某長大隧道機械化施工技術及經濟性分析

李金成

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510220)

0 引言

我國目前隧道施工技術已從過去的人工開挖轉變為半機械施工，并逐漸向人工配合大型機械施工的方向發展。馬建云[1]結合某隧道工程，探討了機械化施工的必要性及技術應用，對比分析了傳統工藝與機械化施工工藝的優缺點。李興春[2-5]等人針對隧道機械化施工配套展開了相關探討，結合實際工程案例提出了與各環節相適應的機械化施工方案，為隧道機械化施工提供了指導。吳夢軍[6-7]等人總結歸納了我國公路隧道工程中機械化施工采用的主要設備，認為隧道機械化施工的信息化、智能化、成套化和裝配化是未來的發展方向。

1 工程概況

依托工程高峰隧道進口段設計為分離式隧道，長度為2 157.5 m。單洞累計總長4 332.5 m，左右洞口中心直線間距37.71 m，左線最大縱坡為2.35%，右線最大縱坡為-2.35%，屬特長隧道。隧道所處山區為低山地貌區，區內地面高程為56～695 m，相對高差達639 m。

2 機械化施工方案

2.1 總體施工安排

隧道開挖、支護措施按新奧法原理進行設計、施工，并采用復合式襯砌結構，錨、網、噴砼作為初期支護手段，在洞身輔以型鋼拱架、鋼格柵和超前小導管作為超前支護，洞口段采用長管棚作為超前支護。隧道施工具體機械化設備配置如表1所示。

表1 機械化設備配置表

2.2 洞身開挖

隧道開挖過程中各級圍巖段一次開挖進尺，V級圍巖段按1榀鋼架間距控制，IV級圍巖段按2榀鋼架間距控制；Ⅲ級圍巖正常段按 3.0m控制，Ⅲ級圍巖緊急停車帶段屬超大斷面，按2榀鋼架間距控制。開挖方法主要采用雙側壁導坑法、單側壁導坑法和三臺階預留核心土法等。

2.2.1 雙側壁導坑法

雙側壁導坑法施工，隧道左右線錯開開挖，后行洞掌子面與先行洞二襯距離不小于20 m。在隧道開挖初期，支護應伴隨開挖進程同步推進，二次襯砌則應根據隧道監控量測結果綜合分析，根據不同監控數據采取不同處理措施，例如根據位移速率判斷圍巖的穩定性。具體施工方案立面圖如圖1所示。圖中阿拉伯數字表示雙側壁導坑法的開挖順序，羅馬數字表示開挖過程中支護的施工順序。

圖1 雙側壁導坑法施工立面圖

2.2.2 單側壁導坑法

對于分離式隧道段，采用單側壁導坑法施工。在施工過程中，左、右導洞上、下臺階長度一般控制在3～5 m，左、右導洞上臺階錯開距離20 m，側導洞初期支護時布置的臨時鋼拱架應在主洞初期支護鋼拱架閉合后，并且變形穩定之后才可拆除，施工中根據圍巖監控量測結果及時調整施工方案，如果圍巖變形較大時，增加臨時仰拱，以控制圍巖沉降和變形，確保安全。具體施工方案立面圖如圖2所示。

圖2 單側壁導坑法立面圖

2.2.3 三臺階預留核心土法

在開挖過程中采用上循環架立鋼架做超前支護，弱爆破分部開挖1部，與此同時，在隧道開挖過程中，每循環進尺一次，便分部施做隧道周邊初期支護，然后再開挖核心土并運送至洞外。首先開挖1部分，然后做1部的支護，隨后在1部后一段距離采取弱爆破，并且采取交錯開挖的方式分別開挖2和3部；在3部開挖后一段距離采取弱爆破，同樣采取左右交錯開挖的方式對4部和5部進行開挖，需要注意的是，在交錯開挖2部、3部和4部、5部過程中，開挖完畢后緊接著進行初期支護的施作，保證開挖過程中的結構穩定；最后開挖7部，并及時做隧道的封閉初期支護。具體施工方案立面圖如圖3所示。

2.3 監控量測

隧道施工的現場監控量測是施工管理的重要組成部分，通過現場監測獲得隧道圍巖在施工過程中的動態信息，為確定和修正洞身開挖初期支護參數、混凝土襯砌支護時間提供依據，為完善隧道工程設計與指導施工提供可靠的足夠的數據，能有效指導施工，預報險情，確保安全。監控測量項目布置及監測頻率如表2所示。

表2 現場監控量測設置

3 機械化施工工效及經濟性分析

3.1 機械化施工工效分析

機械化設備施工與傳統人工鉆爆法施工對比分析，優點明顯。在隧道鉆孔速率方面，液壓鑿巖臺車與氣動鑿巖機相比較要快50%以上，整體施工進程比人工開挖快30%以上，并且可以多孔同時施工，一次可以形成多個孔，極大地減少了鉆孔時間，同時因鉆桿可迅速、準確定位，無需搭建輔助工作平臺，節約了非鉆孔時間；并且隨鉆隨裝爆破炸藥，縮短了工序銜接的時間。

根據同類工程的經驗分析，機械化施工相關工效控制指標要根據現場的斷面典型施工情況進行調整。在使用相同的開挖方法情況下，在洞身開挖月進尺方面，機械化施工相較于常規人工開挖，Ⅴ級圍巖每月可多進尺30 m、Ⅲ級圍巖多進尺57 m，這說明隧道圍巖條件越好，越適合采用機械化施工。采用機械替代傳統人工施工，工效明顯比常規人工有優勢。工效分析如表3和表4所示。

表3 隧道左線工效分析表

表4 隧道右線工效分析表

3.2 機械化施工經濟性分析

機械化施工可通過智能系統控制濕噴過程中的下料速度，避免了人工下料過程造成大量浪費；降低噴漿機空轉率，提高噴漿機效率，比采用人工上料噴漿的效率提高了30%左右。由于施作效率的提高，機械化施工有效減少了噴漿機的電量損耗以及施工工作面內各類輔助設備的用電量，據不完全統計，僅機械化濕噴一項便可節省約35%的耗電量。

在圍巖及施工環境滿足機械化施工，并且機械施工正常前提下，取1個月為周期，測算機械化施工與人工鉆爆法2種施工工藝成本，進行經濟性對比(見表5)，每延米機械化施工降低成本1 032元，總成本降低約430萬元。

表5 機械化施工與人工法經濟性對比

4 結語

隧道工程尤其是長大隧道的機械化施工是大勢所趨，是將來隧道施工工藝的發展方向。無論是在施工安全性、工作效率還是經濟性方面，機械化施工有相比以往作業模式有著不可取代的絕對優勢。本文通過對依托工程的機械化施工，從洞身的開挖、支護及施工過程中的監控量測等方面進行技術總結，對工效及經濟性分析，為行業同類工程提供了實際經驗，具有一定參考價值。