鄭萬高鐵隧道大斷面機械化施工關鍵技術研究

王志堅

(武九鐵路客運專線湖北有限責任公司， 湖北 武漢 430200)

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發展，高速鐵路隧道施工技術取得了長足的進步[1]。通過近年來不斷地探索和實踐，我國隧道建設從單一工序機械化施工[2-4]逐步轉向全工序機械化施工，機械化水平不斷提高，但目前其應用范圍主要局限于Ⅱ、Ⅲ級圍巖[5-6]，對于Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖并未實現機械化配套條件下的全斷面施工。機械化施工能夠加快施工進度、節約勞動力、減輕勞動強度、改善施工條件、提高工程質量、降低工程成本，因此，大型機械化施工是今后隧道施工的發展方向。然而，如果僅僅只是將傳統的人工模式換成機械模式，則難以最大限度地發揮機械化施工的優勢。為高效地進行隧道機械化施工，必然要求隧道掌子面穩定性控制措施、支護結構參數、施工工法工藝、機械化配套、施工信息化管理等環節緊密配合。

本文對鄭萬高速鐵路湖北段隧道全斷面機械化施工探索過程中所面臨的主要問題進行了總結，并采用現場試驗、資料調研、理論分析等方法對掌子面穩定性控制、支護結構優化、機械化施工工法、機械化施工工藝參數、機械化施工安全風險管控進行了探討，以期為大斷面機械化施工提供參考。

1 工程概況與機械化施工主要問題

1.1 工程概況

鄭萬高速鐵路湖北段全長約287 km，起于襄陽，止于巴東，設計行車速度為350 km/h。因香樹灣隧道跨湖北、重慶兩省省界，故湖北段共分布隧道32.5座，其中，長度超過10 km的隧道有7座，隧道總長167.619 km，約占湖北段線路總長的58.4%，具有隧線比大的特點。隧道開挖采用2種主要工法，即全斷面法和微臺階法。開挖斷面面積約150 m2，跨度15 m，屬于單洞雙線特大跨度隧道。湖北段隧道軟弱圍巖段占比較大。圍巖級別占比見表1。

表1 圍巖級別占比

1.2 機械化配套施工概況及主要問題

與人工分部開挖法相比，機械化全斷面法施工質量高、開挖次數少、對圍巖擾動小、初期支護封閉及時，更有利于控制圍巖的穩定性，而目前所采用的支護結構參數、施工工藝、管理措施大多是基于人工分部法的研究成果和經驗，已難以適應機械化全斷面法，主要可以歸結為以下4個問題。

1)掌子面穩定性控制。全斷面法開挖面積大，掌子面擠出位移大，當擠出位移達到一定限值時，掌子面即出現失穩、坍塌，從而導致整條隧道的穩定性受到極大影響。因此，控制掌子面的穩定性是保證全斷面開挖隧道圍巖穩定性的關鍵，需要對超前支護、掌子面加固參數進行調整。

2)支護結構參數優化調整。大量現場支護結構應力應變、位移測試結果表明圍巖壓力小于規范值，支護結構整體處于安全狀態。因此，支護結構存在優化空間，有必要對支護結構進行優化。

3)機械化施工工法及施工工藝參數。機械化大斷面法主要依靠大型機械進行作業，這與傳統人工鉆爆法有很大的區別，沿用傳統人工鉆爆法的施工工藝流程和安全步距明顯是不合理的。因此，制定合理的施工流程和安全步距、充分利用大型機械的優勢是提高施工效率、降低施工成本的關鍵。

4)機械化施工信息化管理。目前，在隧道工程中，信息化管理比較落后，許多工作仍停留在關系數據庫甚至文件型數據的管理上。對于多樣的來源不能進行有效的組織利用，這使得隧道勘察、施工、維護停留在一個比較低的水平，同時，大量的管理工作需要依靠人工，效率低且工作量大，而且容易出現人為錯誤。因此，建立科學、及時、客觀、透明的信息化項目管理平臺，確保施工信息及時上傳、各方共享，是大斷面隧道安全快速標準化施工的前提。

2 掌子面穩定性控制

通過現場觀察和調研鄭萬高鐵其他隧道的掌子面穩定狀態，建立了掌子面圍巖穩定性分級方法,見表2。掌子面穩定性現場圖如圖1所示。

表2 掌子面穩定性分級

(a) 整體穩定

(b) 局部不穩定

(c) 上半斷面不穩定

(d) 全斷面不穩定

圖1掌子面穩定性現場圖

Fig. 1 Field photos of tunnel face stability

根據鄭萬高鐵隧道1 107份掌子面素描樣本統計數據及現場所采用的掌子面支護措施和參數，提出了基于巖石堅硬程度、巖體完整程度、地下水3項指標的掌子面穩定性綜合分級方法(見表3)及穩定性處理措施(見表4)。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖均為A級，未在表中單獨列出。

表3 掌子面穩定性綜合分級

表4 掌子面穩定性處理措施

3 支護結構參數優化調整

3.1 支護結構參數優化內容

鄭萬高鐵隧道支護參數優化采用循序漸進的方法。截至目前，鄭萬高鐵隧道超前支護參數主要進行了1次優化，優化內容及過程見表5；洞身支護參數主要進行了4次優化，優化內容及過程見表6和表7。

表5 超前支護參數優化內容及過程

表6 I級機械化配套洞身支護優化內容及過程

Table 6 Optimization content and process of class I mechanized support

優化過程設計圖版本優化內容通用設計圖A第1次優化第1版設計圖B 施工工法由分部法優化為全斷面法和微臺階法

表7 Ⅱ級機械化配套洞身支護優化內容及過程

Table 7 Optimization content and process of class Ⅱ mechanized support

優化過程設計圖版本優化內容通用設計圖A第1次優化第1版設計圖B 施工工法由分部法優化為全斷面法和微臺階法第2次優化第2版設計圖C 傳統砂漿錨桿優化為低預應力錨桿 鋼架由10單元分段優化為8單元分段 拱架縱向連接筋由焊接優化為套筒連接第3次優化第3版設計圖D Ⅲ級圍巖錨桿環向間距增加0.3 m Ⅳ級圍巖錨桿間距增加0.3 m,拱架間距增加0.2 m第4次優化第4版設計圖E 初期支護噴射混凝土由C25提高為C30 取消Ⅳ1級圍巖(穩定性好的硬巖)格柵鋼架 Ⅲ、Ⅳ級圍巖二次襯砌厚度減小5 cm,Ⅴ級圍巖二次襯砌厚度減小10 cm

第4版超前支護和洞身支護設計參數分別見表8和表9。

表8第4版超前支護設計參數

Table 8 Design parameters of advance support in 4th edition

表9 第4版洞身支護設計參數

3.2 支護結構安全性評價

為評價優化后洞身支護結構的安全性，在鄭萬高鐵湖北段楊家坪隧道、古夫隧道出口等共計5個Ⅰ級工區以及高家坪隧道、保康1號橫洞、羅家山橫洞等共計15個Ⅱ級工區，開展了掌子面地質素描、應力應變測試工作，共設初期支護監測斷面98個，二次襯砌監測斷面34個，測試斷面統計見表10。

表10 測試斷面統計

3.2.1 Ⅰ級機械化配套支護結構安全性評價

根據Ⅰ級機械化配套工區41個初期支護監測斷面數據分析可知，錨桿最大軸力為65.32 kN，鋼架最大應力為159.4 MPa，初期支護最小安全系數為2.07，表明初期支護整體處于安全狀態。Ⅰ級機械化配套工區初期支護安全性評價見表11。

基于Ⅰ級工區各種工況下14個二次襯砌監測斷面數據結果分析可知，二次襯砌實測最小安全系數是規范值的3.2倍，表明二次襯砌整體處于安全狀態。 Ⅰ級機械化配套工區二次襯砌安全系數統計結果見表12。

表11 Ⅰ級機械化配套工區初期支護安全性評價

表12 Ⅰ級機械化配套工區二次襯砌安全系數統計結果

Table 12 Statistical results of safety coefficient of secondary lining in class Ⅰ mechanized workshop area

圍巖級別埋深結構安全系數比值(二次襯砌實測值/規范控制值)最大值最小值Ⅳ深埋9.253.2

3.2.2 Ⅱ級機械化配套支護結構安全性評價

根據Ⅱ級機械化配套工區各種工況下57個初期支護監測斷面數據結果分析可知，錨桿最大軸力為58.06 kN，鋼架最大應力為107.05 MPa，初期支護最小安全系數為2.26，均滿足規范要求，表明初期支護整體處于安全狀態。 Ⅱ級機械化配套工區初期支護安全性評價見表13。

表13 Ⅱ級機械化配套工區初期支護安全性評價

基于Ⅱ級工區各種工況下20個二次襯砌監測斷面數據結果分析，二次襯砌實測最小安全系數是規范值的2倍，表明二次襯砌整體處于安全狀態。Ⅱ級機械化配套工區二次襯砌安全系數統計結果見表14。

通過以上分析可知，Ⅰ級機械化配套工區洞身段支護設計參數優化后，初期支護整體處于安全狀態；Ⅱ級機械化配套工區洞身段支護設計參數優化后，初期支護及二次襯砌整體處于安全狀態。

表14 Ⅱ級機械化配套工區二次襯砌安全系數統計結果

Table 14 Statistical results of safety coefficient of secondary lining in class Ⅱ mechanized workshop area

圍巖級別埋深結構安全系數比值(實測值/規范控制值)最大值最小值Ⅳ深埋10.31 2 Ⅴ深埋8.68 4.94 淺埋13.03 10.58

4 機械化施工工法研究

4.1 開挖方法研究

在機械化配置條件下，鄭萬高速鐵路隧道形成了2種主要工法，即全斷面法和微臺階法。全斷面法即含仰拱1次全環開挖，開挖完成后初期支護立即閉合成環；微臺階法分上下臺階、仰拱2次開挖，2次支護。2種工法的比較見表15。

4.1.1 全斷面法施工工序

全斷面法施工采用掌子面1次鉆眼爆破，全環1次支護，初期支護及時封閉成環。具體施工工序如圖2所示。

表15 全斷面法與微臺階法比較

圖2 全斷面法施工工序

4.1.2 微臺階Ⅰ法施工工序

微臺階Ⅰ法施工采用掌子面拱墻、仰拱2次鉆眼爆破，初期支護2次支護封閉成環。具體施工工序如圖3所示。

4.1.3 微臺階Ⅱ法施工工序

微臺階Ⅱ法施工采用掌子面上、下臺階(含仰拱)1次鉆眼爆破，1次施作本循環上臺階初期支護和上一循環下臺階(含仰拱)初期支護。上臺階長度為2～3 m，初期支護封閉距離為2～3 m。具體施工工序如圖4所示。

4.2 循環進尺

通過對鄭萬高鐵隧道各工區不同圍巖級別、施工工法開挖循環進尺與穩定性之間的相關性統計分析，給出了各工況條件下適用的合理開挖循環進尺，見表16。

圖3 微臺階Ⅰ法施工工序

圖4 微臺階Ⅱ法施工工序

Table 16 Reasonable excavation circulating footage under various working conditions

施工工法圍巖級別開挖循環進尺/m全斷面法 Ⅲ5Ⅳ4Ⅴ3微臺階Ⅰ法Ⅲ5Ⅳ4Ⅴ3微臺階Ⅱ法Ⅴ3

4.3 支護封閉安全步距確定

在鄭萬高鐵機械化隧道施工中發現，目前規范規定的安全步距(初期支護封閉安全步距Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖不得大于35 m；二次襯砌安全步距Ⅳ級圍巖不得大于90 m，Ⅴ、Ⅵ級圍巖不得大于70 m)已難以滿足隧道機械化配套快速施工作業要求，制約了機械化配套施工工效的發揮。考慮到隧道機械化施工的要求，綜合隧道支護安全、爆破影響范圍、施工組織及大型機械擺放等因素，提出了適合機械化隧道施工的安全步距。

1) 綜合考慮隧道初期支護的安全性、爆破影響范圍、施工組織及大型機械擺放等因素，確定初期支護安全步距為70 m，具體見表17。

2) 綜合考慮隧道初期支護以及二次襯砌的安全性、爆破影響范圍、施工組織及大型機械擺放等因素，確定二次襯砌安全步距為200 m，具體見表18。

表17 初期支護安全步距

4.4 機械化配套

鄭萬高鐵隧道機械化配套涵蓋超前支護、鉆爆開挖、初期支護、二次襯砌等4大作業工區主要工序，具有系統性強、規模大等特點。按照配置機械完備程度，分為Ⅰ級機械化配套和Ⅱ級機械化配套2種。Ⅰ級機械化配套機械主要包括風動鑿巖鉆機、多功能鉆爆作業臺架、混凝土濕噴機、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車、整體移動式溝槽模板等；Ⅱ級機械化配套機械主要在Ⅰ級機械化配套的基礎上增加以下大型機械： 2臺三臂鑿巖臺車、1臺錨桿鉆注一體機、1臺自行式液壓拱架安裝臺車、1臺防水板作業臺車、1臺襯砌模板臺車、1臺移動式混凝土養護臺架。其中，Ⅱ級機械配套承擔15座隧道的正洞施工任務，施工長度約91.135 km；Ⅰ級機械配套承擔6座隧道的施工任務。Ⅰ級和Ⅱ級機械化配套施工作業工區分別如圖5和圖6所示。

表18 二次襯砌安全步距

注： 部分隧道采用微臺階Ⅱ法施工中仰拱滯后掌子面施作。

圖5 Ⅰ級機械化配套施工作業工區

圖6 Ⅱ級機械化配套施工作業工區

5 機械化施工工藝參數確定

5.1 超挖控制

現場平均線性超挖量統計見表19。

表19各級圍巖平均線性超挖量

Table 19 Average linear over-excavation of each grade of surrounding rock

cm

為控制現場超挖量，采取了以下措施：

1)加強鉆爆設計的動態優化工作，特別是對周邊眼的間距裝藥結構等進行動態調整。

2)在保證施工安全的情況下，掌子面預留約1榀鋼架的間距暫不立拱，以確保鉆臂能夠有效控制外插角。

3)采用雙層周邊長、短眼相結合的方式控制超欠挖。炮孔布置如圖7所示，長短炮孔示意圖如圖8所示。

4)對于穩定性極差的圍巖，采用周邊短眼不裝藥、二圈長眼按正常周邊眼藥量裝藥的手段能有效緩解對周邊圍巖的破壞。

圖7 炮孔布置圖 (單位： cm)

圖8 長短炮孔示意圖 (單位： mm)

5.2 高壓劈裂注漿施工工藝

鑒于傳統的滲透注漿或壓密注漿對于滲透性較差的軟弱圍巖難以達到理想的注漿加固效果，鄭萬高鐵隧道針對軟弱圍巖采用高壓劈裂注漿工藝，提升漿液的可灌性和擴散距離，以達到理想的圍巖加固效果。傳統注漿與高壓劈裂注漿加固效果對比見表20。

表20傳統注漿與高壓劈裂注漿加固效果對比

Table 20 Comparison of reinforcement effect between traditional grouting and high pressure splitting grouting

5.2.1 施工工藝

高壓劈裂注漿流程和注漿參數分別如圖9和表21所示。

5.2.2 效果對比分析

通過對羅家山隧道傳統注漿與高壓劈裂注漿2種注漿方式下區段支護的變形測試結果進行分析可知，高壓劈裂注漿區段較傳統注漿區段支護變形值減小約30%。高壓劈裂注漿前后拱頂下沉值對比如圖10所示。

5.3 低預應力錨桿施工工藝

傳統錨桿對圍巖的加固屬于被動型加固，加固效果不佳。基于大型機械化施工優勢，鄭萬高鐵隧道采用低預應力錨桿對圍巖進行加固，通過旋緊桿體使錨桿前端漲殼頭張開，并通過旋緊安裝在孔口的螺母，使錨桿墊板與圍巖有效接觸，給錨桿施加一定的初錨力(預應力)，促使圍巖及時形成壓力拱效應，以達到主動加固圍巖、提升圍巖自穩性的效果。預應力錨桿工作原理如圖11所示。低預應力錨桿與傳統錨桿加固效果對比見表22。

5.3.1 施工工序

預應力錨桿施工工序如圖12所示。

5.3.2 效果對比分析

在Ⅳ級深埋全斷面法條件下開展了砂漿錨桿、YE錨桿、DCP錨桿作用效果對比試驗，結果表明： 3種錨桿均呈受拉狀態，YE錨桿和DCP錨桿軸力值提升了1.6～2.4倍。現場測試結果見圖13。

(a) 循環式高壓注漿流程

(b) 超前小導管高壓注漿流程

圖9高壓劈裂注漿流程

Fig. 9 Flowchart of high pressure splitting grouting

表21 高壓劈裂注漿參數

圖10 高壓劈裂注漿前后拱頂下沉值對比

Fig. 10 Comparison of crown top settlement before and after high pressure splitting grouting

5.4 高強噴射混凝土

采用C30高強噴射混凝土代替C25噴射混凝土，并采用混凝土濕噴臺車施工，提高了支護結構的安全性，保障了噴射混凝土施工質量。C25、C30噴射混凝土抗壓強度見表23。

(a) 預應力施加原理

(b) 預應力錨桿加固原理

表22 低預應力錨桿與傳統錨桿加固效果對比

圖12 預應力錨桿施工工序

為提高Ⅴ級圍巖初噴混凝土早期強度，現場開展了C40高強噴射混凝土早期強度試驗。C40噴射混凝土抗壓強度如表24所示。

6 隧道信息化管理研究

6.1 項目管理信息平臺

武九公司項目管理信息平臺通過輕量化BIM技術，實現了鐵路工程的結構分解，為項目管理提供了最小化、標準化、格式化的過程控制單元。其將過程控制單元與質量檢驗批、形象進度、驗工計價、安全風險等數據關聯，以驗工計價資金支付為抓手，促進施工單位主動進行工程質量、安全、進度的過程控制，把傳統的結果管理推向了過程控制，并結合物聯網、互聯網技術、BIM技術，實現了鐵路工程建設項目的數字化、可視化、流程化、標準化管理。項目管理信息平臺結構如圖14所示。其中，隧道信息化管理是平臺中的一個重要功能模塊。

6.2 隧道信息化管理

為實時掌握隧道建設動態、有效指導隧道的設計與施工，在武九公司信息平臺上開發了隧道信息化管理模塊，通過物聯網、互聯網實現隧道超前地質預報、圍巖變形量測、超欠挖分析、支護參數確定、進度計劃編制、施工過程記錄等數據信息的采集、分析與應用來實現隧道風險管控。隧道信息化管理平臺如圖15所示。

6.3 隧道施工風險管控方法

為全面管控隧道機械化施工風險，基于超前地質預報、超前預加固、超欠挖、初期支護質量、監控量測5項指標信息，提出了隧道施工風險3級管控方法，即將掌子面分為可控、基本可控和不可控3級，并相應給出管控措施。施工動態管理系統如圖16所示。

(a) 砂漿錨桿軸力時程曲線

(b) 砂漿錨桿軸力分布圖(最大軸力值7.4 kN)

(c) YE錨桿軸力時程曲線

(d) YE錨桿軸力分布圖(最大軸力值23.95 kN)

(e) DCP錨桿軸力時程曲線

(f) DCP錨桿軸力分布圖(最大軸力值22.95 kN)

Table 23 Compressive strength of C25 and C30 concrete MPa

噴射混凝土強度等級1 d早期強度28 d最終強度C251028C301533

表24 C40噴射混凝土抗壓強度

圖14 項目管理信息平臺

圖15 隧道信息化管理平臺

圖16 施工動態管理系統

6.3.1 評價指標輸入

鄭萬高鐵施工動態管理系統主要根據超前地質預報、超前預加固、超欠挖、初期支護質量、監控量測等5項指標進行隧道作業面分類管控。其中，超前地質預報信息、超前預加固信息、超欠挖信息、監控量測信息來源于施工信息采集系統，初期支護信息來源于質量評價系統。

6.3.2 指標評估

5項指標的評估主要根據設計資料、TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[7]、TB 10204—2002《鐵路隧道施工規范》、QCR 9604—2015《高速鐵路隧道施工技術規程》、TB 10417—2003《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》、TB 10753—2010《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》等評定標準采用分級評估的方法進行，具體評估方法見文獻[8]。

6.3.3 作業面分類及管控措施

超前地質預報、超前預加固、超欠挖、初期支護質量、監控量測等5項分類指標評估后，根據不可控、基本不可控指標數量將作業面分為可控、基本不可控、不可控3類并給出相應管控措施。具體分類標準及管控措施見表25。

7 隧道智能化技術應用研究

在國家制造業和鐵路發展戰略規劃指導下，高速鐵路隧道建設必須實現機械化、信息化、智能化，從而成為鐵路建設率先實現現代化的重要標志之一。隨著機械化、信息化的深度融合，鄭萬高速鐵路隧道已經具備了智能化建造的基礎和優勢，其將先進的信息網絡技術、大數據分析方法、人工智能技術與智能化隧道施工裝備及修建技術相結合，實現了隧道智能化設計、施工和管理。鄭萬高鐵智能化建造總體技術路線見圖17。

表25 分類標準及管控措施

圖17 鄭萬高鐵智能化建造總體技術路線

8 結論與展望

結合我國高速鐵路隧道機械化、信息化建設現狀，以鄭萬高鐵湖北段為背景，通過現場試驗、資料調研、理論分析等方法，對大斷面隧道機械化施工開展了研究，目前已取得以下成果：

1) 提出了掌子面穩定性綜合分級方法及穩定性控制措施；

2) 對超前支護、洞身支護參數進行了優化；

3) 成功試驗并推廣了全斷面法和微臺階法2種施工工法；

4) 解決了高壓劈裂注漿、低預應力錨桿、超挖控制、高強度初噴混凝土等施工工藝問題；

5) 搭建了可自動收集、分析與判識多指標的信息化項目管理平臺，建立了基于施工動態管理的隧道作業面分類管理方法。

目前這些研究成果已經成功推廣到鄭萬高鐵湖北段36個隧道工區，極大提高了鄭萬高鐵湖北段隧道建設的機械化水平。在下一階段將繼續對大斷面隧道機械化施工方法進行優化和探索，實現真正的機械化和智能化。