，在具體實(shí)施過程中有許多技術(shù)要求和要點(diǎn)必須進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到預(yù)期效果；另一方面從工程造價(jià)角度講也是不科學(xué)的。因此，長(zhǎng)錨桿控制變形是有很大作用的，但是不能一味的采用增加錨桿長(zhǎng)度的辦法來控制洞室變形。針對(duì)不同的地質(zhì)條件，到底采用多長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿才算是合理，既能有效控制大變形，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理是要解決的問題。

4.3 適時(shí)進(jìn)行二次襯砌，是大變形控制的關(guān)鍵

對(duì)于大變形圍巖隧道，變形量大，收斂速度慢，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范要求的的收斂變形速率時(shí)初期支護(hù)就已失穩(wěn)破壞，因此，確定合理的的二次襯砌施作時(shí)機(jī)對(duì)于大變形圍巖隧道至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形檢測(cè)規(guī)律分析，蓮花山2號(hào)隧道軟巖地段變形速率小于1～2mm/d時(shí)，應(yīng)施作45cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌，距離掌子面70～80m左右，可有效控制大變形發(fā)展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原側(cè)。

以上措施在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)踐，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋的信息，對(duì)于變形控制較為有效，但仍需通過現(xiàn)場(chǎng)的不斷總結(jié)優(yōu)化，進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)性和高效性。

4.4 監(jiān)控量測(cè)與信息化施工

加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)控制軟弱圍巖大變形是隧道施工中的重要環(huán)節(jié)。蓮花山2號(hào)隧道施工過程中，采用TSP203plus地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆孔等多種手段進(jìn)行了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，起到了及時(shí)掌握掌子面前方地質(zhì)情況，為提供相應(yīng)的應(yīng)對(duì)控制措施提供了依據(jù)。施工過程中對(duì)隧道拱頂下沉，周邊收斂進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控量測(cè)與數(shù)據(jù)分析，對(duì)圍巖壓力、鋼架應(yīng)力、二次襯砌接觸壓力和混凝土應(yīng)力等項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、預(yù)留變形量等，在保證預(yù)留得到有效控制的同時(shí)，避免或減小換拱對(duì)施工造成的不利影響，并指導(dǎo)下一步施工，達(dá)到信息化施工、動(dòng)態(tài)控制的目的。

5.結(jié)束語

隨著我國(guó)鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展，長(zhǎng)大隧道也越來越多。而長(zhǎng)大隧道的施工質(zhì)量直接影響著工程的質(zhì)量，因此對(duì)于長(zhǎng)大隧道的施工必須選擇科學(xué)合理的施工技術(shù)。

[1]陳炳祥,易國(guó)華. 長(zhǎng)大隧道快速施工管理技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2010, (03) .

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1007-6344（2015）05-0298-01