雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工技術(shù)研究

李維雍

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)重慶有限公司，重慶 401120）

1 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)學(xué)者對(duì)大斷面隧道全斷面機(jī)械化施工技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的積極成果。學(xué)者劉建國(guó)團(tuán)隊(duì)[1]以地層情況為軟弱圍巖條件的蘇家?guī)r隧道項(xiàng)目為研究背景，通過理論研究與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐相結(jié)合的方法，確定了一套科學(xué)可行的軟弱圍巖條件下的隧道全斷面施工優(yōu)化方案。該方案指出軟弱圍巖條件下的隧道全斷面機(jī)械化施工進(jìn)尺的安全距離為4.2 m，也就是單次進(jìn)尺在4.2 m以內(nèi)，軟弱圍巖條件下的隧道全斷面機(jī)械化施工是安全可靠的。學(xué)者黃維科團(tuán)隊(duì)[2]以龍昌隧道施工項(xiàng)目為研究背景，根據(jù)該隧道采用大斷面機(jī)械施工的實(shí)際情況提出了著名的“9+N”隧道大斷面機(jī)械化施工技術(shù)方案。并成功地將“9+N”隧道大斷面機(jī)械化施工技術(shù)方案進(jìn)行了實(shí)際推廣。

本文以斗篷山3號(hào)隧道工程為研究背景，根據(jù)工程施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與現(xiàn)有理論總結(jié)了全斷面機(jī)械化施工技術(shù)雙線高鐵隧道施工中的具體應(yīng)用。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證分析，驗(yàn)證了全斷面機(jī)械化施工技術(shù)的可靠性。

2 工程概況

斗篷山3號(hào)隧道位于貴州省貴定縣—都勻東車站區(qū)間，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，單洞雙線，進(jìn)口里程DK53+320，出口里程DK58+255，全長(zhǎng)4 935 m，其中，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度4 445 m，占隧道總長(zhǎng)的90.1%；Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度406 m，占隧道總長(zhǎng)的8.2%，隧道進(jìn)口為29 m加強(qiáng)型單壓式明洞，洞門采用加強(qiáng)型單壓式明洞門。隧道出口為55 m路塹式明洞，洞門采用路塹式明洞門。斗篷山隧道屬高原侵蝕、剝蝕中低山地貌，最大埋深約330 m。不良地質(zhì)為順層、巖堆、危巖落石。隧址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4col）碎石土、塊石土，坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土，下伏基巖為泥盆系中統(tǒng)雞窩寨段、雞泡段（D2d1+2）石英砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖偶夾赤鐵礦。

3 雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工技術(shù)

斗篷山3號(hào)隧道施工采用全斷面機(jī)械化施工，施工現(xiàn)場(chǎng)配置三臂鑿巖臺(tái)車1輛，布置了濕噴臺(tái)車作業(yè)線、防水板安裝定位臺(tái)架、鋼筋安裝定位臺(tái)架、液壓式仰拱棧橋作業(yè)線、溝槽滑膜臺(tái)車作業(yè)線、液壓式襯砌臺(tái)車作業(yè)線。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

斗篷山3號(hào)隧道開挖過程中大部分采用全斷面光面爆破施工，由于光面爆破施工技術(shù)對(duì)隧道地質(zhì)情況要求較為嚴(yán)格，為了確保大斷面隧道機(jī)械化施工作業(yè)環(huán)境安全可靠，必須對(duì)隧道進(jìn)行光面爆破前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。斗篷山3號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)采用的TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈敏性和可靠性均位居世界前列。施工項(xiàng)目部根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，制定了切實(shí)可行的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)計(jì)劃量工作表，為確保隧道全斷面機(jī)械化施工的順利進(jìn)行夯實(shí)了基礎(chǔ)。

3.2 光面爆破施工

斗篷山3號(hào)隧道Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度4 445 m，占隧道總長(zhǎng)的90.1%；在隧道整個(gè)Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域采用全面斷機(jī)械化光面爆破施工技術(shù)，施工過程中采用北京雷圖激光斷面檢測(cè)儀來(lái)控制隧道掘進(jìn)過程中不出現(xiàn)超挖或者欠挖的不利情形。為了順應(yīng)施工過程中隧道地質(zhì)情況的變化，在施工過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工遇到的實(shí)際情況對(duì)光面鉆爆方案進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。隧道大斷面機(jī)械化施工鉆孔采用三臂鑿巖臺(tái)車來(lái)實(shí)現(xiàn)，隧道周圍孔眼成孔采用光面爆破來(lái)實(shí)現(xiàn)。爆破設(shè)計(jì)方案如下：根據(jù)隧道地質(zhì)情況特點(diǎn)和整體施工方案要求，光面爆破的炸藥種類采用巖石乳化爆破炸藥，光面爆破的方法選擇微差爆破方法；為有效減小周邊眼的起爆時(shí)差，周邊眼的爆破選擇導(dǎo)爆索起爆。根據(jù)隧道地質(zhì)情況特點(diǎn)和整體施工方案要求，光面爆破的炸藥種類采用巖石乳化爆破炸藥，光面爆破的方法選擇微差爆破方法；為有效減小周邊眼的起爆時(shí)差，周邊眼的爆破選擇導(dǎo)爆索起爆，光面爆破施工工藝流程，如圖1所示。

圖1 隧道光面爆破流程圖

3.3 初期支護(hù)施工

3.3.1 超前管棚施工

隧道洞口處采用超前管棚做支撐，管棚采用鋼管制作，鋼管直徑為89 mm、鋼管壁厚5 mm，鋼管根數(shù)48根，鋼管一次非搭接循環(huán)長(zhǎng)度為12 m，相鄰兩循環(huán)鋼管搭接長(zhǎng)度為3 m，鋼管環(huán)向間距為0.4 m。

3.3.2 錨桿施工

隧道初期支護(hù)的部位主要是隧道拱部以及隧道邊墻部分，該部分支護(hù)采用低預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，錨桿采用直徑為25 mm的鋼筋，錨桿成孔設(shè)備采用三臂鑿巖臺(tái)，考慮道成孔直徑因留出錨桿施工間隙，再加上地層特點(diǎn)，成孔鉆頭直徑確定為0.05m，利用三臂鑿巖臺(tái)車和現(xiàn)場(chǎng)施工人員接力配合的策略完成現(xiàn)場(chǎng)施工中的錨桿推送環(huán)節(jié)，錨桿推送環(huán)節(jié)的工作應(yīng)該在錨桿鉆孔完成并驗(yàn)收通過后立即進(jìn)行，目的是盡最大可能避免孔內(nèi)沉渣的增加。三臂鑿巖臺(tái)車依靠其強(qiáng)大的自動(dòng)控制能力，在錨桿施工環(huán)節(jié)僅需要1名檢查錨桿孔位位置和錨桿傾斜角度的施工人員、2名安裝錨桿的施工人員，解放了大量的勞動(dòng)力，也大大提升了隧道施工作業(yè)環(huán)境的安全可靠性。

3.3.3 鋼架安裝

對(duì)到初期支護(hù)鋼架型號(hào)采用I20的工字鋼，工字鋼的縱向間距1.0 m，鋼架型號(hào)的架設(shè)和拼裝作業(yè)應(yīng)在隧道開挖首噴5 cm后立即進(jìn)行。初期支護(hù)鋼架安裝完成后在隧道拱腳處施打鎖腳錨管，鎖腳錨管的型號(hào)應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.4 防水板和鋼筋施工

由于隧道施工作業(yè)環(huán)境的特殊性，隧道施工中的防水卷材和鋼筋施工作業(yè)環(huán)節(jié)具有舉足輕重的地位。而該環(huán)節(jié)在大部分傳統(tǒng)隧道施工過程均是大量勞動(dòng)力配合簡(jiǎn)易臺(tái)架進(jìn)行安裝作業(yè)，不但施工進(jìn)度緩慢而且危險(xiǎn)系數(shù)較高。本工程現(xiàn)場(chǎng)施工采用鐵路隧道大斷面鋼筋掛布防水板一體臺(tái)車，無(wú)論是施工作業(yè)進(jìn)度還是施工安全性較傳統(tǒng)施工方法均具有顯著提高。

3.5 二次襯砌施工

隧道拱墻二次襯砌的鋼筋混凝土設(shè)計(jì)厚度為0.5 m，混凝土型號(hào)為C35，鋼筋主筋直徑為22 mm，鋼筋主筋間距為0.2 m，鋼筋保護(hù)層厚度為0.05 m。二次襯砌采用自動(dòng)布料襯砌臺(tái)車澆筑襯砌，自動(dòng)布料分層逐倉(cāng)澆筑系統(tǒng)主要由布料小車、管路系統(tǒng)、伸縮旋轉(zhuǎn)裝置、對(duì)位裝置等組成[3]。仰拱施工要求：仰拱開挖嚴(yán)格控制超欠挖，且線性平順。仰拱設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土設(shè)計(jì)厚度為0.7 m，混凝土型號(hào)為C35，鋼筋主筋直徑為22 mm，鋼筋主筋間距為0.2 m，鋼筋保護(hù)層厚度為0.05 m，采用C20混凝土進(jìn)行仰拱填充施工。

4 隧道全斷面機(jī)械化施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在對(duì)隧道施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量過程中，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量中較為容易測(cè)到的指標(biāo)是隧道拱頂沉降指標(biāo)和水平收斂指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)也是直接反應(yīng)隧道是否處于安全狀態(tài)的最直接的指標(biāo)[4]。基于此，本文對(duì)大斷面隧道全斷面機(jī)械化施工后隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)主要依據(jù)隧道拱頂沉降指標(biāo)、隧道水平收斂指標(biāo)、初期支護(hù)以及圍巖壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析判斷。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)、隧道水平位收斂監(jiān)測(cè)以及初期支護(hù)及圍巖壓力監(jiān)測(cè)，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

4.1 隧道拱頂沉降量監(jiān)測(cè)

通過對(duì)隧道拱頂沉降量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隧道拱頂?shù)某两抵翟谒淼篱_挖初期處于持續(xù)增加狀態(tài)，在第47 d時(shí)隧道拱頂出現(xiàn)最大沉降量為8.28 mm，之后開始趨于穩(wěn)定，在前47 d內(nèi)隧道拱頂沉降量雖然有小幅度波動(dòng)，但是整體處于增加狀態(tài)，最終拱頂沉降量達(dá)到8.57 mm后趨于穩(wěn)定，Ⅳ級(jí)圍巖的安全位移是小于50 mm，該拱頂沉降量處于安全位移范疇內(nèi)。

4.2 隧道水平收斂監(jiān)測(cè)

通過對(duì)隧道水平收斂的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隧道水平收斂值在隧道開挖當(dāng)天至開挖后的49 d內(nèi)持續(xù)增加，其中最大水平收斂值出現(xiàn)在第49 d，最大水平收斂值為3.98 mm，從第49 d開始，隧道水平收斂值的增長(zhǎng)速率開始下降并最終趨于穩(wěn)定，測(cè)得隧道趨于穩(wěn)定后的水平收斂最大值為4.77 mm，Ⅳ級(jí)圍巖的安全位移是小于50 mm，該隧道水平收斂數(shù)值小于基準(zhǔn)值。隧道水平收斂數(shù)率從49 d前的大于0.2 mm/d，逐漸變化為49 d后的小于0.2 mm/d，這表明隧道水平收斂數(shù)值已基本趨于穩(wěn)定。

4.3 初期支護(hù)與圍巖間的壓力數(shù)值監(jiān)測(cè)

隧道初期支護(hù)與圍巖間的壓力監(jiān)測(cè)采用壓力盒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之前需要確定各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力盒均處于受力狀態(tài)。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，所有的壓力盒測(cè)試點(diǎn)處的圍巖壓力在隧道開挖后的28 d內(nèi)持續(xù)增加，但當(dāng)隧道初期支護(hù)后的影響逐漸加強(qiáng)后，各個(gè)壓力盒處的圍巖壓力值開始降低并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)圍巖壓力趨于穩(wěn)定后測(cè)得壓力數(shù)值為0.32 MPa，這也是測(cè)得的最大圍巖壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)斗篷山3號(hào)隧道全斷面機(jī)械化施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)是基于隧道施工和隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)測(cè)兩方面來(lái)進(jìn)行的。斗篷山3號(hào)隧道施工大體上實(shí)現(xiàn)了大斷面機(jī)械化配套施工，相比傳統(tǒng)的人工鉆孔難以保證鉆孔角度、精度、深度，超欠挖差異大，圍巖光爆效果不佳等不利情況來(lái)說(shuō)，三臂鑿巖臺(tái)車采用自動(dòng)定位系統(tǒng)和重型鋁合金推進(jìn)梁剛性好，抗彎及抗扭強(qiáng)度高，能夠有效保障鉆孔角度、精度、深度，成孔質(zhì)量高，這充分說(shuō)明全斷面機(jī)械化施工具有超前的建設(shè)施工優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，特別是對(duì)隧道圍巖拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、隧道水平收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、隧道初期支護(hù)以及圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以確定全斷面機(jī)械化施工后的雙線高鐵隧道圍巖穩(wěn)定性符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。