山區高速公路隧道機械化施工技術分析

張 帆 黃海波

（中交二航局廣西建設工程有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

提升山地和丘陵地區機械化施工技術水平，可以在一定程度上促進隧道工程技術不斷創新發展。國內學者對隧道施工進行了相關研究[1-6]，目前，我國山嶺隧道機械化施工存在關鍵配套技術設備缺乏、機群協同作業程度低、智能化水平不高等問題。為解決以上問題，使隧道機械化施工更加合理，本文以南天高速山嶺隧道為例，對復雜地質條件下隧道機械化施工工藝進行詳細研究。

1 工程概況

項目地處云貴高原向桂西北丘陵過渡的山嶺重丘區，高速公路全長17.96km，主線為雙向4車道，K40+400～K58+360，設計荷載公路-I級；設計速度：100km/h，其中路基長度為5.045km，整體式路基寬度26.0m，隧道8.105km/4座，橋梁4.81里/13座，橋隧比為72%。

本項目地處廣西河池天峨縣，路段走向是由東北向西南方向的廣西南丹至天峨下高速路，境內峰巒重疊，屬侵蝕剝蝕地貌單元，海拔在600m～1000m之間。隧道所穿越山體多為三疊系中統（T 2）砂巖、泥巖、砂質泥巖等，基巖部分出露，上覆土層較薄，工程地質穩定性較差，但抗風化能力較強，力學強度較低，工程地質穩定性一般；根據設計院地勘報告，尚無溶洞揭示，存在幾處地質構造破碎帶；受季節降雨影響明顯，沖溝溪流特點，夏季水流充分，秋冬季節水流量較小；主要水流補給為大氣降水，賦存于土層孔隙內和基巖節理、風化裂隙內，于谷底以散流形式排出場區，在隧道地下水相對富集地帶，可能發生突水突泥等地質災害。

龍鳳1#隧道3809m，最大縱坡-0.95%，坡長3068m。地下水較豐富，反坡排水難度大，施工安全風險高。崗嶺隧道、龍鳳1#隧道單頭掘進最大距離2km，施工通風條件極差。建設總工期僅36個月，且穿越地表沖溝淺埋段、地質構造破碎帶，施工組織難度大。

2 隧道施工準備及管理

隧道施工前需要進行一定的施工準備工作，具體內容如下：

（1）施工場地準備：拌和站場地布局清晰、功能分明，場地面積、生產能力、料倉數量滿足生產需求，標識標牌齊全，原材料堆放規范有序，排水系統暢通。混凝土生產采用集中拌和，過程實行信息化數據管理。

（2）施工設施準備：引進一整套南方路機SL3系列干式整形高品質機制砂制砂設備，實現了制砂綠色化、全環保、智能化生產，日產1600t以上。砂石分離機、砂石污水智能壓濾器：兩者配套使用將污水中的砂石分離、泥水分離，可實現污水凈化后重復利用、零污泥排放，環保效果顯著。

（3）施工現場管理：隧道洞口統籌規劃，各功能區布局合理，交通運輸線路導流清晰。按規定設置九牌一圖、洞口值班室、監控室、應急物資庫、班前講評臺、作業人員信息顯示屏及員工安全通道，進出洞人員、車輛實行分流。

（4）施工技術標準：射流風機距洞口不小于30m，安裝支架采用型鋼加工，刷黃黑警示色彩，懸掛警示標識標牌；“三管兩線”架設、安裝應順直、整齊。風水管應按統一標準布置、標識清楚；注意高壓風管布設距離保持在30m，長度保持在50m，并用分風器連接高壓軟風管；供電線路宜采用三相五線系統；空壓機組：在隧道口附近選擇合適位置建設標準空壓機房，功率應滿足隧道施工最大用風量和風壓的要求。

隧道施工過程中同時需要進行合理有效的施工管理工作，具體內容如下：

（1）隧道開挖注意事項：施工前應制定完善的施工方案，推廣“零開挖”進洞理念；避免對山體造成嚴重破壞，禁止砍伐植被，保持原有的生態地貌，突出人文景觀的天然性質；如果洞口圍巖不具備良好施工條件時，應調整施工順序，遵循先明洞后暗洞原則；隧道二次襯砌50m后可啟動綠化工程施工程序。

（2）隧道施工期洞口管理：隧道洞口必須按照標準化建設要求，安裝門禁系統對人員、洞內環境等做好全面監管；同時應增設預警警報系統、應急通信設備、人車分流設施等；成立洞口值班管理小組，設置固定值班室，嚴格控制人員及往來施工車輛；隧道洞口必須設置明顯標識實時反應隧道內正在開展的施工工序；除設置洞口應急物資庫外，隧道洞口值班室還應配備一定數量的照明工具、安全防護用品等；在隧道爆破起爆發出警告后、解除警告前，禁止人員設備進入洞內，建議在洞口安裝信號警示燈。

3 機械化施工工藝

南天路在隧道施工方面，積極探索隧道創新施工方法，形成隧道智能化建造雛形，兼顧軟件、硬件的研發應用，逐步形成隧道施工大型機械化配套及信息化應用技術，節約人力成本的同時提高安全系數和施工效率，確保隧道施工質量。隧道施工的機械設備配置主要圍繞五條作業線進行，具體如下：

（1）超前地質預報：以地質方法為基礎，物探與鉆探相結合、長距離與短距離超前預報相結合、物探先行鉆探全覆蓋驗證，包括地質調查法、超前鉆探法、物探法、超前導坑預報法四種。超前地質預報方法見圖1。

圖1 超前地質預報方法

本隧道施工過程中使用了地震波反射法超前預報隧道掌子面前方一定范圍及周圍地帶巖層中有關結構面的變化，如軟硬巖界面、斷層、空洞等；使用了地質雷達法測定不同介質面位置；使用了鉆神ZML-160型多功能地質鉆機進行超前水平鉆探驗證物探結果的準確性，進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件，指導工程施工順利進行，降低地質災害發生的幾率和危害程度。

（2）隧道開挖：南天路各個隧道V級圍巖主要采用環形開挖預留核心土法、三臺階法，IV級圍巖采用兩臺階法，III級圍巖采用兩臺階法或全斷面法。

龍鳳隧道全斷面法施工采用瑞典阿特拉斯·科普柯公司生產的Boomer XL3D型全液壓三臂鑿巖臺車鑿巖鉆孔（見圖2）；整機作業時展開長度17m，高度7m。三臂鑿巖臺車總裝機功率為293kW，鑿巖臺車鉆孔孔徑為45mm。相比于傳統施工可大大減少用電量，且減少掌子面風水管通入，讓施工作業面干凈、整潔，綜合利用率較高。鉆深4.5m的炮眼，臺車僅需2min，而傳統的手風鉆則需要15～18min。采用鑿巖臺車單純的鉆孔工序時間，全斷面可控制在2.5h以內；而傳統的手風鉆則需要3.5h。

圖2 三臂鑿巖臺車鉆孔

隧道斷面開挖后及初期支護完畢后采用三維激光掃描儀進行支護斷面驗收，制定斷面驗收臺賬，避免隧道出現超欠挖，同時針對超挖嚴重部分數據進行超挖分析，優化爆破參數，規避混凝土浪費，同時根據初支掃描數據對欠挖部分進行處理，確保二襯施工厚度。

（3）初期支護：初期支護應配合開挖作業及時進行，初期支護緊跟掌子面，當掌子面自穩能力差時，應采取增加輔助工程或改變開挖方法等措施。淺埋、偏壓、軟弱圍巖、自穩性較差地段施工必須堅持“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。密切關注測量結果來調整支護措施和支護參數。施工中應做好地質預報工作，根據現場圍巖情況調整施工技術。

噴射混凝土全面推廣應用隧道濕噴機械手，拱架安裝采用了最新長沙科達拱架安裝臺車（見圖3），該設備具有以下特點：1）安全：多機械臂和工作平臺，工人遠離掌子面，作業環境更加安全。2）省人：一臺設備僅4人可完成鋼架安裝與鋼筋網鋪設，節省人力投入。3）高效：安裝一組拱架（兩榀）僅需30～40min，加快工序循環。

圖3 拱架安裝臺車

（4）仰拱：隧道設有仰拱時，應及時施工使支護結構及早封閉成環，改善圍巖受力狀況、控制圍巖變形、保障施工安全。仰拱宜全斷面一次開挖成型，全幅施工拱架、鋼筋、初期支護或鋪底混凝土、填充層。仰拱、鋪底施工采用液壓移動棧橋確保洞內交通通暢，在傳統液壓棧橋基礎上改進創新，搭載三溝一體化液壓模板（見圖4），可實現仰拱、中央水溝、側向盲溝等附屬工程與主體工程多維度同步施工，仰拱模板及水溝模板快速移動定位，三溝一體，一次成型，同巖層施工12m仰拱，速度提高20%～25%，節省勞動力30%。拆裝方便，強度高。

圖4 三溝一體化液壓仰拱棧橋

（5）二次襯砌：二次襯砌是在初期支護完成后進行，應及時施工使支護結構及早封閉成環，改善圍巖受力狀況、控制圍巖變形、保障施工安全。南天路各隧道二次襯砌施工操作如下：預留洞室采用RPi五點定位法；無紡布、防水板掛設采用智能掛布臺車，掛設過程中可通過調節液壓裝置對防水板、無紡布等進行提升，并通過卷揚機沿弧形軌道牽引掛設；二襯臺車端頭改裝使用可翻轉夾片式鋼模板，能有效定位中埋式、背貼式止水帶。二襯施工：在打二襯混凝土之前，二襯鋼筋網捆扎的時候，根據注漿管的位置測量，在對應位置留出空隙以避免鋼筋干涉，個別預留空隙不能順利升管的情況下，適當拔動鋼筋網也可解決；依據臺車面板到巖壁或防水板的實際距離（包含超挖或欠挖情況），注漿管上升的過程中切勿行程過大損壞機構或防水板，模板宜采用鋼模，保證混凝土成型質量合格；臺車模板就位前應仔細檢查防水板等隱蔽工程，就位后還應檢查中線、高程等并做好記錄；曲線隧道應使弧線圓順，減少接縫錯臺。

（6）電纜溝槽施工：電纜槽宜采用移動模架一體機（電纜溝槽臺車）施工，施工前邊墻應鑿毛到位，基底應清理干凈。為了提高附屬工程施工質量，電纜槽蓋板與中心排水溝應統一集中預制；蓋板鋪設應兩端對齊并保持平穩，避免出現縫隙而導致晃動，出現小幅縫隙應用砂漿填平，為了統一標準，蓋板尺寸應保持一致。可增設短鋼筋來加固電纜溝槽與邊墻。

4 結束語

隨著我國社會經濟快速發展，鄉村振興不斷深化，道路交通運輸業越來越發達，高速公路隧道機械化施工技術明顯提升。本文詳細闡述了復雜地質環境下的山區高速公路隧道施工工藝，針對當前施工實際情況提出了隧道機械化施工的五條作業線，并針對施工中遇到的技術難題分別給出了相應的處理措施，為今后山區隧道施工提供一定的參考。