雙洞八車道公路隧道機械化施工工法轉換技術研究

方毓澄，李行利

（1 廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510623；2 中鐵十一局集團第四工程有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

隨著我國隧道建設技術的高速發展和經驗總結的不斷完善，目前隧道建設逐漸邁向大斷面、軟弱圍巖發展，伴隨著各種大型設備的生產與應用，機械化施工在隧道中占據主導地位[1-3]，其在增加施工效率的同時，減少了隧道中存在的安全隱患。但是機械化設備的使用必然會導致傳統施工工法、工藝的革新，因此通過改良現有施工工法，與機械化施工相結合，是當前所面臨的問題。

藍樹雄[4]等結合堆角隧道工程實例，介紹了隧道機械化設備在公路隧道安全管理施工中應用的優點，并與傳統施工工法進行對比，從人員投入、工時、質量、安全性等方面分析了機械化施工在公路隧道安全管理中所起的作用。唐紅權[5]等依托鄭萬高鐵楚烽隧道、保康隧道、新華隧道不同圍巖級別現場機械化大斷面施工的定額測定成果，并結合新工藝工法下設計理念及工程措施優化所造成的工程量差，與現行常規機械化施工工法進行經濟性對比分析，得出高速鐵路軟弱圍巖隧道機械化大斷面施工工法的適應性范圍。黎建華[6]基于鄭萬高鐵湖北段高家坪隧道試驗段，開展了三階法、兩臺階法和全斷面(帶仰拱)開挖工法的全方位現場監控量測試驗研究，并采用接觸問題的罰函數法對初期支護和圍巖間界面效應進行了圍巖-支護結構數值分析。余小周[7]軟弱圍巖隧道機械化全斷面開挖工法，主要依據“新奧法”原理，優化支護參數，重視初期支護對提高圍巖承載能力的作用，配套機械化作業采用全斷面開挖，降低隧道施工安全風險、提升施工質量、加快施工進度、提高經濟效益。張俊儒[8]等歸納總結分析了四車道及以上超大斷面公路隧道斷面形狀、施工工法、施工力學和支護參數等的技術現狀以及研究中存在的不足。辛講合[9]等分析了目前機械化施工的現狀與問題，對適應機械化施工的臺階法臺階高度和安全步距進行了優化設計，并進行了理論分析和數值模擬；提出了對隧道初期支護參數的優化。邢賀虎[10]研究軟弱圍巖隧道的機械化施工狀況，對隧道施工過程當中的重要施工環節進行了重要的分析，有效結合了軟弱圍巖地層隧道的工程施工案例，針對軟弱圍巖城隧道施工的施工技術和施工方法進行了研究和探討。王志堅[11]為實現大斷面隧道機械化施工，針對鄭萬高速鐵路湖北段隧道機械化施工所面臨的掌子面穩定性控制、支護結構參數優化、機械化施工工法及施工工藝參數選取等進行了研究。

由上述研究可以看出，諸多學者針對大斷面隧道機械化施工工法進行了一定的探討與研究，并結合隧道施工現場進行了其合理性的驗證，但鮮有學者對雙洞八車道公路隧道機械化施工工法進行相關研究，對機械化施工工法轉換技術的研究更為少見。因此本文針對雙洞八車道公路隧道，對雙側壁法轉三臺階法進行了相關研究。

1 依托工程

城仔山超大跨度公路隧道進口位于汕尾市海豐縣梅龍鎮，出口位于深汕合作區赤石鎮。隧道為雙洞八車道分離式隧道，左線隧道起迄里程為ZK52+289～ZK54+616，長2327 m，右線隧道起迄里程K52+322～K54+693，長2371 m，隧道最大開挖寬度22.6 m，最大開挖面積為254.54 m2，屬超大跨度公路隧道，具體工程概況如圖1所示。

圖1 城仔山雙洞八車道公路隧道工程概況圖

圖2 “一洞九線”裝備配套

隧址區地層巖性為坡殘積粉質粘土、侏羅系砂巖及其風化層，其中覆蓋層基巖由中、微風化砂巖組成，基巖巖體較為完整。隧道主要穿越有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，分別占比為48%、25%、27%，隧道進、出口段為V級圍巖淺埋或Ⅳ級圍巖加強段。

以施工工法為準繩，為各個工序選擇適配的大型施工機械裝備，形成機械化配套方案，是鉆爆法公路隧道機械化快速施工的前提條件之一。城仔山隧道采用“一洞九線”全工序機械化施工為技術路線，配備了9臺套的大型施工機械裝備，還針對雙洞八車道公路隧道機械化施工特點和需求，研發了3臺小型工裝，最終形成了完善的雙洞八車道公路隧道機械化施工裝備配置方案，如圖1所示，主要配套的大型機械設備有全電腦三臂鑿巖臺車、多功能拱架安裝臺車、濕噴機械手、液壓仰拱棧橋、防水板鋼筋臺車、智能二襯臺車、二襯養護臺車、水溝電纜槽臺車、大型挖機。

2 機械化雙側壁導坑法

機械化施工中的雙側壁導坑法是一種常見而有效的隧道開挖工法，主要應用于大斷面、復雜地質條件下的隧道建設。該方法以機械化設備為主導，在隧道兩側同時進行開挖，采用導坑形式對巖土進行處理，以確保施工的安全、高效和精確。

1）側壁導坑空間放大，便于大挖機、裝載機、濕噴機械手等機械化施工；

2）優化施工組織設計，由“時間錯開”改為“空間錯開”，各導坑縱向錯開同步向前掘進；

3）采用臨時棧橋，及時封閉成環。

2.1 工法參數

左右導坑上臺階高7.5 m，中臺階高度2.3 m，下臺階高度2.3 m（帶仰拱側3.9 m），中導坑上臺階高6.2 m。側導洞上臺階長度15 m，中、下臺階16 m，中部8 m。先行與后行側導洞上臺階掌子面錯開12 m，中導洞上臺階長度8 m，中部25 m斜坡道。

2.2 施工工序

機械化雙側壁導坑法具體施工工序如下：

1）先行導坑上臺階向前掘進支護一定距離；

2）先行導坑上中臺階同步向前掘進支護一定距離；

3）先行導坑上中下臺階（側壁導坑仰拱封閉成環）同步向前掘進支護一定距離；

4）后行導坑上臺階縱向錯開先行導坑上臺階向前掘進支護一定距離；

5）后行導坑上中臺階同步向前掘進支護一定距離；

6）后行導坑上中下臺階（側壁導坑仰拱封閉成環）同步向前掘進支護一定距離；

7）中導坑上臺階縱向錯開后行導坑上臺階向前掘進支護一定距離；

8）中導坑上下臺階（全斷面仰拱封閉成環）依次交替向前掘進支護一定距離。

開挖斷面及具體施工步序如圖3所示。

圖3 雙側壁導坑法施工工序縱斷面圖

3 機械化三臺階法

隧道施工中的機械化三臺階法是一種以弧形導坑開挖留核心土為基本模式的施工方法。這種方法將隧道分為上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進。機械化三臺階法具有施工空間大、方便機械化施工、適應不同跨度和多種斷面形式、初期支護操作便捷、在臺階法的基礎上預留核心土以利于開挖工作面穩定等優點。

1）上臺階采用大斷面開挖，三臂鑿巖臺車、拱架安裝機、濕噴機械手等大型機械雙機作業；

2）利用自進式管棚和玻璃纖維錨桿對前方圍巖預加固；

3）施工順序的調整，由“鎖腳→系統錨桿（循環）、超前→噴漿→打眼”調整為“噴漿→打眼→系統錨桿、鎖腳、超前→裝藥爆破”，把三臂鑿巖臺車工作量集中在一起，減少了設備進出場工序銜接時間；

4）通過C30早高強噴射混凝土、后置式鎖腳的綜合應用實現該施工組織模式調整。

3.1 工法參數

三臺階法上臺階高8.5 m，中臺階高度2.2 m，下臺階高度2.2 m。上臺階長度40 m，中下臺階長度32 m。

3.2 施工工序

機械化三臺階法施工步序詳述如下：

1）雙三臂鑿巖臺車在上臺階向前打眼爆破；

2）爆破后挖掘機排險扒上臺階渣，雙裝載機出渣；

3）出渣完后一臺濕噴機械手初噴；

4）初噴后拱架安裝機立架；

5）立架后采用三臂鑿巖臺車打系統錨桿、鎖腳錨桿（管）、超前管棚，后復噴混凝土；

6）待上臺階長度達到40 m時，中臺階掌子面左右錯開開始向前掘進，保證上臺階與中臺階掌子面向前掘進速度保持一致；

7）待中臺階長度達到8 m時，下臺階掌子面左右錯開開始向前掘進，保證上臺階、中臺階和下臺階掌子面向前掘進速度保持一致；

8）待仰拱初支距上臺階掌子面長度達到118 m時，掌子面施工中管棚、錨桿，仰拱出渣，挪移自行式棧橋仰拱棧橋，施工仰拱及填充。通過簡易棧橋（40 m長）、液壓自行式棧橋保障掌子面距二襯交通暢通；

9）待二次襯砌距上臺階掌子面長度達到178 m時，開始施作二襯。同時保證二襯與開挖進度保持一致。

開挖斷面及具體施工步序如圖4所示。

圖4 三臺階法施工工序縱斷面示意圖

4 機械化雙側壁法轉三臺階法

4.1 計算參數

根據城仔山隧道施工揭示的地質情況、地勘資料及《公路隧道設計規范——第一冊：土建工程》綜合分析，選取圍巖物理力學參數，見表1所示。支護參數是基于設計圖機械化雙側壁導坑法施工適用的Vd型復合式襯砌，在超前支護、系統錨桿、噴射混凝土方面進行了加強，具體襯砌支護參數見表2所示。

表1 雙側壁導坑法施工巖土體物理力學參數

表2 Vd型復合式襯砌超前支護、初期支護及二次襯砌設計參數

4.2 計算模型及結果

計算模型分別如圖5、圖6所示。

圖5 Vd復合式襯砌雙側壁導坑法數值模擬計算模型

圖6 IVd復合式襯砌機械化三臺階三維數值模擬計算模型

通過數值模擬主要給出深汕西高速公路城仔隧道進口段雙側壁導坑法施工中十二組不同選擇數值模型中的轉換斷面縱向126 m斷面，提取支護結構位移、應力數據，并分析雙側壁導坑法轉三臺階法支護結構施工力學特征。

1）洞周位移隨工序變化規律

由圖7可知，在工序一到五中，由于監測斷面靠近掌子面，拱頂沉降始終較小。當到工序六即開挖兩臺階法的上臺階，拱頂沉降急劇增大，工序六后拱頂沉降趨于平衡。

圖7 洞周位移隨工序變化曲線

2）支護結構應力隨工序變化規律

由圖8可知，對于最大壓應力值，在工序一到五中，由于監測斷面靠近掌子面，上臺階鎖腳錨桿應力較小，當掌子面遠離監測斷面時，上下臺階的鎖腳錨桿應力急劇變化，在工序六后逐漸趨于平衡。在修建大斷面的軟弱圍巖隧道時，采用鎖腳錨桿能顯著減小隧道的拱頂下沉及凈空收斂值，鎖腳錨桿與普通系統錨桿不同，鎖腳錨桿是通過限制鋼拱架位移來抑制圍巖的變形[12]。

圖8 鎖腳錨桿壓應力隨工序變化曲線

由圖9可知，整個施工過程中，噴射混凝土最大拉應力均位于拱頂，在轉換過程一工序中，最大拉應力快速上升；在轉換過程四后，應力急劇增加，因為監測斷面的開挖面積逐漸增大；另一方面，噴射混凝土最大壓應力均位于上臺階拱腳，在轉換過程五后急劇增大，因為監測斷面的開挖面積逐漸增大，之后隨工序變化減小。

圖9 噴射混凝土應力隨工序變化曲線

4.3 人員配置

雙側壁導坑法采用一般機械化配套施工，長臺階法（全斷面法）采用大型機械化配套施工，單個作業面（共4個作業面）人員配置如表3所示。

表3 單個作業面施工隊伍勞力配置表（大機作業83人/傳統作業120人）

5 結語

1）機械化施工中的雙側壁導坑法是一種常見而有效的隧道開挖工法，主要應用于大斷面、復雜地質條件下的隧道建設。而隧道施工中的機械化三臺階法是一種以弧形導坑開挖留核心土為基本模式的施工方法。

2）雙側壁導坑法轉三臺階法的整個施工過程均保持掌子面整體穩定，轉化距離短，施工效率高，人員配置少，超前支護結構安全，洞身支護結構安全，所采用的工法轉換流程可為相關隧道工程的施工工法進行指導。