基于智能施工裝備的軟巖水平層狀巖大斷面鐵路隧道支護體系施工工法

2025-09-09 00:00:00郭珂依蔡養弟姚懿德薛秋生劉一震于佳

四川建筑 2025年3期

【中圖分類號】 U455.4

【文獻標志碼】 A

0 引言

隧道工程經過多年研究發展，已經有了多種開挖工法，目前國內主要以新奧法為主，并且發展的較為成熟了。新奧法[1的要點是利用控制爆破，錨噴支護，與襯砌技術等手段，與巖石的力學理論結合而形成的一種施工工藝。主要包括全斷面法、臺階法、CRD法、CD法等等方法。我國現已經存在一些在復雜環境下進行隧道開挖的案例，閆超平[2]對某存在滑坡和巖堆等條件的隧道洞口進行研究，采用明洞外引、預加固樁、錨索框架梁和土釘墻等方法達到了治理的要求；鄒宏卓等[3以珠海市某軟土隧道為依托，采用CRD法、CD法開挖，支護中夾巖墻的方式，實現了隧道的安全施工。

隨著科學技術的發展，智能技術的更新，智能技術目前廣泛運用到多個方面，也包括工程建設方面。智能化建造、智能化施工已不再陌生，現在智能鑿巖臺車、智能襯砌臺車等智能設備已經廣泛運用到土木工程建設中來，這些智能設備運用于復雜環境，可以大大提高施工效率，是未來施工的一大發展趨勢。鄭萬高鐵是國內首條大型機械化施工、智能化建造的線路[4]，為其他隧道智能化提供了參考價值，它的圍巖智能分級系統能自動預測圍巖級別，設計參數優化系統能給出支護參數的建議，智能施工系統和智能管理系統也大大解放了人力，實現了智能化。李力等通過在盾構隧道勘察過程中應用BIM技術將勘察成果信息智能化的方式，創建三維地質信息模型，可以比較直觀、快速的查看地質結構特點，提高了勘察效率和正確率

本文以西延高鐵段隧道為依托在智能圍巖識別、智能施工設備等智能技術的基礎上，經過數值分析、方案比選等方法，提出了一種軟弱水平層狀巖的大斷面鐵路隧道支護施工工法，為隧道施工提供了有力的支持。本文針對這一工法展開了系統的介紹和分析。

1 工程概況

銅川隧道 XYZQ-4 標段位于陜西省銅川市境內，起訖里程 DK93+170～DK117+000 ，整體地勢由低向高。本標段橋隧總長 22.95km 。隧道內輪廓見圖1，隧道模型斜井正通見圖2。

圖1單洞雙線隧道內輪廓（單位：cm）

本線隧道大范圍存在水平巖層問題，水平巖層會嚴重影響隧道的快速施工。水平巖層易形成拱部掉塊空腔，可能導致拱部失穩坍塌。安全風險大，極易形成大的超挖，且拱部水平巖層開挖后易松弛。在水平層狀巖的條件下施工是一巨大難題，也是本文需要重點解決的問題。

2 方案比選

這里采用全斷面法與三臺階法進行對比，采用數值模擬

圖2銅川隧道模型斜井正面（單位：cm）

軟件進行施工過程模擬。

建立模型時簡化模型，取隧道埋深為 50m ，模型尺寸為100m×80m×50m. 。模型四周施加法向約束，模型頂部為自由邊界，數值計算服從摩爾庫倫強度準則。

圍巖參數根據銅川1號斜井地質素描資料和TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》進行選取。選取四級圍巖，其中圍巖重度取 28.6kN/m³ ，變形模量取 18.6GPa ，泊松比取0.22，粘聚力 0.2MPa ，內摩擦角 50^° 。初支噴混彈性模量取25GPa ，厚度取 20cm ，泊松比取0.2，密度為 2500kN/m³ ，劃分網格后得到模型如圖3所示。

圖3計算模型

徑向錨桿、徑向小導管的彈性模量取 180GPa ，小導管的模擬直徑為 42mm ，抗拉強度為 450MPa ，徑向錨桿的模擬直徑為 25mm ，抗拉強度為 200MPa ，彈性模量均取 210GPa 泊松比均取0.3。

模型進行模擬計算，最終得出圖4、圖5。

圖4拱頂沉降隨開挖步變形曲線

可以看出，雖然全斷面法的拱頂沉降和水平收斂較三臺階法都要大。但是三臺階法將隧道斷面劃分為各個小斷面進行施工，并采用臨時仰拱閉合初期支護。增加了施工步序，采用三臂鑿巖臺車時，由于推進梁長度約為 5m ，鑿巖臺車有效作業范圍僅能覆蓋中、下臺階作業面，上臺階無法進行鉆孔作業，而且根據地勘資料，該斜井西安方向Ⅲ級、V級圍巖交替更換頻繁，如果來回調整施工工法會大大影響智能機械化施工功效，比較浪費，所以這里初步確定采用全斷面法施工。

圖5水平收斂隨開挖步變形曲線

不過數值模擬的方法簡化了計算，忽略了初支施作時間，同時只考慮了四級圍巖的情況，其他不同圍巖的情況還沒有考慮，所以現場開挖的實際情況與數值模擬必定不同，所以還需要進行現場檢驗。

3 施工工法

根據現場的實際情況，綜合考慮施工的安全性以及效率，本工程采用基于智能設備的全斷面的方法進行施工（圖6）。

圖6全斷面法

3.1 工法流程

3.1.1超前地質預報

這一步驟利用全智能鑿巖臺車的超前探孔功能（圖7），同時采用遙感技術和數字勘探技術對巖體進行精細的勘探和分析。

圖7智能鑿巖臺車探孔

3.1.2拱部超前支護

由于水平軟弱巖層的存在可能會導致坍塌掉塊的不良地質現象，所以要對開挖面進行超前支護，對圍巖土體進行預加固，其中V級采用超前小導管支護，V級圍巖采用超前

小導管注漿進行固結。

在隧道拱部 140^° 范圍內布設超前小導管（圖8）。小導管采用長度 5.5m ，外徑 42mm ，壁厚 3.5mm 的熱軋無縫鋼管，小導管外插角 10^°～15^° 。按縱向間距 2.4m 環，V四級圍巖環向間距 0.5m，V 級圍巖環向間距 0.4m 進行布設，注漿材料采用水灰比為1：1的水泥漿，注漿壓力為 0.5～1.5MPa 。

圖8超前小導管布設

3.1.3 開挖

3.1.3.1 鉆爆施工

Ⅲ、V級圍巖全斷面利用三臂鑿巖臺車進行。根據提前導人的設計圖資料，利用鑿巖臺車的機載三維定位掃描系統精準掃描（圖9），快速定位，進行精準布孔（圖10）。

圖9鑿巖臺車自動掃描定位

圖10 自動布孔作業

鉆好孔后，進行放藥、爆破、出渣等工作，與常規工法一致，完成后進行下一步工序。

3.1.3.2 洞身支護施工

（1）鋼拱架安裝。首先按照施工要求在工廠預制好折疊式的三榀拱架，接著采用智能拱架臺車進行自動運送的方式運送至待安裝位置，并采用記載掃描儀進行自動精準定位（圖11），確定好安裝的精確位置。經過撬毛作業后，利用臺車遠程操控功能進行自動拱架安裝作業（圖12）。最后再施作鋼筋網片。

圖11拱架自動掃描定位

圖12拱架自動安裝作業

（2）錨桿安裝。該流程主要靠智能鉆注錨一體臺車完成。首先自動掃描定出孔位，再進行自動鉆孔，然后根據掃描的隧道輪廓信息（圖13），臺車自動計算所需漿液，完成自動拌漿、注漿，待砂漿強度達到要求后，最后安裝墊板擰緊螺帽（圖14）。

圖13錨桿臺車自動掃描

（3）初期支護施工。該流程主要靠智能濕噴臺車完成。首先根據掃描的輪廓規劃噴射路徑和噴射量（圖15），然后進行自動噴射 4cm 厚度混凝土（圖16），待鋼架安裝完成后再復噴至設計厚度，由于噴射臺車的精確控制，混凝土的回彈量得到很好的控制。

3.1.3.3拱墻襯砌混凝土澆筑

在滿足工序空間后，進行防排水、臺車定位、澆筑拱墻混凝土。

圖14錨桿臺車作業

圖16智能濕噴臺車自動噴射

二次襯砌及時施作。混凝土采用混凝土攪拌運輸汽車至工作面，泵送混凝土入模，通過臺車分層布料系統實現逐窗分層連續澆筑，臺車設置可視化模板及防空洞預警系統，以確保沖頂施工質量（圖17）。隧道襯砌施工完成 ^2h 以內進行襯砌背后帶模注漿?；炷敛扇「街秸駬v器和插人式振搗器的振搗方式。鋼筋混凝土襯砌地段，利用自行式防水板臺架施工。

4 現場驗證

為確保施工安全及掌子面的穩定性，確保支護結構的有效性，確認施工方法的準確性，同時為了防止水平巖層造成的沉降過大的問題，故必須對隧道進行監控量測。

監控量測預警等級劃分見表1。

現場驗證主要選取了 DK96+212，DK96+222，DK96+ 232，DK96+242，DK96+252 幾個斷面進行連續三天的監控量測。

監測數據如表 2～表4所示。

圖17 智能襯砌臺車作業