大跨度公路隧道機(jī)械化施工參數(shù)優(yōu)化研究

白 浪 峰

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710075 )

與隧道工程發(fā)達(dá)國家相比，我國的隧道工程起步較晚，隧道設(shè)計(jì)和施工理念與外國存在一定差異。與其他工程相比，隧道工程隱蔽項(xiàng)目較多，而且施工工序復(fù)雜，工序銜接緊湊，工程質(zhì)量控制難度大，這些因素導(dǎo)致隧道存在一些質(zhì)量通病，如噴射混凝土厚度不足[1]、錨桿長度和數(shù)量不足、錨桿施作角度不符合設(shè)計(jì)要求、錨桿注漿不飽滿等問題[2-6]，引起初期支護(hù)結(jié)構(gòu)局部受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫，甚至滲水，影響隧道工程的使用壽命[7-9]。

機(jī)械化施工能夠加快施工進(jìn)度、節(jié)約勞動(dòng)力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工條件、提高工程質(zhì)量、降低工程成本、有利于隧道工程質(zhì)量品質(zhì)提升，因此，大型機(jī)械化施工是今后隧道施工的發(fā)展方向[10-12]。

目前在安全九條規(guī)定等國家法律法規(guī)和地方法律法規(guī)的要求下，隧道施工全面推行機(jī)械化施工，逐步實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的目的[13]。與隧道機(jī)械化施工趨勢相比，我國的隧道工程的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法逐漸不能滿足當(dāng)前趨勢的要求，比如三臺(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等工法無法給大型施工設(shè)備提供足夠的作業(yè)空間，加之現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范基于傳統(tǒng)的人工開挖方法對(duì)隧道安全步距規(guī)定過于嚴(yán)格，使得各種大型機(jī)械施工設(shè)備無法充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，施工效率低下，并未真真正正的參與到隧道施工中[14-15]。

鑒于上述現(xiàn)實(shí)問題，有必要針對(duì)隧道開挖方式、臺(tái)階高度、掌子面穩(wěn)定、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、安全步距展開優(yōu)化研究，為大型機(jī)械設(shè)備施工創(chuàng)造有利條件，促進(jìn)隧道機(jī)械化施工有效率地安全推進(jìn)。

1 工程概況

某典型公路隧道為分離式雙向六車道隧道，隧道單線總長4 405 m，全線單向縱坡為2.45%，橫坡為-4%～2%，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，隧道洞身穿越地段以灰?guī)r、白云巖為主，存在巖溶、突泥突水等不良地質(zhì)情況，其中Ⅴ級(jí)圍巖340 m，占總長7.7%，Ⅳ級(jí)圍巖4 065 m，占總長的92.3%。

以IV級(jí)圍巖段為例，隧道凈跨度16.8 m，原設(shè)計(jì)采用三臺(tái)階開挖，開挖斷面約155 m2。支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)和機(jī)械化施工的主要問題

設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法應(yīng)該與當(dāng)前生產(chǎn)力水平相適應(yīng)，當(dāng)前生產(chǎn)力水平?jīng)Q定和制約了設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。我國生產(chǎn)建設(shè)在很長一個(gè)階段以勞動(dòng)密集型為主，這就決定了隧道施工時(shí)錨桿不能太長、鋼拱架型號(hào)不能太高、作業(yè)空間不能太大，否則單憑人力和小型工具無法按照設(shè)計(jì)要求把支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝到位。因此，適合于人力施工的設(shè)計(jì)方法與大型機(jī)械化施工無法匹配，制約了隧道機(jī)械化施工的發(fā)展。

分析大型機(jī)械設(shè)備的操作方法和作業(yè)空間，目前隧道機(jī)械化施工主要存在以下三個(gè)問題:

(1) 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。由于隧道的原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)是與以人工為主的施工方式相匹配的，因此，機(jī)械化施工勢必改變傳統(tǒng)的人工開挖方式，相應(yīng)地，原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)存在優(yōu)化空間，有必要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，滿足機(jī)械化施工的需要。

(2) 機(jī)械化施工工法及施工工藝參數(shù)。機(jī)械化大斷面法主要依靠大型機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，這與傳統(tǒng)人工鉆爆法有很大的區(qū)別，沿用傳統(tǒng)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(jī)械的優(yōu)勢是提高施工效率、降低施工成本的關(guān)鍵。

(3) 掌子面的穩(wěn)定性。為了滿足機(jī)械的作業(yè)空間，視圍巖質(zhì)量的好壞程度，隧道開挖方法以全斷面法和臺(tái)階法為主。此時(shí)大跨度隧道掌子面自由面積較大，掌子面容易出現(xiàn)失穩(wěn)、坍塌。因此，控制掌子面的穩(wěn)定是保證隧道機(jī)械化施工的一個(gè)關(guān)鍵因素。

3 機(jī)械化施工參數(shù)的優(yōu)化

3.1 臺(tái)階高度優(yōu)化

本隧道采用全電腦自動(dòng)三臂鑿巖臺(tái)車開挖，支護(hù)采用拱架安裝機(jī)械手，以期達(dá)到機(jī)械化換人的目的。三臂鑿巖臺(tái)車長17.36 m×寬3.00 m×高3.66 m，最小作業(yè)高度為5.5 m。原設(shè)計(jì)方案采用三臺(tái)階法開挖，臺(tái)階高度無法滿足三臂鑿巖臺(tái)車的作業(yè)空間要求，優(yōu)化后的開挖方案采用上下臺(tái)階法開挖，臺(tái)階分界線比設(shè)計(jì)標(biāo)高高1 m，最高作業(yè)空間高達(dá)7.8 m。臺(tái)階法施工橫斷面如圖1所示。同時(shí)，由于開挖空間增大，原設(shè)計(jì)噴射混凝土厚度從22 cm調(diào)整為25 cm，其他參數(shù)維持不變。

圖1 臺(tái)階法橫斷面

選取埋深76 m的隧道斷面分析現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的安全性。巖土、噴射混凝土、型鋼拱架的物理參數(shù)如表2—表4所示。

表2 圍巖物理參數(shù)

表3 噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

表4 型鋼力學(xué)參數(shù)

采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，模型左右及下邊界取3倍隧道跨徑，左右邊界固定x方向位移，底部邊界固定y方向位移。隧道開挖有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

隧道初次襯砌的軸力和彎矩如圖3、圖4所示。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](JTG D70—2004)的要求，求得初次襯砌的抗拉安全系數(shù)最小值為4.9，抗壓安全系數(shù)最小值為2.2，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖3 軸力圖(極值-2 160 kN/m)

圖4 彎矩圖(極值-40.2 kN·m/m)

3.2 臺(tái)階長度的確定

由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)安全步距規(guī)定過小，大型設(shè)備無法充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，因此有必要展開滿足機(jī)械化施工的安全步距研究。采用三維隧道模型來計(jì)算臺(tái)階長度對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，臺(tái)階長度分別取50 m、70 m、80 m、90 m，數(shù)值模型如圖5、圖6所示。

以臺(tái)階長度80 m的結(jié)果為例，說明臺(tái)階長度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。圖7為隧道開挖后的位移云圖，隧道拱頂沉降值為7.26 mm，圖8為隧道開挖后的塑性區(qū)分布，可以看出隧道徑向塑性區(qū)范圍為4.0 m，掌子面后巖體塑性區(qū)范圍為3.3 m。

圖5 隧道3D模型

圖6 襯砌與錨桿模型(局部)

圖7 隧道位移云圖

鑒于篇幅，其他工況的結(jié)果不予展示。經(jīng)過分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)臺(tái)階長度為80 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)和噴射混凝土的拉應(yīng)力增長比較快，拱腰部位的塑性區(qū)超過了錨桿的長度，錨桿可能發(fā)揮不了作用。噴射混凝土抗拉安全系數(shù)為1.2。當(dāng)臺(tái)階長度為90 m時(shí)，拱腰部位的塑性區(qū)達(dá)到4.9 m，大大超過錨桿長度，噴射混凝土抗拉強(qiáng)度大于C25混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)偏于不安全。綜合考慮施工速度和施工質(zhì)量、支護(hù)結(jié)構(gòu)未封閉時(shí)長、支護(hù)安全系數(shù)等因素，隧道臺(tái)階長度定為80 m，隧道施工時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

圖8 隧道塑性區(qū)分布

3.3 掌子面穩(wěn)定措施

隧道圍巖以灰?guī)r和白云巖為主，單軸飽和抗壓強(qiáng)度35 MPa，結(jié)構(gòu)面組數(shù)1組～3組，平均間距0.4 m～0.9 m，巖石較破碎。根據(jù)地勘報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，場地地下水不發(fā)育。掌子面地質(zhì)情況如圖8所示。

圖9隧道掌子面地質(zhì)情況

基于上述基本指標(biāo)，設(shè)計(jì)要求開挖后立即噴射5 cm厚混凝土封閉掌子面，保證掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)可能存在的突泥等不利情況，采用6 m長玻璃纖維錨桿對(duì)掌子面進(jìn)行局部加強(qiáng)。玻璃纖維錨桿易切割且不占據(jù)掌子面施工空間，配合大型機(jī)械能提高施工效率，確保機(jī)械化施工的順利進(jìn)行。

4 機(jī)械化配套及施工工藝參數(shù)

隧道機(jī)械化施工大致分為四個(gè)作業(yè)區(qū)，分別為超前支護(hù)區(qū)、開挖區(qū)、初期支護(hù)區(qū)和二次襯砌區(qū)。根據(jù)機(jī)械化施工的作業(yè)規(guī)模和工序，項(xiàng)目配置了三臂鑿巖臺(tái)車、裝載機(jī)、運(yùn)渣車、多功能拱架安裝臺(tái)車、錨桿鉆注機(jī)、濕噴臺(tái)車、自行式仰拱棧橋、自動(dòng)防水板掛布臺(tái)車、二襯臺(tái)車、二襯修復(fù)/自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車、電纜溝槽臺(tái)車、電動(dòng)混凝土輸送泵等機(jī)械設(shè)備。隧道施工分區(qū)和施工步序如圖10所示。根據(jù)隧道跨度，掌子面附近配置2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車同時(shí)作業(yè)，鑿巖臺(tái)車長17.36 m×寬3.00 m×高3.66 m，所需最小作業(yè)高度為5.5 m。多功能拱架安裝臺(tái)車長9.60 m×寬2.80 m×高3.28 m，舉升高度可達(dá)13 m。自行式仰拱棧橋凈長24 m，能夠確保仰拱混凝土和邊墻混凝土防水系統(tǒng)保持一致。

圖10隧道施工分區(qū)和施工步序

基于錨桿鉆注機(jī)的機(jī)械優(yōu)勢，通過旋緊螺母，使得錨桿墊板與圍巖密貼，給錨桿施加一定的低預(yù)緊力，達(dá)到主動(dòng)加固圍巖的效果。采用較稠的水泥砂漿充填錨桿鉆孔，提高粘結(jié)體和圍巖之間的粘結(jié)強(qiáng)度，錨桿的抗拉拔力顯著大于傳統(tǒng)錨桿。經(jīng)試驗(yàn)研究，水泥砂漿的水灰比為0.5～0.6，28 d后強(qiáng)度可達(dá)20 MPa。

5 結(jié)論和建議

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人力成本的逐漸上升，隧道機(jī)械化施工是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。本文根據(jù)大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)基本空間和工序，對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，使之適應(yīng)機(jī)械化施工。得出以下結(jié)論：

(1) 原設(shè)計(jì)三臺(tái)階法優(yōu)化為上下臺(tái)階法，增加初次襯砌厚度，保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并為大型施工設(shè)備提供必要的作業(yè)空間。

(2) 增大上臺(tái)階開挖長度，滿足鑿巖臺(tái)車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、棄渣車共同作業(yè)需求，保證施工銜接順利。

(3) 做好掌子面素描工作，對(duì)于掌子面巖體極破碎或地下水發(fā)育等地質(zhì)情況，采用6 m長玻璃纖維錨桿對(duì)掌子面進(jìn)行局部加強(qiáng)，保證掌子面穩(wěn)定。