大斷面高速公路隧道機械化施工工法設計優化研究

辛講合 白浪峰 馬建云

摘 要：文章分析了目前機械化施工的現狀與問題，對適應機械化施工的臺階法臺階高度和安全步距進行了優化設計，并進行理論分析和數值模擬；提出了對隧道初期支護參數的優化，根據監控量測數據顯示優化設計是合理可行的，為大斷面隧道機械化施工提供了一定的參考。

關鍵詞：機械化施工 臺階法 安全步距

隧道施工屬于高風險工作，隧道坍塌安全事故仍多發。基于以上安全隱患，目前在國家和地方法律法規的要求下，在隧道施工中全面推行機械化施工已勢在必行。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。

1.工程概況

本文依托貴黃高速控制性工程之一的龍昌隧道，單洞長度2170m，隧道采用分離式設計，為雙洞六車道，設計時速100km/h，隧道內輪廓凈寬15.59m，凈高8.0m，Ⅳ級圍巖開挖斷面平均151.2m3。隧道洞身穿越地層為奧陶系下統桐梓組（O1t）灰巖、寒武系中上統婁山關群（∈2～3ls）白云巖。Ⅴ級圍巖340m，占總長7.8%，Ⅳ級圍巖4000m，占總長的92.2%。Ⅳ級圍巖隧道設計開挖工法采用上下斷面環向開挖預留核心土法和三臺階法。

2.機械化施工面臨的現狀與問題

（1）目前隧道機械化施工現狀。目前國內隧道施工在大面積推行機械化施工，但在許多隧道施工中，施工單位迫于推行機械化施工的壓力，配備了各種大型設備，但受到安全步距、開挖工法等影響，造成大型機械設備無法充分發揮自身優勢、效率低下、形同擺設，并未真真正正的運用到隧道施工中。

（2）施工工法存在問題剖析。目前國內按相關規范設計的臺階法，上臺階高度一般為5～6m，無法滿足大型機械設備施工空間要求，如三臂鑿巖臺車長17.362m×寬3m×高3.664m（作業時高5.5m），按照設計的上下臺階預留核心土工法，三臂鑿巖臺車無法進行鉆爆作業，如按照常規的上下臺階法，掌子面只能供一臺鑿巖機施展，且三個機械臂不能覆蓋全部掌子面，需要移動位置（重新放樣供鑿巖臺車定位），相比人工打眼功效較低，用時較長；為了能發揮大型機械設備的功效，在保證安全條件下，需要適當增大臺階高度。

（3）安全步距存在問題剖析。仰拱采用自行式液壓棧橋，配套仰拱模板，液壓仰拱棧橋行走靈活，施工方便快捷，有效利用長度為24m；仰拱弧形模板可使仰拱整體一次成型，避免了多次接縫，確保仰拱整體受力，而且可同時澆筑仰拱回填和下一模的仰拱，形成流水作業，加快施工進度。但液壓棧橋自身長度44m，仰拱距下臺階長度需30m，下臺階左右兩側需錯開10m，上臺階至少需35m才能供兩臺鑿巖臺車同時進行施工。但國內施工安全步距要求，四級圍巖掌子面距仰拱僅50m，嚴重制約機械化施工。

綜上所述，隧道機械化施工的推行，受到安全步距和開挖工法的影響，高成本投入，起不到良好的效果，比起傳統人工施工，機械化功效的優勢并未體現，已進入瓶頸階段，因此迫切需要進行一些嘗試，從設計方面尋求理論支持，從其他方面增加安全保障措施，以破解目前推行機械化施工面臨的困局。

3.機械化施工工法優化

3.1臺階法理論分析

臺階法是新奧法中適用性最廣的施工方法，多適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖中。它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進行開挖。針對三車道大跨度斷面的公路隧道而言，國內規范中，也明確了全斷面法適用于I-II級、巖質較完整的硬質圍巖中，而臺階法適用于III-V級圍巖。隨著臺階長度的調整，它幾乎可適用于所有的地層。因此龍昌隧道采用臺階法是合適的，不適合采用全斷面法開挖。

臺階法優點：開挖具有足夠的作業空間和較快的施工速度，有利于穩定，上部開挖支護后，下部作業較安全。缺點：上下部作業互相干擾，臺階開挖會增加對圍巖的擾動次數等。

臺階的具體高度在規范中未有明確指定，可根據圍巖情況、掌子面附近的水文地質條件等情況具體而定。

3.2施工工法優化設計

（1）開挖方法調整。由原設計的上下臺階環形留核心土法開挖調整為上下臺階法開挖，同時盡量加大上臺階高度。開挖、支護順序說明：①拱部超前小導管注漿預支護；②上臺階開挖；③上半斷面初期支護；④下半斷面左側開挖；⑤下半斷面左側初期支護；⑥下半斷面右側開挖；⑦下半斷面右側初期支護；⑧澆注仰拱；⑨敷設防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

（2）安全步距調整。根據機械化配套施工作業面展開距離需要，Ⅳ級圍巖仰拱與掌子面距離按不超過80m。

3.3施工工法優化數值模擬計算

3.3.1臺階法安全性數值模擬計算

（1）開挖臺階高度調整計算。采用平面應變模型對隧道的臺階開挖高度展開研究，當臺階分界線比設計標高高1m時，最高作業空間達7.8m，根據隧道初期支護結構有限元計算，隧道初期支護結構的最小抗壓安全系數為2.4，最小抗拉安全系數為4.6，滿足規范要求。

3.3.2安全步距調整計算

（1）安全步距調整計算。安全步距適當拉大，掌子面距離仰拱開挖由原設計的50m，擬適當增大到80m。

（2）三維模型計算。通過分析，發現當開挖步距為80m時，拱頂最大沉降為7.26mm，圍巖塑性區和噴射混凝土的拉應力增長比較快，拱腰部位的塑性區區域超過了錨桿的長度，錨桿可能發揮不了作用；掌子面后巖體的塑性區也有小幅度增長，應做好掌子面附近的支護與排水工作；噴射混凝土抗拉安全系數為1.2，安全富余量不大。

當開挖步距為90m時，拱頂最大沉降為7.39mm，掌子面后塑性區急劇發展，噴射混凝土抗拉強度接近C25混凝土極限抗拉強度，基本沒有安全富余度。

綜上所述，建議本隧道IV級圍巖段掌子面距仰拱不超過80m，并在拱腰部位塑性區增設鋼架鎖腳錨桿并加長鎖腳錨桿長度。隧道施工中應結合現場監測數據、地質情況實時調整。

3.4支護參數設計優化

機械化施工所需要的臺階高度和安全步距均較人工開挖法大，對初期支護安全穩定系數要求更高。為保證施工安全和洞室穩定，應保證初期支護的施工質量。新奧法設計中初期支護采用錨網噴結構。對于龍昌隧道白云巖地段，應加強錨桿的作用和增加鋼架的安全穩定措施。初期支護結構優化設計在原設計基礎上增設了鋼拱架鎖腳錨桿數量，初期支護采用SN錨桿設計，錨桿注漿采用稠度更大的凈漿漿液，錨桿安裝12h后，用已標定的轉矩扳手擰緊螺母，錨墊板持力達到約20kN。類似施加預應力的效果，能更好地發揮錨桿的錨固作用。

4.優化試驗段監控量測及建議

4.1監控量測

對于施工工法臺階高度和安全步距的調整，在龍昌隧道Ⅳ級圍巖段進行試驗段研究測試，根據隧道多個斷面的工程實測拱頂沉降和周邊收斂數據來看，優化后的開挖方法引起的變形在正常范圍內，從實際效果證明了優化方案的可行性。

4.2施工建議

（1）臺階高度優化：加大上臺階高度至7.8m、上下臺階法開挖。

（2）安全步距調整：建議掌子面距離仰拱開挖按75m控制并不超過80m。

（3）初期支護調整：錨桿采用帶錨桿墊板的SN錨桿，加長和增設鋼架鎖腳錨桿。

5.結語

對于三車道大斷面隧道機械化施工時，施工工法采用上下臺階法是可行的。上臺階高度可達7.8m。施工中應根據監控量測結果及時調整開挖進尺及上臺階高度，確保施工安全。在初期支護穩定的前提下，掌子面距離仰拱開挖安全步距可適當放寬至不超過80m。

參考文獻：

[1]JTG/T D70-2010，公路隧道設計細則[S].北京：人民交通出版社，2010.

[2]JTG F90-2015，公路工程施工安全技術規范[S].北京：人民交通出版社，2015.