超大扁平斷面巖質隧道快速開挖技術研究

劉 光

(中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著國內高速公路網快速完善，超大斷面公路隧道不斷涌現。超大斷面隧道的施工中，由于受到構造應力及施工開挖方式的因素的影響，隧道失穩的可能性較大，普遍認為硬質巖的穩定性要好于軟弱圍巖的，因此當前大量的研究主要集中在軟弱圍巖方面[1,2]。但目前針對超大斷面隧道開挖支護很少有成熟的技術可借鑒，一般的施工方法均為鉆爆分部開挖臺階法，初支緊跟掌子面，在爆破方面存在光面爆破施工工藝落后，不能發揮光面爆破的優勢；在支護方面主要采取緊跟掌子面施工，造成鉆孔外插角過大，形成超挖量過大，補噴、運渣量增大，工序時間延長；另在機械設備、人員配置方面基本延續傳統小型機械設備配合人工作業，施工工效低，與大斷面隧道特點不匹配，造成施工進度慢、成本高、安全風險高等問題，針對此情況，通過在施工中不斷地對施工影響因素進行研究，探索出了一套特大斷面隧道快速開挖支護施工技術,實現了快速、安全、高效施工目標。

1 依托工程

漿水泉特長隧道為京滬高速濟南連接線工程的控制工程，設計為雙向八車道，左線長3 101 m；隧道右線長3 085.4 m。隧址區出露地層為奧陶系和寒武系灰巖、白云質灰巖及生物碎屑灰巖，局部溝谷地段上覆上更新統粉質黏土。受區域地質構造活動影響，隧址區局部節理密集帶或構造斷裂帶。漿水泉隧道整個洞身范圍內Ⅲ級圍巖占48%，Ⅳ級圍巖占37.5%，Ⅴ級圍巖占14.5%。Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級Ⅴ級圍巖使用分部開挖。Ⅲ級圍巖段的襯砌斷面如圖1所示。

圖1 Ⅲ級圍巖襯砌及開挖方法圖

在設計中，開挖方法采用臺階法，要求“隨爆隨支”，也就是爆破一環支護一環，初期支護要緊跟掌子面，從現場的操作情況來看，支護完成后再進行下一循環的鉆眼工序中，特別是周邊眼的精度將會受到初期支護的較大影響，如圖2所示。

圖2 周邊眼施工示意圖

從圖2中可以看出，由于初期支護有一定的厚度，而鉆孔作業也需要一定的操作空間，且鉆桿需要一定的外插角，這就會造成一個循環范圍內，開挖線在縱向上就有一定的欠挖和超挖，為了減少欠挖，那么超挖量就較大。

2 巖質隧道快速開挖技術

2.1 技術原理

針對超大斷面巖質隧道特點，充分利用新奧法原理，發揮圍巖的自穩性，調整支護時機，減小鉆機外插角，減少超挖量，減少噴射混凝土量，加快出渣、噴射混凝土速度，同時對光面爆破施工工藝進行改進，在快速放樣、打眼、裝藥及連續等方面采用輔助措施加快爆破工序施工速度，另通過合理配置機械設備型號、數量，人員數量、工種實現資源最優配置，最終實現超大斷面隧道快速施工。

2.2 支護時機的選擇

根據漿水泉隧道的實際情況，采用FLAC3D模擬漿水泉隧道Ⅲ級圍巖測試斷面，通過表1和如圖3所示的不同支護時機的工況計算，得出測試斷面初期支護結構內力隨時間和掌子面變化規律，以及二次襯砌安全系數的分布情況。計算的材料參數見表2。

表1 數值模擬計算工況選擇

表2 數值模擬的材料參數表

圖3 F-1～F-3工況計算模型

通過對三種工況的計算，得到了如圖4所示的初期支護豎向及水平向的最大應力值(均為受壓)，可見隨著支護時間越晚，初期支護的應力是越來越小的，且整體上都未超過初期支護的強度設計值，結構是安全的。

圖4 初期支護最大應力規律圖

提取二次襯砌拱頂和邊墻部位的應力情況，可以通過文獻[3]中的相關條文計算得到其安全系數的情況，如圖5所示。從圖5中也可以看出，初期支護的時間越晚，二次襯砌結構的安全系數是在逐漸增加的。

圖5 二次襯砌拱頂和邊墻的安全系數圖

從計算的結果可以看出，支護時間越晚，初期支護受到的力越小，二次襯砌的安全系數也越高，這是符合圍巖特征曲線法的相關規律的。然而在實際施工過程中，由于施工會對未支護圍巖產生擾動，為預防掉塊和保證施工的安全，因此在施工過程中推薦采用“兩掘一支”。

2.3 光面爆破施工工藝

操作要點:

(1)快速放樣。鉆眼前，由2名專業測量人員采用模具放樣，模具采用高強度、輕質塑膠板制作，寬6 cm，厚5 cm，分三個單元制作，每單元預留搭接長度10 cm，具體如圖6所示。第一步：采用儀器放樣一側1、2、3、4號點位；第二步：利用制作好模具分段對準1、2、3、4號點位，利用模具上的定位孔標記其他點位；第三步：采用同樣的方法放出另一側全部點位。放樣時間為0.5 h。

圖6 模具拼裝放點圖

(2)鉆孔。按照設計炮眼位置采用三臂鑿巖臺車進行鉆眼，鉆眼深度按照爆破設計參數進行，平均單個眼鉆眼時間為90 s，三臂同時施工，鉆眼數量為201個，鉆眼時間約為2 h。

(3)裝藥爆破。裝藥人員按照區域分配，區域內相互配合裝藥，周邊眼裝藥結構采用不耦合間隔裝藥，一般市場上普遍采用的直徑為32 mm、長300 mm成品藥卷，每卷0.3 kg,周邊眼裝藥前，將藥卷均勻切割成4段,再按照線性裝藥密度進行均勻間隔裝藥，小藥卷之間采用導爆索連接即可，不采用竹片連接，可有效減少工作量，節約成本，最底端藥卷導爆索反插綁扎即可，周邊眼導爆索之間連接采用導爆索“T”型連接，其他爆破孔采用集中裝藥，導爆管起爆，爆破網絡連接按照設計段別要求連接即可，時間為1 h，爆破設計如圖7、圖8所示，周邊眼裝藥結構如圖9所示，導爆索之間連接如圖10所示，爆破參數見表3、表4。

圖7 上臺階炮眼布置圖

圖8 下臺階炮眼布置圖

圖9 周邊眼間隔裝藥示意圖

圖10 “T”形連接示意圖

表3 上臺階爆破設計參數表

表4 下臺階光面爆破參數表炮孔

按照設計參數爆破后，能夠實現在中硬巖開挖中以較小單耗藥量確保爆破殘眼率能達到95%以上，且表面光滑平整，無過剩爆能損傷圍巖產生裂縫情況，現場爆破效果如圖11所示。

圖11 拱部開挖后的炮眼圖

2.4 初期支護施作

2.4.1 立架及掛網施工

首次開挖兩循環支護一次，后開挖一循環支護一循環，每循環平均安裝3.5榀拱架，工字鋼集中在洞口附件鋼筋棚加工好后運至掌子面，由4名施工人員拼裝完畢后采用1臺五新雙臂拱架安裝機械手整體安裝，隨后進行掛網施工，作業施工為1.2 h。

2.4.2 系統錨桿打設

為了確保系統錨桿及縮腳錨桿打設角度，采用2人配合1臺三臂鑿巖臺車進行每循環27根系統錨桿和14根縮腳錨桿打設，每根3.5 m深系統錨桿打設時間為3.5 min，后4人配合1臺注漿機進行注漿施工，整體作業時間為1.63 h。

2.4.3 濕噴混凝土施工

上臺階每循環平均噴射35 m3混凝土，混凝土集中在洞口攪拌站加工，通過2輛罐車運輸到掌子面，采用1臺大型濕噴機械手(理論方量不低于30 m3)先墻后拱，自下而上，兩側對稱進行噴射混凝土，機械手操作人員1名，配合人員1名，作業時間為3 h。

2.5 資源配置

2.5.1 勞動力組織

該技術單洞施工作業所需作業人員配置見表5。

表5 勞動力組織表

2.5.2 主要設備配置

該工法單洞施工中設備主要材料見表6。

表6 主要機械設備計劃表

3 施工效益分析

該技術在施工進度和成本方面有較大優勢。根據現場統計，Ⅲ級圍巖進度指標由原來100 m/月提高到155 m/月，最終隧道提前8個月竣工，取得良好進度效益及經濟效益，具體從三個方面比較如下：一是鑿巖臺車與普通風鉆開挖施工成本對比。三臂鑿巖臺車單臺價格為804萬，按設備折舊攤銷10年計算，月攤銷設備費6.7萬元，以單月開挖130 m計，經統計采用鑿巖臺車費用為50萬元，普通風鉆為46.6萬元，明顯鑿巖臺車費用較小；二是大型濕噴機械手噴射混凝土與普通噴射機施工成本對比。大型濕噴機械手購置成本較高，約為190.0萬元，按設備折舊攤銷十年計算，月攤銷設備費1.6萬元，以單月開挖130.0 m計，經統計大型濕噴機械手成本為105.8萬元，小型噴射機成本為132.3萬元,前者明顯費用小；三是通過對本隧道采用的鑿巖臺車鉆爆結合濕噴機械手快速施工法和選用風鉆結合小型濕噴機施工法進行每循環耗時對比分析，按每循環進尺3.5 m,1臺大型濕噴機械手和3臺小型濕噴機，1臺鑿巖臺車和21臺手風鉆分別對比分析，經統計采用大型鑿巖臺車結合大型濕噴機械手每循。

4 結 論

以漿水泉隧道為工程背景，通過研究， 提出了一套特大斷面隧道快速開挖支護施工技術,該技術在充分利用新奧法原理基礎上，通過“兩掘一支”進行開挖支護時機選擇，實現減小外插角，減少超挖量，加快噴射速度，在保證安全的情況下加快了施工速度，說明支護時機是可以滯后的。同時滯后的距離受圍巖自身穩定性和擾動影響較直接，在圍巖條件一定情況下，采用較好光面爆破工藝減少圍巖損傷范圍是非常有必要的；另在施工中通過合理配置機械設備型號、數量，人員數量、工種等資源也是對隧道施工速度影響的關鍵因素之一。