軟弱圍巖全斷面隧道機械化施工優化與效益分析

劉建國

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 工程概況

新建鄭萬高速鐵路湖北段站前工程ZWZQ-6標蘇家巖隧道DK478+80—DK483+440，中心里程DK480+760，全長5 360m，最大埋深約439m；進口至DK479+22段位于半徑為12 000m的右偏曲線上，其余地段均為直線。

蘇家巖隧道進口工區承擔正洞2 595m施工，起訖里程DK478+080—DK480+675，其中明洞9m，Ⅴ級圍巖251m，Ⅳ級圍巖2 135m，Ⅲ級圍巖200m，主要以弱風化炭質頁巖為主，巖體節理、裂隙較發育。

蘇家巖隧道進口根據軟弱圍巖大斷面機械化配套設備布置及相關規范要求，IV級圍巖采用全斷面帶仰拱一次性開挖或全斷面不帶仰拱開挖，大斷面開挖仰拱安全步距要求不大于55m，Ⅳ，Ⅴ級圍巖地段二次襯砌安全步距不宜大于120m。在確保圍巖穩定和施工安全的前提下，蘇家巖隧道進口根據監控量測及應力、應變測試情況合理確定二次襯砌安全步距。

2 全斷面機械化施工作業線

以“實用先進、選型科學、著重工效、優化合理”為原則布置施工作業線。①開挖作業線配置2臺三臂鑿巖臺車；②運輸作業線配置3臺側卸式裝載機、5臺自卸車和2臺挖掘機；③噴錨支護作業線配備1臺三臂拱架安裝臺車和2臺混凝土濕噴機械手；④仰拱施工作業線配備1臺自行式液壓仰拱棧橋；⑤防水板施工作業線配備1臺防水板鋪掛多功能臺車；⑥二次襯砌施工作業線配置1臺自行式液壓大模板二襯臺車；⑦二次襯砌養護注漿作業線配備1臺敲擊檢測臺車和1臺霧化車；⑧施工作業線配備1臺整體移動式溝槽模板臺車；⑨輔助作業線配備超前水平鉆機或鑿巖臺車、地質雷達、大功率變頻通風機、地質預報及全站儀監控量測等輔助設備。

3 工序優化措施及效果分析

蘇家巖隧道采用互聯網+云平臺技術打造智慧工地，建立工程公司、項目部、作業面三級信息化管理系統(PM系統)，對隧道月度進尺、工序循環數及循環時間、混凝土超耗等數據進行詳細統計。對2019年4—11月蘇家巖隧道進口186個開挖循環數據統計分析，其中，4—6月為優化措施試驗階段，7—8月為優化措施培訓階段，9—11月為措施鞏固階段。4月各工序平均循環時間占比如圖1所示，可看出鉆孔爆破及噴錨占總循環時間比重較大。本文主要從鉆孔爆破、噴錨和優化開挖進尺3個方面開展優化措施研究。

圖1 各工序平均循環時間占比

3.1 鉆孔爆破方案優化

3.1.1制定測量放線規則

采用萊卡TPS1201全站儀進行測量放線，測量前視人員通過鑿巖臺車中間的云梯臺架，利用紅油漆畫出周邊眼孔位，具體需注意以下幾點。

1)按輪廓線程序將開挖的周邊眼孔位測量畫出，整體孔位應呈一條圓滑的弧線，同時將邊墻2m 高的拱部和邊墻分界點畫出(曲墻應畫出起拱點、邊墻弧度分界點)。

2)用固定尺(按爆破設計炮孔間距)將輔助眼輪廓線畫出，炮眼間距60cm。

3)由測量人員在掌子面后方1m 處放置里程線，并在開挖巖面環向畫出1條里程線，以便鑿巖臺車操作人員控制鉆孔鉆進深度。

3.1.2明確三臂鑿巖臺車鑿巖作業原則

根據全斷面法開挖作業空間，合理布置臺車。測量放樣后及時進行鑿巖臺車定位，根據隧道中線準確就位，同時須保證就位區域底板平穩堅硬，一般臺車鉆臂最前端距掌子面0.8～1.0m。

鑿巖臺車就位后，立即安裝高壓水管、供電線纜，確認水電安裝到位后啟動臺車電氣系統，利用液壓系統將臺車整體調整為水平狀態。

鑿巖臺車推進梁定位應遵循1條平行線、2個基本點的原則，在不影響施鉆的前提下，確保推進梁與隧道中心線平行，重點控制推進梁頂端與末端位置。

臺車就位后，應嚴格按測量放樣和爆破設計孔位進行鉆孔，鉆孔順序如圖2所示。

圖2 鑿巖臺車鉆孔順序示意

3.1.3采用縱向切縫管定向斷裂控制爆破和環向切縫聚能管掏槽技術

將縱向雙切縫聚能爆破技術應用于周邊眼裝藥可增加孔距、減少藥量、降低超挖和提高光面爆破效果。環向切縫聚能管采用壁厚2mm、內徑36mm、外徑40mm PVC管制作，長85cm，即 33cm× 2(2節藥卷)+19cm(預留長度利于裝藥)。環向切縫由環向三等分、相間120°的切縫組成，切縫寬24mm，環向切縫間距2～6cm。掏槽孔孔底安裝環向切縫聚能管，接近孔口未裝藥部位填塞事先加工好的炮泥，以增強掏槽效果，填塞長度為0.5～1m。

以上措施大幅度縮減了鉆孔爆破用時，4月鉆孔爆破平均用時7.77h，5月平均用時6.88h，6月平均用時6.51h。5月的平均用時較4月減少0.89h，降幅較明顯。

3.2 噴射混凝土質量優化

通過對噴錨工序用時分析，發現噴射混凝土質量對噴錨工序的時間影響較大。采取以下針對性措施改善噴射混凝土質量，進而縮短噴錨工序時間。

1)選用普通硅酸鹽水泥，細度模數大于2.5的硬質潔凈砂，粒徑5～12mm連續級配碎(卵)石，化驗合格的拌合用水。

2)嚴格按設計配合比進行拌合，配合比及攪拌均勻性檢查每班不少于2次。

3)噴射前檢查隧道斷面，對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點、崩解的破損巖石進行處理，清除浮石和墻角虛渣，并用高壓水或風沖洗巖面。

4)噴頭距巖面0.6～1.2m，垂直于受噴面，噴射初期支護鋼架、鋼筋網時，噴頭稍加偏斜。噴射混凝土作業按分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序進行。噴頭做連續不斷的圓周運動，后1圈壓前1圈1/3，螺旋狀噴射。

5)噴嘴做反復緩慢的螺旋形運動，螺旋直徑 20～30cm， 以保證混凝土噴射密實。同時，控制風壓、水壓及噴射距離，減少回彈量。

6)隧道噴射混凝土厚度>5cm時分2層作業，第2次噴射混凝土須在第1層混凝土終凝1h后進行。

7)噴射混凝土終凝2h后進行噴水養護。

8)下次爆破與噴射混凝土完成時間間隔不得小于4h。

9)初噴完成后用刮板刮平工字鋼表面混凝土，并補噴平整。用粉狀減水劑代替水狀減水劑，可節約減水劑循環時間。

4—6月噴錨施工時間統計如圖3所示。由圖3可知，噴錨過程最大工序時間、最小工序時間和平均工序時間都呈下降趨勢，說明以上措施可明顯縮短噴錨工序時間。5月平均工序時間較4月減少1.37h，降幅達17.96%，效果明顯，受開挖進尺由3.6m變更為4.2m的影響，6月平均工序時間有小幅度回升，但增幅不大，說明優化噴射混凝土質量可將噴錨工序時間維持在一個較低水平。

圖3 4—6月噴錨施工時間

4月設計噴射混凝土811m3，實際噴射混凝土1 829m3， 超耗率為125.52%；5月設計噴射混凝土1 054m3， 實際噴射混凝土2 216m3，超耗率為110.25%；6月設計噴射混凝土1 056m3，實際噴射混凝土2 306m3，超耗率為118.37%。通過控制混凝土質量，5月平均混凝土實際噴射量和超耗率均比4月有所下降，尤其是超耗率，下降15.27%。

3.3 開挖進尺優化

由現場實際施工效果看，3.6m進尺并不能很好地滿足生產要求，為探尋更優的開挖進尺，根據隧道實際結構形式及地質條件，構建數值計算模型，研究3.6m和4.2m進尺隧道圍巖安全性。3.6m進尺模型選取蘇家巖隧道DK479+80—DK479+152段，平均埋深300m。模型x軸為水平方向，取-30～30m，z軸為垂直方向，取-30～30m，y軸為縱向，取0～-72m。

4.2m進尺模型選取蘇家巖隧道DK479+240—DK479+324段，平均埋深300m。模型x，z軸方向取值同3.6m進尺模型，y方向取0～-84m。 拱頂沉降與拱底隆起隨開挖步變化曲線如圖4所示，不同進尺開挖過程應力變化云圖如圖5所示。

圖4 拱頂沉降與拱底隆起隨開挖步變化曲線

圖5 不同進尺開挖過程應力變化云圖

由圖4，5可知，開挖進尺的增大對豎向位移和應力會產生一定影響，對拱頂沉降影響最大，但最大變形量均在規范要求范圍內，說明在蘇家巖隧道進口Ⅳ級圍巖情況下增加開挖進尺安全可靠。蘇家巖隧道在7月施工中開挖進尺變更為4.2m。

3.6m進尺用時8.93h/延米，4.2m進尺用時7.8h/延米，較3.6m進尺節省1.13h/延米。每月按30d工作時間考慮，則在理想狀態下以3.6m進尺開挖，月度進尺可達80.62m，以4.2m進尺開挖，月度進尺可達92.31m，4.2m進尺較3.6進尺每月可提高進尺11.69m，由此可見，增大開挖進尺可提高月進尺。

4 效益及成本分析

2019年4—11月機械開挖月度進尺及單延米用時統計如圖6所示。由圖6可知，月度進尺在4—6月有明顯提升，單延米用時明顯下降，說明優化措施的實施取得了顯著效果，7—8月月度進尺和單延米用時有小幅波動，主要因為現場施工人員應用相關優化措施時需一定時間領會掌握。9—11月月度進尺和單延米用時處于穩定狀態，平均月進尺穩定在96.23m左右，平均單循環用時穩定在7.53h左右。由此可見現場施工人員在培訓后能較好地掌握優化措施，提升施工效率。

圖6 開挖月度進尺及單延米用時統計

4.1 機械與人工開挖效益分析

2019年1—11月月平均開挖進尺，機械開挖為82.9m，人工開挖為75.89m，機械開挖比人工開挖月度進尺快7.01m，其中，人工開挖多為III級圍巖，機械開挖主要為IV級圍巖，綜合考慮圍巖等客觀因素，機械開挖比人工開挖月度進尺要大得多。

2019年7—11月份機械與人工開挖月度混凝土超耗對比如圖7所示。由圖7可知，機械開挖月平均超耗率為72.15%，人工開挖月平均超耗率為89.59%，機械開挖月平均超耗率比人工開挖小17.44%，且人工開挖月均超耗率起伏較大，而機械開挖月均超耗率較穩定。由此可見，機械開挖比人工開挖混凝土超耗率要低得多，同時機械開挖穩定性較好，推廣可行性大。

圖7 7—11月機械與人工開挖月度混凝土超耗率對比

4.2 機械與人工開挖成本對比分析

機械開挖在人工費和現場管理費方面較人工開挖具有一定優勢，人工開挖的機械費和配件費、油費和電費較低。機械開挖的總固定成本為1 459 049 元，人工開挖為1 303 159元，機械開挖較人工開挖固定成本高出155 890元。

機械開挖方式在材料費和機械租賃、配電費方面較人工開挖具有一定優勢，其他如人工費、間接管理費和集團公司管理費方面二者持平。機械開挖的單延米可變成本為43 125元，人工開挖為46 930 元，機械開挖較人工開挖固定成本低 3 805 元。

機械開挖與人工開挖成本差值如圖8所示，由圖8可知，在月進尺30m和40m時，機械開挖總成本高于人工開挖。由計算可知，在月進尺為40.97m時，機械開挖和人工開挖總成本持平，在月進尺50～100m時，機械開挖總成本將小于人工開挖，且月度開挖進尺越大，機械開挖總成本優勢越明顯。

圖8 機械開挖與人工開挖成本差值

5 結語

1)良好的光面爆破(聚能爆破)效果在提高工序效率和降低循環時間方面有明顯優勢，對鉆孔爆破、出渣和噴錨等工序有先決性影響，應不斷提高光面爆破效果。

2)利用PM系統對蘇家巖隧道實時采集大量的工程數據，實施“PDCA”有效管理，對控制噴射混凝土超耗和提高工序循環工效意義重大。

3)噴射混凝土質量對提高噴錨工效有重要影響，應嚴格控制噴錨材料質量。

4)軟弱圍巖全斷面開挖進尺可適當增大，根據計算和現場施工情況，4.2m進尺較安全、經濟合理。

5)機械開挖較人工開挖有明顯效率優勢，且月度進尺越高，機械化施工成本優勢越明顯。