雙向六車道大斷面隧道快速施工技術(shù)研究

張小匯 黃林 馮進

收稿日期：2024-01-03

作者簡介：張小匯（1982—），男，碩士研究生，高級工程師，從事地下工程技術(shù)管理工作。

摘要 新白云國際機場第二高速公路聚龍山2號隧道是項目控制性工程之一。隧道開挖斷面大，工期緊，為保證施工安全、提高施工效率。項目通過對傳統(tǒng)開挖施工技術(shù)進行創(chuàng)新，采用開挖—初噴—開挖—初噴—兩循環(huán)復(fù)噴的開挖支護技術(shù)，保障了隧道施工的順利進行，大大地縮減了工期時間，可為其他類似工程提供指導(dǎo)性建設(shè)意見。

關(guān)鍵詞 山嶺隧道；新奧法；掘進

中圖分類號 U45文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0137-03

0 引言

雙向六車道隧道施工中，受開挖斷面和跨度的影響，隧道開挖難度較大。在圍巖較好區(qū)段，多采用正臺階法開挖；而在圍巖豎向沉降較大區(qū)段，多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔壁法進行開挖，隧道開挖工效大大降低，單循環(huán)工效約14～20 h，直接影響隧道的貫通工期。

為提高隧道整體進度，保證隧道快速施工，實現(xiàn)安全和經(jīng)濟效益最大化。在Ⅲ級圍巖（設(shè)計噴錨支護）地段，隧道開挖完成并對圍巖進行初噴穩(wěn)定后，即進行下一循環(huán)開挖作業(yè)，過程中通過監(jiān)控量測手段，實時掌握初噴后的圍巖變形。下循環(huán)開挖完成后，上循環(huán)立架、掛網(wǎng)、復(fù)噴作業(yè)與下循環(huán)的初噴同時進行。此技術(shù)利用有限的火工品供應(yīng)時間，實現(xiàn)了短時間內(nèi)兩次開挖作業(yè)，加快了隧道施工進度；通過監(jiān)控量測手段，保證了初噴后的圍巖動態(tài)時刻處于監(jiān)控之中，保障人員作業(yè)安全；通過進行初噴，為下循環(huán)周邊的眼鉆眼作業(yè)提供了較好的工作環(huán)境，能更加精確地控制外插角度，提高了光面爆破質(zhì)量[1-3]。

1 工程概況

廣州新白云國際機場第二高速公路南段第四合同段，聚龍山2號隧道位于白云區(qū)大源村大源水庫附近，線路呈北西—南東走向，洞身橫穿低山丘陵區(qū)。隧址區(qū)內(nèi)地面最大高程約301.4 m，隧道的最大埋深約136.5 m，左線進口最小埋深約1.38 m（明暗交界處），左線出口端最小埋深約3.31 m（明暗交界處）。右線進口最小埋深約7.6 m（明暗交界處），右線出口端最小埋深約2.5 m（明暗交界處）。隧道采用3車道上下行隧道形式，左線里程樁號為ZK32+565～ZK33+685，長1 120 m，進口段位于直線上，出口段位于R=3 030 m的左轉(zhuǎn)圓曲線上；進口段縱坡的坡度為+2.5%，出口段為?1.9%。右線里程樁號為K32+625～K33+600，長975 m，進口段位于直線上，出口段位于R=3 800 m的左轉(zhuǎn)圓曲線上；進口段縱坡的坡度為+2.5%，出口段為?1.9%。設(shè)置2處人行橫通道，1處車行橫通道。隧道凈寬為15.59 m，隧道建筑界限凈寬為14.75 m，凈高是8.0 m，建筑界限凈高為5 m。隧道左線進出口洞門均采用削竹式，右線進出口洞門均采用端墻式。

隧址區(qū)山體中部隧道洞身處，里程樁號K33+390附近發(fā)育有F3隱伏性斷裂。該斷裂為公魚嶺斷裂，斷裂呈東西走向（EW），傾向南（S）的傾角約80 °，早期為逆斷層，晚期轉(zhuǎn)為正斷層。構(gòu)造巖類型復(fù)雜，早期為糜棱巖和硅化巖，晚期則形成構(gòu)造角礫巖和硅化碎裂巖，斷層兩側(cè)具有早期的糜校巖和硅化現(xiàn)象。該斷裂與線位相交，在隧道中部穿過，受斷裂帶影響，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖波速為150～2 720 m/s。F3斷裂為非活動性斷裂，自第四紀以來處于較穩(wěn)定狀態(tài)。隧址區(qū)新構(gòu)造運動強度整體較弱，構(gòu)造穩(wěn)定性相對較好。

2 原理分析

隧道開挖引起的應(yīng)力狀態(tài)，重大變化局限在洞周一定范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖。在巖體內(nèi)開挖，破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了應(yīng)力的重新調(diào)整，直至達到新的平衡，此過程稱為應(yīng)力重分布。圍巖應(yīng)力重分布的主要特征是徑向應(yīng)力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱悖磺邢驊?yīng)力有所不同，有些地方產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，而有些地方產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。只要洞壁各點的應(yīng)力均未超過能夠?qū)е聨r體破壞的臨界值，整個圍巖將處于穩(wěn)定狀態(tài)；相反，任何圍巖的破壞必將從周邊開始，然后沿徑向向巖體內(nèi)部發(fā)展。

3 實施要點

①隧道開挖后應(yīng)立即進行初噴，可支承圍巖、加固圍巖和覆蓋圍巖表面，減緩風(fēng)化速度，并滿足分層噴射的要求，有助于圍巖的應(yīng)力重分布，防止應(yīng)力集中。②打設(shè)監(jiān)控量測標識，連續(xù)進行監(jiān)控量測，第一時間掌握圍巖變形狀態(tài)。③有助于提高下循環(huán)光面的爆破質(zhì)量，減少超挖。④利用有限的時間，最大限度實現(xiàn)單日兩循環(huán)開挖，提高經(jīng)濟效益[4]。

4 隧道快速施工技術(shù)

4.1 A循環(huán)開挖初噴

洞身圍巖較堅硬、完整，通過設(shè)計圖紙、揭示圍巖及超前地質(zhì)預(yù)報判斷，為Ⅲ級圍巖，設(shè)計預(yù)留量5 cm，起拱線處最大跨度為17.03 m，起拱線至拱頂為7.2 m，起拱線至底基層頂面的長度為2.29 m。隧道跨度較大，為保證掌子面及圍巖穩(wěn)定，采取正臺階法進行開挖，先對上臺階Ⅰ區(qū)進行開挖，后對下臺階Ⅱ、Ⅲ區(qū)進行跳槽開挖，施工順序為Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ，各循環(huán)上下臺階可進行平行作業(yè)，具體如圖1所示：

圖1 開挖順序

為保證開挖質(zhì)量，周邊眼采取光面爆破，導(dǎo)爆索間隔裝藥，提高爆后圍巖的平整度。

使用全站儀測量開挖輪廓線，用時約0.5 h；鉆孔作業(yè)配備15把手持式鑿巖機，定機、定位、定人和定責(zé)任，確保鉆孔質(zhì)量，鉆孔作業(yè)用時約2 h；裝藥、聯(lián)線和爆破用時約1 h；通風(fēng)排煙約0.5 h；找頂排險約0.5 h，開挖作業(yè)共用時約4.5 h。

爆破后進行通風(fēng)排煙，因隧道跨度較大，滿足雙裝載機出渣條件。為提高出渣效率，采取單洞配置兩臺裝載機的方式進行出渣。設(shè)計Ⅲ級圍巖的開挖斷面S為133.2 m2，考慮超挖系數(shù)a取1.1，巖石松散系數(shù)b取1.1，每循環(huán)開挖進尺L為3.2 m，每循環(huán)出渣量的計算公式如下：

V=S·a·b·L （1）

式中，V——每循環(huán)出渣量（m3）；S——圍巖開挖斷面（m2）；a——超挖系數(shù)；b——巖石松散系數(shù)。

根據(jù)公式（1），代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出：V=133.2

×1.1×1.1×3.2=515.75。

掌子面距離棄渣場為1 000 m，裝載機單斗容量1.2 m3，裝一斗消耗時間25 s，出渣車單車運輸量12 m3，運輸速度10 km/h，出渣時間T計算公式為：

（2）

式中，V——出渣時間（h）；t——每斗裝車時間（s）；V、v——每循環(huán)出渣量、裝載機單斗容量（m3）。

根據(jù)公式（2），代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出：T=515.75

×25÷3 600÷1.2=2.98≈3，具體詳見圖2所示：

圖2 A循環(huán)出渣作業(yè)

出渣完成后，使用挖機對拱頂松動巖體進行清除，保證后續(xù)作業(yè)安全。找頂過程中，對于較松散的巖塊，采用高壓風(fēng)進行找頂，詳見圖3所示：

圖3 A循環(huán)找頂排險

找頂排險完成前，噴漿班組人員、濕噴機、拌和站準備就緒，保證第一時間對圍巖進行初噴，初噴3～4 cm即可。初噴必須對圍巖進行全封閉，并與圍巖密貼，保證噴射密實，減少應(yīng)力集中，詳見圖4所示：

圖4 初噴示意圖

初噴使用濕噴機進行噴射，根據(jù)隧道跨度及臺階高度計算，每延米噴射混凝土量約5 m3、厚度為22 cm，每循環(huán)進尺3.2 m，初噴厚度為4 cm，每循環(huán)初噴量V1計算公式為：

·b·L （3）

式中，v——上臺階每延米噴射的混凝土量（m3）；T、t——噴射混凝土厚度、初噴混凝土厚度（cm）；L——每循環(huán)進尺（m）。

根據(jù)公式（3），代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出V1=5÷22

×4×3.2=2.91。

考慮對掌子面進行噴射混凝土封閉，掌子面上臺階斷面面積為94.9 m2，封閉厚度為4 cm，掌子面封閉混凝土方量V2計算公式為：

V2=S·t （4）

式中，S——掌子面上臺階斷面面積（m3）；t——封閉厚度（m）。

根據(jù)公式（4），代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出V2=94.9

×0.04=3.796≈3.8。

則初噴量共為6.71 m3，濕噴機工作效率約為5 m3/h。考慮85%工作系數(shù)，初噴用時為1.58 h，則A循環(huán)開挖初噴用時為6.08 h，詳見圖5所示：

圖5 A循環(huán)初噴作業(yè)

初噴完成后，立即打設(shè)監(jiān)控量測標識，并取得初始讀數(shù)。過程中應(yīng)連續(xù)進行監(jiān)控量測，收集圍巖變形量，并及時將數(shù)據(jù)反饋至技術(shù)人員，對圍巖的累計變形量和變形速率進行分析，確保安全的前提下方可繼續(xù)進行作業(yè)。出渣完成后，使用挖機對拱頂松動巖體進行清除，保證后續(xù)作業(yè)安全。找頂過程中，對于較松散的巖塊，采用高壓風(fēng)進行找頂。找頂排險完成前，噴漿班組人員、濕噴機和拌和站準備就緒，保證第一時間對圍巖進行初噴，初噴3～4 cm即可。初噴必須對圍巖進行全封閉，并與圍巖密貼，保證噴射密實，減少應(yīng)力集中。

4.2 B循環(huán)開挖初噴

此循環(huán)的開挖作業(yè)環(huán)境較好，上循環(huán)圍巖僅進行初噴，為本循環(huán)的打眼提供了良好的工作面。進行鉆孔作業(yè)時，注意周邊眼的外插角度不可過大，同時要充分考慮縱坡角度進而調(diào)整外插角度。同時，作業(yè)過程中，要時刻注意拱頂圍巖變化，聽從現(xiàn)場技術(shù)人員和安全員的指揮，必要時要馬上撤離。同時，為保證施工安全，提高監(jiān)控量測頻率，尤其是拱頂處測點，對其開累沉降值及每8 h的沉降值進行收集、反饋和分析。開挖完成后，第一時間對掌子面進行封閉，穩(wěn)定掌子面，防止掌子面處拱頂出現(xiàn)塌方。初噴必須對圍巖進行全封閉，并與圍巖密貼，保證噴射密實，減少應(yīng)力集中。B循環(huán)的開挖初噴同A循環(huán)，用時同為6.08 h。詳見圖6所示：

圖6 B循環(huán)初噴作業(yè)

4.3 兩循環(huán)立架、掛網(wǎng)、錨桿和復(fù)噴

兩循環(huán)立架、掛網(wǎng)、錨桿和復(fù)噴的流程如下：本循環(huán)初噴完成后，立即對上循環(huán)及本循環(huán)進行立架、掛網(wǎng)、打錨桿和復(fù)噴作業(yè)，形成支護體系，以隧道安全。兩循環(huán)作業(yè)完成后，即可對下循環(huán)開挖作業(yè)進行快速施工。詳見圖7所示：

圖7 A、B循環(huán)復(fù)噴作業(yè)

A、B循環(huán)立架、掛網(wǎng)、錨桿和復(fù)噴，經(jīng)過程統(tǒng)計，用時平均為11 h。兩循環(huán)完成工序共用時約23.2 h，則每天可完成循環(huán)開挖支護作業(yè)，考慮過程中工序轉(zhuǎn)換、機械故障和社會環(huán)境等因素影響，兩天完成三循環(huán)較為現(xiàn)實。

5 安全質(zhì)量控制要點

（1）加強初噴后監(jiān)控量測，實時動態(tài)的變形分析，保證在初噴工作面下的作業(yè)安全。

（2）及時進行初噴，保證噴射密實且初噴面平整，改善圍巖，并減緩圍巖風(fēng)化。

（3）兩循環(huán)初噴完成后，第一時間進行立架、掛網(wǎng)、錨桿和復(fù)噴作業(yè)，形成完整的初期支護體系。

6 結(jié)語

新奧法施工的核心主要為光面爆破、噴錨支護和監(jiān)控量測。該大斷面隧道快速施工技術(shù)，以新奧法為核心，充分利用圍巖在開挖后一定時間的自穩(wěn)能力，允許其有控制的變形，加之初噴，既保證了工效，提高了效益，又保證了安全，以期為同類工程提供借鑒。

參考文獻

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