高速公路大斷面黃土隧道關鍵工序機械化配套研究

劉文學 竇建軍 王 樂 趙 盼 邱勝進

(1.中鐵工程裝備有限公司 鄭州 450016; 2.中鐵七局集團路橋工程有限公司 寶雞 721015;3.西安中鐵工程裝備有限公司 西安 710000)

在西部地區黃土地層隧道施工中，隧道的自穩性受到多種因素的影響，如黃土的自身工程特性[1]、不同飽和度下黃土地層的結構特性、與含水量變化有關的水敏性等[2]。因此，V類軟巖黃土隧道開挖仍以分部開挖法為主[3]。分部開挖法因其工序繁雜、施工空間小，使得隧道施工開挖、初支、出碴等關鍵工序機械化程度較低，施工進度慢，工程成本高，而黃土公路隧道往往是整個項目或全線的控制性工程，要求確保較快的施工速度。如何進行黃土隧道關鍵工序機械化配套從而實現快速施工，成為當前亟待解決的問題。

1 大斷面黃土隧道機械化配套影響因素

根據日本隧協建議的標準，將隧道開挖斷面為100～140 m2的定義為大斷面隧道。我國大斷面黃土隧道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開挖法的研究成果和經驗，已難以適應機械化大斷面施工[4]，其表現主要歸結為以下4個方面。

1.1 開挖面穩定性

為保證機械化施工必要的作業空間，大型機械化施工必須采用臺階法或全斷面施工，而大斷面隧道開挖斷面面積大、掌子面擠出位移大，當擠出位移達到一定限制時，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的影響[5]。另外含水量是影響大斷面黃土隧道圍巖及掌子面穩定性的主要因素，實踐經驗表明，大多數Q3砂質黃土的含水率在11.0%以下，當含水率大于11.0%之后其力學性質將會顯著變差[6]，因此，如何在保證大斷面黃土隧道開挖面穩定、拱頂下沉可控、初期支護及時可靠的前提下實現機械化配套施工是急需解決的技術難題。

1.2 錨桿支護匹配性

根據我國黃土隧道建設的工程經驗，系統錨桿的力學機制和作用效果一直存在爭議[7]，陳建勛等[8-9]通過對高速公路大斷面黃土隧道開展理論計算與大量現場試驗研究得出，黃土隧道拱頂錨桿以受壓為主，有無系統錨桿對隧道結構穩定性影響不大，建議取消系統錨桿。《公路隧道設計規范》[10]中系統錨桿設計選型主要以中空注漿錨桿或水泥砂漿錨桿等為主，該類錨桿除施工工藝復雜、錨桿施工全程機械化難度大外，普遍存在錨桿與圍巖匹配性差，錨桿與圍巖支護結構不耦合，導致錨桿施工質量差、失效率較高等缺點。因此，如何改變設計理念，創新錨桿支護動態設計方法，是提升初期支護工序錨桿支護質量及實現機械化施工的先決條件。

1.3 開挖-初支工序時空效應

大斷面黃土隧道采用鉆爆法或分部開挖時，掌子面開挖后至完成初期支護關鍵工序(噴漿、打錨桿、立鋼拱架)施作時空效應增長，圍巖無支護狀態持續越久，圍巖塑性范圍發生明顯擴展并向拱腰及拱肩進一步發展，上部圍巖開始產生變形并逐漸發展為較大的塑性變形，進而導致隧道失穩、坍塌。因此，采用機械化配套要盡可能縮短開挖后至初支的時間段，以盡可能小地減小圍巖的變形擴展。初支關鍵工序人工作業圖見圖1。

圖1 初支關鍵工序人工作業示意圖

1.4 支護封閉安全步距

大斷面黃土隧道采用鉆爆法或分部開挖時，現行的安全步距(初期支護封閉安全步距V類圍巖不得大于35 m，二次襯砌安全步距不得大于50 m)已難以滿足隧道機械化配套快速施工作業要求，嚴重制約了機械化成套施工裝備工效的發揮，因此在滿足隧道施工安全前提下，制定合理安全步距，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。

2 關鍵工序機械化配套

2.1 工程地質條件

定臨高速黑莊坪隧道為左右行分離式雙洞長隧道，右線長約1 651 m，左線長1 720 m，最大埋深約175 m，常規開挖斷面面積104 m2，最大跨度12.6 m。隧道圍巖為V類，主要采用臺階留核心土分部開挖和臺階法施工。隧址區位于缺水地區，勘察鉆孔未揭露地下水，上覆地層為第四系上更新統風積成因(eolQ3)新黃土，下伏新近系臨夏組(N2l4)泥質砂巖，其工程地質特征詳細描述如下。

1) 新黃土(eolQ3)。黃褐色，稍密，稍濕，具大孔隙，含少量鈣質結核，失陷等級IV(很嚴重)，土石等級為II級，孔隙比1.01，黏聚力23.9 kPa，內摩擦角23.7°，承載力容許值130 kPa，隧表廣泛分布。

2) 泥質砂巖(N2l4)。棕紅色，泥質結構，中厚層狀結構，半成巖狀，遇水易軟化、崩解，失水易龜裂，屬極軟巖，單軸天然抗壓強度2.1～11.4 MPa，平均5.9 MPa，分布于整個隧址區。

2.2 開挖方式確定

目前高速公路大斷面黃土隧道開挖方法主要有鉆爆法和非爆法開挖2種，其開挖方式各有優缺點。傳統的鉆爆法施工，具有靈活機動、前期投入小的優點，但存在機械化程度低，爆破對圍巖擾動大，斷面成型差，后續立鋼拱架工序修邊耗時長，用人多、安全性差等缺點，已不能滿足大斷面黃土隧道快速機械化施工要求。

黃土隧道對地下水和施工擾動較為敏感，通過對黑莊坪隧道現場土體含水率取樣測試，土體含水率普遍在8.3%～10.1%之間，平均含水率9.2%，土體低含水率對非爆法開挖較為有利。非爆法施工開挖方式主要有挖掘機和懸臂掘進機2種，考慮開挖后及時施作初期支護，盡可能縮短開挖-初支工序時空效應，以達到控制拱頂下沉，防止圍巖失穩、坍塌的目的，最終選擇懸臂掘進機進行開挖施工，懸臂掘進機相比鉆爆法、挖掘機開挖方式優勢明顯，主要體現在以下5個方面。

1) 懸臂掘進機開挖過程中作業人數少，每班掌子面開挖作業只需2人，降低了人工成本，防止掌子面重大安全事故，提高了安全性。

2) 施工工效高，可實現連續截割及出碴作業，該斷面條件每循環掘進時間相比挖掘機掘進縮短8 h。

3) 超欠挖易控制，開挖面光滑平整，斷面一次成型，節約后續初支混凝土噴漿量，降低了施工成本。

4) 掘進機在開挖過程中對圍巖擾動小、損傷小，斷面開挖成型后無需人工修邊，鋼拱架安裝一步到位，開挖-初支工序銜接緊密，圍巖受開挖-初支工序時空效應導致的變形擴容影響大幅降低。

5) 懸臂掘進機在特殊地質條件下適用性較好，開挖過程中將開挖的土體直接輸送至自卸車，減少了機械二次倒運，降低成本，同時也減少了多機械配合作業產生的施工隱患。

2.3 關鍵工序及機械化配套方案

結合定臨高速黑莊坪隧道圍巖特征，充分考慮黃土自穩性，懸臂掘進機技術參數，初期支護、施工組織等綜合因素，黑莊坪隧道采用兩臺階施工，上臺階開挖高度6.2 m、長度30 m，下臺階開挖高度2.5 m、長度20 m，后序工序正常跟進。考慮掌子面開挖穩定性及懸臂掘進機自身特性，上臺階開挖采用左右分幅開挖，懸臂掘進機移機一次，上臺階開挖結束后，懸臂掘進機退行至下臺階完成下臺階開挖，兩臺階開挖圖見圖2。

圖2 兩臺階開挖效果圖

針對當前大斷面黃土隧道關鍵工序機械化配套主要存在的問題，通過對國內外隧道施工機械化配套適用性的廣泛調研，結合黑莊坪隧道圍巖地質條件、現場實際情況、工期、進度、施工成本等因素，提出基于兩臺階施工工法為主導的機械化配套方案，開挖采用懸臂掘進機，對機械化程度低、單位循環耗時長的初支各工序進行機械化配套，大斷面黃土隧道機械化配套情況見表1。

表1 大斷面黃土隧道機械化配套

懸臂掘進機主要技術參數見表2。

表2 懸臂掘進機主要技術參數表

3 關鍵技術措施

3.1 超前支護

由于黃土自身軟弱松散、黏聚性差，環向密集施作超前小導管對掌子面上方拱頂土體擾動較為明顯，若與之配套的注漿質量、注漿時長得不到保證，掌子面開挖過程或開挖后，拱頂超前小導管施作段上方掉塊、脫落現象時有發生。因此，基于機械化配套模式下，采用集鉆孔機注漿為一體的多功能鉆機進行超前支護，從而實現快速有效穩定掌子面圍巖的目的。

3.2 超欠挖控制

懸臂掘進機銑挖工藝的核心就是利用銑挖頭進行隧道掌子面巖土體切削、鏟運與出碴一體化作業，與鉆爆法相比較，銑挖法破巖機理使圍巖受力狀態更為合理，擾動及變形較小。另外通過在懸臂掘進機后方穩定圍巖周邊布設9組激光導向定位儀，每班開挖前對激光導向定位儀進行校核，為開挖提供實時斷面輪廓范圍及邊界參考，從而實現精準導向控制超欠挖，懸臂掘進機非爆法開挖效果見圖3。

圖3 懸臂掘進機非爆法開挖效果圖

4 結論

1) 將懸臂掘進機首次應用于西北地區高速公路大斷面黃土隧道施工，現場統計懸臂掘進機最大開挖量達61 m3/h，最大月掘進進尺達102 m，工效顯著，開挖斷面近乎實現零超挖，驗證了懸臂掘進機應用于高速公路大斷面黃土隧道施工良好的適應性及先進性。

2) 以懸臂掘進機為主導的大斷面黃土隧道軟巖成套機械化作業綜合經濟指標略高于人工鉆爆法施工，但從施工安全性、減人化、圍巖擾動、超欠挖、噴漿消耗量、初支工序銜接性、單位循環耗時、月進尺等綜合指標來評價，懸臂掘進機軟巖成套機械化配套優勢明顯，可通過縮短隧道建設周期獲得良好的經濟效益。

3) 大斷面黃土隧道機械化施工的核心是維持掌子面圍巖的穩定和保證施工進度，施工過程重視超前支護措施落實的同時，更要豐富對掌子面穩定性的判釋方法和手段，尤其是要密切關注黃土隧道掌子面土體含水量的變化情況，加強掌子面穩定性監控量測，為安全高效施工提供現場依據。

4) 如何選擇與地層相適宜的錨桿，并在此基礎上將錨桿施工全工藝流程機械化，并做到施工質量有保證，需要業界人士進一步深入研究和創新。

5) 隨著大斷面黃土隧道機械化的應用，還應借助信息化手段進一步提升隧道施工整體水平，如利用大數據、智能化、5G通信等技術提升隧道施工信息管理系統及平臺建設，實現在隧道施工過程中對機械化配套機群原始數據采集分析、遠程指導及數字信息化實時管控。