高速公路隧道機械開挖超欠原因及其控制對策

楊繼才

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

經(jīng)濟水平的不斷提升對我國交通事業(yè)的發(fā)展也起到重要的推進作用，隨著我國高速公路隧道工程建設難度不斷增加和建設數(shù)量不斷增多，在高速公路隧道工程施工作業(yè)環(huán)節(jié)中，因機械開挖超欠誘發(fā)的圍巖變形、隧道坍塌事故不斷發(fā)生。國內(nèi)學者的研究方向多以隧道支護、圍巖加固等為主，未針對地質(zhì)結構不穩(wěn)定的隧道工程項目展開深入研究。因此，文章以黃土隧道工程項目為例，對該隧道工程機械開挖作業(yè)過程中出現(xiàn)超欠開挖的原因以及具體的控制工藝展開分析，期望對全面提升高速公路隧道工程建設質(zhì)量有所幫助。

1 工程概況

某高速公路隧道采用左線和右線分離設計模式，其中左線樁號ZK116+830—ZK117+931，長度1101m；右線樁號為K116+810—K117+905，長度1095m，隧道內(nèi)設計車速為80km/h，采用I 類路面荷載，左、右兩側各設單行道。隧道的最大開挖高度為9m，寬度為11m，開挖面為108m2。工程場地地處黃土溝壑區(qū)，地形結構穩(wěn)定性較其他區(qū)域偏弱，地質(zhì)條件復雜。

2 隧道開挖方案確定

2.1 方案選擇

高速公路隧道開挖作業(yè)主要采用鉆爆法和機械開挖法。前者施工成本較低，但機械化程度不足，容易對隧道圍巖產(chǎn)生影響，無法保障隧道斷面成型質(zhì)量；而后者則具有施工效率高、更具安全性等特征。地質(zhì)結構不穩(wěn)定、圍巖結構不穩(wěn)定等因素均會對隧道工程開挖作業(yè)產(chǎn)生負面影響。

機械開挖作業(yè)過程中，土體會沿著節(jié)理松張或剪斷，加劇隧道坍塌風險。同時，受施工技術、測量工藝以及現(xiàn)場管控等因素影響，隧道也可能出現(xiàn)機械開挖超欠現(xiàn)象。由此可見，在高速公路隧道工程施工中，做好地質(zhì)結構勘探以及提前預測工作非常關鍵，不僅可以顯著提升項目施工效率，還可以避免機械開挖超欠現(xiàn)象的出現(xiàn)。該隧道工程項目在開展施工作業(yè)前，施工現(xiàn)場安排專業(yè)技術人員進行隧道地質(zhì)結構檢驗檢測工作。經(jīng)過前期勘察檢驗以及土質(zhì)取樣測試后發(fā)現(xiàn)，該隧道土體含水率在8.4%～9.9%，含水率較低，比較適合應用機械開挖法。機械開挖法又可以細分為懸臂掘進以及挖掘機開挖兩種，為提升隧道工程施工質(zhì)量，減少掘進作業(yè)時間，避免隧道拱頂沉降和圍巖坍塌，該工程項目最終選用懸臂掘進機開挖方案。經(jīng)過初步規(guī)劃，采用該作業(yè)方法針對隧道掌子面進行開挖時，僅需要2 人配合施工即可，不僅可以降低人工成本，還可以有效控制循環(huán)掘進作業(yè)時間，對比使用挖掘機作業(yè)可大幅度縮短作業(yè)時長，也可以有效預防機械開挖超欠，實現(xiàn)斷面一次成型[1]。懸臂掘進機作業(yè)方式產(chǎn)生的開挖面也比較平整，對周圍圍巖的影響較小，應用該作業(yè)方式能夠確保隧道開挖和支護工程的有效銜接，大幅度提升隧道工程項目施工的安全性。

2.2 機械化配套施工作業(yè)

結合隧道工程案例圍巖參數(shù)可知，為了持續(xù)提升隧道周圍土體結構的穩(wěn)定性，施工現(xiàn)場可在參考支護作業(yè)、懸臂掘進機施工參數(shù)的前提下，針對不同區(qū)域采用不同的掘進作業(yè)方法。例如，對該隧道淺埋段正洞洞身進行開挖，可以使用中隔壁法；對深埋段區(qū)域進行開挖則可以采用三臺階施工技術，確保初支結構一次成型，進一步提升隧道工程項目的施工效率；為了增強隧道掌子面的結構穩(wěn)定性，針對上臺階進行施工時，采取左右幅分別開挖的方式，此時懸臂掘進機僅需要移動一次，上臺階施工完成后再對下臺階進行開挖作業(yè)。

案例中的黃土隧道在進行機械開挖作業(yè)的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問題，施工項目組通過調(diào)查同類型施工案例，并且結合該工程項目的地質(zhì)結構特征、圍巖地質(zhì)條件以及現(xiàn)場施工情況等要素，對三臺階施工工藝加以優(yōu)化，采用兩臺階機械開挖作業(yè)方案，直接使用懸臂掘進機進行開挖作業(yè)，開展初支施工時，則采用配套機械設備進行施工。機械配套情況如表1 所示。

表1 機械配套情況表

3 機械開挖超欠的影響因素和控制技術分析

在進行高速公路隧道機械開挖作業(yè)時，必須考慮隧道周圍的圍巖地質(zhì)條件，根據(jù)具體的施工參數(shù)做好超欠開挖控制工作，靈活調(diào)整施工方案。

3.1 機械開挖超欠現(xiàn)象的原因

結合大量施工案例可知，導致隧道工程出現(xiàn)超欠開挖的原因包括土體含水率、開挖循環(huán)進尺、臺階長度、預留變形量以及機械設備配置參數(shù)等。

3.1.1 土體含水率

土體含水率是導致超欠開挖現(xiàn)象出現(xiàn)的核心因素。如果隧道中土體含水率較高，不僅會削弱周圍圍巖結構承載力和穩(wěn)定性，還會對施工方案設計產(chǎn)生影響。隧道土體含水率在15%～19%時，圍巖結構的脫水收縮率較低、穩(wěn)定性較好，開挖作業(yè)工程中的坍方和掉塊概率相對較低，施工人員可以根據(jù)實際施工要求，靈活調(diào)整開挖進尺。隨著土體含水率增加，其穩(wěn)定性也會降低，在開挖作業(yè)時，隧道拱頂和兩側的掉塊概率同樣會有所增加。當土體含水率超過23%，此時黃土的穩(wěn)定性嚴重下降，開挖作業(yè)時非常容易出現(xiàn)坍方[2]。

3.1.2 開挖循環(huán)進尺

一般情況下，機械開挖作業(yè)時的循環(huán)進尺越大，對周圍圍巖結構的破壞也就越大，會嚴重降低圍巖穩(wěn)定性，進而導致機械開挖超欠現(xiàn)象。

3.1.3 臺階長度

在隧道臺階施工作業(yè)過程中，如果臺階過長，會延長仰拱閉合時間，進而降低開挖面結構的穩(wěn)定性。

3.1.4 預留變形量

在隧道施工作業(yè)中，如果施工區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定，那么預留形變量數(shù)值和機械開挖超欠現(xiàn)象發(fā)生率成正比。

3.1.5 施工管理因素

高速公路隧道開挖作業(yè)過程中，工程施工管理不佳也是導致機械開挖超欠現(xiàn)象發(fā)生的主要因素。隧道機械開挖超欠控制成效可以直接反映施工隊伍的管理水平，如果施工人員綜合素質(zhì)低下或制訂的隧道施工方案不夠完善，都會誘發(fā)機械開挖超欠現(xiàn)象。例如，部分技術人員在隧道周圍打孔作業(yè)時，為了追趕施工進度，沒有及時將開挖輪廓線和周邊孔樣置于掌子面上，僅參考上一循環(huán)初支斷面進行打孔作業(yè)，會加劇隧道機械開挖超欠現(xiàn)象。再比如，如果施工現(xiàn)場不重視施工流程監(jiān)督管理工作，就會加劇機械開挖超欠現(xiàn)象發(fā)生的概率[3]。在隧道工程項目施工中，個別技術人員缺乏隧道作業(yè)經(jīng)驗，未嚴格按照施工流程進行施工，同樣會給高速公路隧道工程項目施工產(chǎn)生負面影響。

3.2 隧道機械開挖超欠控制技術分析

3.2.1 做好土體含水率監(jiān)測工作

在高速公路隧道工程機械開挖作業(yè)中，需要綜合考慮施工場地的斷面特征及其土體含水量等，明確圍巖參數(shù)。對土體含水率進行合理的劃分，據(jù)此優(yōu)化施工方案，確定臺階開挖長度和懸臂掘進機循環(huán)進尺參數(shù)，從而形成基于極限含水量的施工方案，實現(xiàn)對隧道機械開挖超欠的有效控制。對于存在嚴重機械開挖超欠現(xiàn)象的隧道掌子面區(qū)域，在開挖工作結束后，應采用鋼筋網(wǎng)材對其進行加固，然后根據(jù)施工作業(yè)要求完成混凝土噴射工作，架設鋼架作為初支。

3.2.2 合理控制開挖循環(huán)時長

隧洞開挖后，上部圍巖將產(chǎn)生一定的變形，并逐漸向塑性變形發(fā)展，進而引起上部結構的不穩(wěn)定，故需對上部開挖及初期支護時間進行嚴格控制。該項目采用兩臺階機械開挖作業(yè)方式，盡管臺階長度為懸臂掘進機作業(yè)提供了足夠的空間，但也會影響挖掘表面的穩(wěn)定度。因此，在進行噴漿前，機械手必須至少移動2 次，直到下臺階的混凝土噴完后，才能進入上臺階[4]。在施工環(huán)節(jié)，如果機械手混凝土噴射不連貫，可能導致管路堵塞，因此必須嚴格控制上下臺階混凝土噴射時間，最佳間隔時間在180min 以內(nèi)，這樣可以有效降低堵管概率。同時，施工現(xiàn)場必須做好施工組織設計工作，在不影響工程進度和質(zhì)量的前提下合理安排作業(yè)工序，減少機械開挖循環(huán)作業(yè)時長，減少掌子面暴露的時間，提升圍巖結構的穩(wěn)定性。

3.2.3 優(yōu)化臺階長度

在極限含水率施工作業(yè)方案下，施工現(xiàn)場必須根據(jù)圍巖結構參數(shù)對臺階長度進行優(yōu)化，保障斷面穩(wěn)定性。技術人員可以參照臺階長度對機械開挖超欠數(shù)值進行測算，然后靈活調(diào)整臺階長度。結合案例可知，隧道施工中使用的CTR300R 型懸臂式掘進機機械手的懸臂半徑為13m，據(jù)此能夠計算出上臺階為4m，中臺階為4.5m，下臺階為3m。為了減少挖掘周期，機械手的工作時間必須控制在120min 以內(nèi)。

3.2.4 控制預留變形量

高速公路隧道開挖結束后，需要進行斷面測繪，掌握隧道頂部的沉降及圍巖的收縮狀態(tài)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，技術人員需要對預留的變形量進行靈活調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)預留變形量超出控制范圍造成的機械開挖超欠。此外，為了減小施工對周圍環(huán)境的影響，在開挖工作結束后，應留下30cm 寬的人工調(diào)節(jié)間距[5]。

3.2.5 機械開挖施工監(jiān)測

為有效地控制機械開挖超欠現(xiàn)象，掌握其對圍巖結構的影響，保證后續(xù)施工的安全，該項目嚴格依照《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）進行全程監(jiān)控，監(jiān)測隧道拱頂沉降和水平收斂，測點布設如圖1 所示。

圖1 拱頂沉降及水平收斂測點布置

參照預留初始沉降變形量，技術人員對不同圍巖類型的掌子面的實際沉降變形量進行測量，觀測時間如下：一是隧道開挖成型后12～24h 內(nèi)；二是隧道二襯澆筑前沉降變形穩(wěn)定20d 以后。經(jīng)過一段時間的觀測，對得出的觀測數(shù)據(jù)（見表2）進行對比分析，最終確定不同類型圍巖的最終預留沉降變形量，并將觀測參數(shù)作為后續(xù)隧道工程施工的主要參考依據(jù)。

表2 最終實際預留沉降變形量統(tǒng)計表 單位：mm

3.2.6 做好施工組織管理工作，明確施工管理制度

確保施工質(zhì)量是高速公路隧道工程建設的核心要求，也是施工企業(yè)必須遵循的原則。施工現(xiàn)場必須重視施工組織管理工作，健全施工管理方案，以保障隧道工程質(zhì)量為核心。明確施工管理制度，優(yōu)化施工流程，參考施工中的各項數(shù)據(jù)完善施工方案。技術人員要根據(jù)隧道工程項目施工進度，做好施工現(xiàn)場監(jiān)督管理工作，用施工制度約束施工人員行為。施工人員也要充分掌握隧道開挖作業(yè)施工工藝，確保隧道工程順利開展。

4 結語

綜上所述，在高速公路隧道工程開挖作業(yè)施工時，采用懸臂掘進機掘進作業(yè)施工方式可顯著提升施工效率。在該工程案例中，開挖量可達到59m3/h，月進尺量高達101m，不僅保障了施工進度，還可以有效控制隧道機械開挖超欠現(xiàn)象。因此，在結構穩(wěn)定性較差的隧道工程作業(yè)中，一定要采取各種方法保障掌子面圍巖結構的穩(wěn)定性，靈活調(diào)整施工進度。隧道工程施工作業(yè)不僅要做好初支工作，還要做好掌子面的穩(wěn)定性監(jiān)測工作，借此有效控制隧道拱頂沉降和圍巖水平。