軟巖隧道短臺(tái)階法開挖的機(jī)械化施工

雷丙超

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 工程概況

蒙華鐵路坪橋1號(hào)隧道位于陜西省延安市安塞縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為單洞雙線鐵路隧道，全長1418m，圍巖類型主要為Ⅳ～Ⅴ級(jí)。隧道區(qū)地貌類型屬于陜北黃土高原梁峁區(qū)，沖溝發(fā)育，零星分布小面積黃土塬，溝谷切割較深，大部分覆蓋深層黃土，偶見基巖裸露。隧道地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，洞底以上無地表水系，主要受大氣降水補(bǔ)給。

（1）該段地質(zhì)情況。

第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)新黃土：稍密、稍濕、呈松散結(jié)構(gòu)、易坍塌；侏羅系中統(tǒng)泥巖、全～強(qiáng)風(fēng)化、呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)、易坍塌；砂巖：弱風(fēng)化、呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)表

2 軟巖黃土隧道地層沉降變形的因素分析

（1）地層含水率偏低。砂質(zhì)新黃土地層，含水率低，屬高壓縮性、高觸變、高靈敏度、大孔隙比、低強(qiáng)度等軟土特征，巖層具有濕陷性，自穩(wěn)能力差，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

（2）開挖過程中的擾動(dòng)。圍巖開挖后承載力迅速下降，機(jī)械設(shè)備的每一次開挖動(dòng)作都會(huì)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擾動(dòng)。中下臺(tái)階開挖過程中會(huì)對(duì)上一級(jí)臺(tái)階拱腳造成擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)拱頂造成二次、三次變形。

（3）綜合因素的沉降累積效應(yīng)。3臺(tái)階開挖施工引起沉降變形的因素往往是綜合的，涉及到施工的各方面，這些方面又會(huì)相互影響，如控制措施不到位，又會(huì)形成沉降的累積效應(yīng)。

3 短臺(tái)階快速封閉成環(huán)的理論依據(jù)

（1）圍巖的拱橋效應(yīng)。

快速封閉成環(huán)對(duì)圍巖起到支撐作用，環(huán)形結(jié)構(gòu)的受力變形可以看出，上部下壓，下部上抬，兩邊拱墻只能向外突，但是兩邊圍巖又阻礙了其變形［1］。

（2）限制隧道的收斂變形。

盡快封閉成環(huán)主要是為了使圍巖荷載盡快均勻分配在支護(hù)環(huán)上，限制隧道圍巖的收斂變形，避免圍巖因?yàn)檩^大變形對(duì)圍巖自穩(wěn)能力造成永久性傷害，進(jìn)而提高臨時(shí)支護(hù)的安全系數(shù)，防止塌方等意外事故［2］。

（3）將圍巖豎向荷載部分轉(zhuǎn)化為橫向荷載。

隧道開挖后，迅速造成開挖周圍處于空洞懸空狀態(tài)，快速封閉成環(huán)可以快速使得初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍圍巖形成環(huán)狀整體受力結(jié)構(gòu)，并將巖體的豎向荷載部分轉(zhuǎn)化為向兩側(cè)拱墻外側(cè)的橫向荷載，由于兩側(cè)拱墻外側(cè)圍巖同時(shí)給于拱墻內(nèi)側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平推力，從而使得轉(zhuǎn)化為兩側(cè)拱墻外側(cè)的橫向荷載和這一水平推力形成平衡狀態(tài)，進(jìn)而從整體上減輕了圍巖的豎向荷載［3］。

4 機(jī)械化配套方案

坪橋1號(hào)隧道進(jìn)口工作面為二級(jí)機(jī)械化配套施工，下面以進(jìn)口段為例，闡述8條機(jī)械化作業(yè)線設(shè)備配套情況。

4.1 裝運(yùn)作業(yè)線機(jī)械化

主要工序?yàn)椋和ㄟ^挖掘機(jī)找頂——裝砟——運(yùn)輸。

出碴作業(yè)是隧道施工的重要工序之一，大型裝運(yùn)設(shè)備的投入，可大大縮短出碴時(shí)間，從而加快隧道循環(huán)作業(yè)。坪橋1號(hào)隧進(jìn)口工作面出碴配備1臺(tái)沃爾沃L220F裝載機(jī)，鏟斗容量4m3。8臺(tái)雙橋驅(qū)動(dòng)，載重量在20t以上的自卸車。為保證快速出碴，要做到爆破前車輛在規(guī)定的位置等待，爆破通風(fēng)后，快速進(jìn)入掌子面出碴。大型裝運(yùn)設(shè)備的使用，可大大縮短出碴時(shí)間，加快隧道施工進(jìn)度。與傳統(tǒng)出碴（采用2臺(tái)普通裝載機(jī)）方式相比，采用該機(jī)械化裝運(yùn)作業(yè)可大幅提高功效，且節(jié)約成本。以裝碴350m3做對(duì)比，采用機(jī)械化作業(yè)與傳統(tǒng)作業(yè)手段綜合對(duì)比見表2。

表2 裝運(yùn)作業(yè)線綜合對(duì)比

4.2 噴錨支護(hù)作業(yè)線機(jī)械化

主要工序：通過濕噴混凝土機(jī)械手初噴——立架——掛網(wǎng)——噴錨。

混凝土濕噴射機(jī)械手噴射速度快，回彈小，降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。而傳統(tǒng)采用小型濕噴機(jī)的錨噴作業(yè)，其施工作業(yè)環(huán)境差、外加劑摻量偏差大、回彈率高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。為克服上述問題，投入了鐵建重工生產(chǎn)的混凝土濕噴機(jī)械手，并增加了低壓系統(tǒng)穩(wěn)壓器等局部改進(jìn)。

4.3 鋪底作業(yè)線機(jī)械化

主要工序：仰拱開挖——仰拱初支——止水帶定位——弧形模板定位——端模定位——仰拱澆筑——弧形模板拆除——中心水溝內(nèi)模定位——仰拱填充澆筑。

為減少施工干擾，加快施工進(jìn)度，采用了自行式液壓仰拱棧橋。該棧橋長40m，支點(diǎn)間跨度30m，單循環(huán)最大施工長度24m，而且能夠根據(jù)仰拱實(shí)際開挖情況改變長度，并能做橫向移動(dòng)；與普通棧橋相比，具有安全性能好、施工工效高、移動(dòng)速度快、不干擾掌子面施工等優(yōu)點(diǎn)；移動(dòng)棧橋主梁和橋面采用桁架式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性可滿足橋上通行和橋下作業(yè)要求，達(dá)到了掌子面施工與仰拱施工平行作業(yè)的目的，大大提高了隧道整體施工進(jìn)度，具有快速、便捷、干擾小的特點(diǎn)，施工效率可提高20%左右。

4.4 防水層作業(yè)線機(jī)械化

主要工序：初支表面清理——土工布掛設(shè)——防水板掛設(shè)——臺(tái)車定位——止水帶定位。防水層作業(yè)線包括防水板鋪掛多功能作業(yè)臺(tái)車、超聲波焊機(jī)、自動(dòng)爬焊機(jī)等。防水板鋪掛多功能作業(yè)臺(tái)車上配有兩道升降滑軌，可實(shí)現(xiàn)防水板的自動(dòng)升降，省工省力。

4.5 襯砌作業(yè)線機(jī)械化

隧道二次襯砌采用12m襯砌模板臺(tái)車，針對(duì)傳統(tǒng)中埋止水帶施工工藝存在的易滲漏水問題，經(jīng)過總結(jié)創(chuàng)新，我們對(duì)臺(tái)車端部進(jìn)行了改進(jìn)，加裝了帶有可翻轉(zhuǎn)鉸接裝置的鋼端模，確保了中埋止水帶的居中埋設(shè)?；炷翝仓捎萌萘?2m3罐車運(yùn)輸，功率90kW輸送泵進(jìn)行泵送，同時(shí)備有500kW發(fā)電機(jī)，以提供應(yīng)急備用電源。現(xiàn)場施工中加強(qiáng)混凝土振搗，保證襯砌混凝土的密實(shí)度。結(jié)合對(duì)砂石等原材料的質(zhì)量把控，以及高質(zhì)量的防排水施工，使二次襯砌真正達(dá)到了內(nèi)實(shí)外美的效果。

4.6 二襯養(yǎng)護(hù)、注漿、敲擊作業(yè)線機(jī)械化

二次襯砌作業(yè)線投入使用液壓模板臺(tái)車，并在端頭安裝可翻轉(zhuǎn)的雙鉸耳式鋼端模，有效保證了混凝土施工質(zhì)量及施工縫的防水效果。進(jìn)口工區(qū)成立了專門的二襯養(yǎng)護(hù)、注漿、敲擊作業(yè)班組，二襯拆模以后，及時(shí)進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，并引進(jìn)了多功能炮霧抑塵車，通過高壓泵將水霧噴灑到二襯表面，形成對(duì)二襯的噴灑養(yǎng)護(hù)。通過14d的噴霧養(yǎng)護(hù)，減少了襯砌混凝土表面因養(yǎng)護(hù)不及時(shí)產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，提高了襯砌表觀質(zhì)量。拆模1個(gè)月內(nèi)完成襯砌表面敲擊檢測，探明襯砌背后脫空、不密實(shí)的部位及范圍，及時(shí)采取低壓注漿措施消除質(zhì)量缺陷。

4.7 溝槽施工作業(yè)線機(jī)械化

傳統(tǒng)的溝槽施工多采用拼裝式模板，需分次澆筑，存在施工工效低、整體性差、易滲漏、外觀質(zhì)量差等問題。為了改善傳統(tǒng)溝槽施工中存在的問題，我們加工定做了自行式液壓溝槽移動(dòng)模架，可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動(dòng)定位、模架整體走行，溝槽一次成型，每次可對(duì)稱澆筑12m，使溝槽的表觀質(zhì)量、整體性都有了較大提高，施工工效也有了較大提升。

4.8 輔助作業(yè)線機(jī)械化

輔助作業(yè)線配備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專業(yè)設(shè)備、監(jiān)控量測儀器及信息化軟件、進(jìn)口高效環(huán)保的隧道通風(fēng)設(shè)備，確保隧道作業(yè)安全、環(huán)保、有序。隧道監(jiān)控量測使用1臺(tái)2s徠卡TS06全站儀，并配備有專業(yè)的中鐵天寶監(jiān)控量測手持機(jī)終端系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集、處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)上傳至服務(wù)器，通過管理平臺(tái)即可隨時(shí)掌握量測結(jié)果，有效的保證了施工安全。隧道通風(fēng)采用的是進(jìn)口變頻風(fēng)機(jī)，能耗低、工效高，實(shí)現(xiàn)了較好的通風(fēng)效果。

5 工藝流程及操作要點(diǎn)

隧道開挖寬度12m，開挖高度11.6m。采用3臺(tái)階法開挖，上部弧形開挖預(yù)留核心土，中下部兩側(cè)錯(cuò)開開挖，設(shè)置短臺(tái)階，開挖工法示意圖見圖1。

圖1 短臺(tái)階法施工示意圖/cm

5.1 工藝流程

（1）上臺(tái)階施工。

施作超前導(dǎo)管并注漿；開挖弧形導(dǎo)坑1部，V級(jí)圍巖開挖循環(huán)進(jìn)尺不得大于一榀鋼架間距；初噴5cm厚度混凝土；安裝格柵鋼架，焊接縱向連接筋，安裝鋼筋網(wǎng)片，施工鎖腳錨管；噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度；進(jìn)行下一循環(huán)施工。

（2）中下臺(tái)階施工。

當(dāng)上臺(tái)階開挖5m后開始開挖中部左側(cè)2-1、2-2，中臺(tái)階開挖3m后開始開挖下部右側(cè)3-1、3-2，中下臺(tái)階左右側(cè)可以同時(shí)開挖，但要嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，V級(jí)圍巖一次開挖進(jìn)尺不得大于一榀鋼架間距，同時(shí)開挖可以減少上部初支及圍巖的二次擾動(dòng)；初噴5cm厚度混凝土；安裝格柵鋼架，焊接縱向連接筋，安裝鋼筋網(wǎng)片，施工鎖腳錨管；噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度；進(jìn)行下一循環(huán)施工。

（3）仰拱施工。

當(dāng)下臺(tái)階施工長度達(dá)到3m后開始仰拱5部開挖；安裝鋼架、噴射混凝土，初支形成閉合環(huán)。

5.2 操作要點(diǎn)

操作中最重要的原則為“緊支護(hù)、快封閉”，即支護(hù)緊跟開挖面，及時(shí)封閉，這是增強(qiáng)圍巖承載力和控制變形的有效手段。圍巖開挖后承載力在迅速下降，圍巖自穩(wěn)能力隨時(shí)間增長急劇降低，必須及時(shí)支護(hù)，盡快使初期支護(hù)封閉成環(huán)。

針對(duì)臺(tái)階法施工，中下臺(tái)階開挖施工過程中之前開挖的上部存在二次、三次變形的特性，施工過程中要嚴(yán)格控制鎖腳錨管的施工質(zhì)量，包括施工角度、焊接質(zhì)量、施作長度、灌漿質(zhì)量，同時(shí)在中下臺(tái)階開挖完成后要及時(shí)完成支護(hù)封閉，減小二次、三次變形量。

摒棄傳統(tǒng)干噴工藝，推行濕噴工藝，采用大型機(jī)械手噴射混凝土，保證隧道初期支護(hù)的早期強(qiáng)度，對(duì)控制隧道開挖支護(hù)完成后的變形控制至關(guān)重要。

這其中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是確定混凝土配合比及工藝參數(shù)，針對(duì)濕噴機(jī)械手的特點(diǎn)，綜合成本考慮，從最大化降低回彈率出發(fā)，對(duì)不同地質(zhì)情況通過試驗(yàn)段確定主要工藝參數(shù)：d（噴頭與巖面的距離）、γ（噴射混凝土與巖面角度）、v（噴射混凝土射速）、m（速凝劑摻量）。

效果方面，從工效來看，濕噴機(jī)械手施工機(jī)械化程度高，過程中只需2人便可完成整個(gè)操作，且操作人員均能在已完成初支的位置，通過遙控進(jìn)行作業(yè)，距離受噴面10m以上，保證了作業(yè)人員安全。濕噴機(jī)械手噴料速度每小時(shí)可達(dá)20m3以上，工效是普通濕噴機(jī)的3～5倍?；貜椔史矫嫱ㄟ^現(xiàn)場實(shí)測，濕噴機(jī)械手作業(yè)隧道拱部回彈率平均為9.5%，邊墻回彈率平均為4.6%。以Ⅳ級(jí)圍巖為例，按100m計(jì)算，邊墻噴射混凝土總方量為650m3，拱部噴射混凝土方量為120m3，采用濕噴機(jī)械手時(shí)總的混凝土回彈量為41.3m3；采用小型濕噴機(jī)時(shí)總的混凝土回彈量約為127.5m3；濕噴機(jī)械手比普通濕噴Ⅳ級(jí)圍巖每100m可節(jié)約混凝土86.2m3。

嚴(yán)格控制超欠挖，減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，以保證開挖完成后圍巖的自穩(wěn)能力。

在保證掌子面穩(wěn)定的情況下，遵循新奧法施工“少擾動(dòng)、早支護(hù)、勤量測、緊封閉”的基本原則，盡量減小各臺(tái)階的長度，以便盡早完成初期支護(hù)封閉成環(huán)。

嚴(yán)格控制臺(tái)階交界處鋼架連接質(zhì)量和初期支護(hù)混凝土質(zhì)量，對(duì)螺栓連接質(zhì)量、噴混回彈料清理進(jìn)行重點(diǎn)控制，消除薄弱環(huán)節(jié)，保證初期支護(hù)強(qiáng)度。

6 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是隧道施工中監(jiān)視圍巖和支護(hù)穩(wěn)定性，通過量測數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)現(xiàn)場施工的重要技術(shù)手段，是判斷設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝工法是否滿足要求的重要依據(jù)。本項(xiàng)目對(duì)隧道監(jiān)控量測主要從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂3項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)來進(jìn)行監(jiān)測分析并指導(dǎo)施工。

6.1 監(jiān)測管理值

采用變形總量、變形速率、變形時(shí)態(tài)曲線特征3項(xiàng)指標(biāo)，外加初期支護(hù)表觀現(xiàn)象觀察情況進(jìn)行施工安全管理。

（1）管理等級(jí)及施工狀態(tài)見表3。

表3 管理等級(jí)及工作狀態(tài)

（2）變形總量管理值見表4。

表4 黃土地段變形總量管理值/mm

拱頂下沉總量小于75mm，或者水平收斂總量小于35mm，或者地表沉降總量小于90mm，無預(yù)警，處于正常施工狀態(tài)；拱頂下沉總量75～150mm，或者水平收斂總量35～50mm，或者地表沉降總量90～180mm，黃色預(yù)警，需加強(qiáng)監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；當(dāng)拱頂下沉總量大于等于150mm，或者水平收斂總量大于等于50mm，或者地表沉降總量大于等于180mm時(shí)，屬紅色預(yù)警，需暫停施工，加強(qiáng)監(jiān)測，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

（3）變形速率管理值見表5。

表5 黃土地段變形速率管理值/（mm/d）

拱頂日下沉小于10mm，或者日水平收斂小于5mm，或者日地表沉降小于10mm，無預(yù)警，處于正常施工狀態(tài)；拱頂日沉降10～20mm，或者日水平收斂5～10mm，或者日地表沉降10～20mm，屬黃色預(yù)警，需加強(qiáng)監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；拱頂日下沉大于等于20mm，或者日水平收斂大于等于20mm，或者日地表沉降大于等于20mm時(shí)，屬紅色預(yù)警，需暫停施工，加強(qiáng)監(jiān)測，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

（4）變形時(shí)態(tài)曲線特征（υ：變形總量，mm；t：時(shí)間，d）（見圖2）。

圖2 變形時(shí)態(tài)曲線特征圖

隨著時(shí)間的延長，變形速率越來越小，直至變形速率為0，變形總量趨于穩(wěn)定，無預(yù)警，可以正常施工；當(dāng)時(shí)間延長，變形速率不變，變形總量均勻增加時(shí)，屬黃色預(yù)警，需加強(qiáng)監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；當(dāng)時(shí)間延長，變形速率越來越大，變形總量急劇增減時(shí)，屬紅色預(yù)警，需暫停施工，加強(qiáng)監(jiān)測，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

6.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析處理

本文主要通過坪橋1號(hào)隧道DK283+XXX斷面拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來反映機(jī)械化施工過程中各個(gè)階段圍巖及初期支護(hù)變形情況（見圖3）。

數(shù)據(jù)分析顯示，機(jī)械開挖過程中每一次擾動(dòng)，隧道拱頂初支都會(huì)出現(xiàn)沉降突變，隨著擾動(dòng)過程完成和仰拱封閉成環(huán)后數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，變形時(shí)態(tài)曲線正常，結(jié)合其他洞口數(shù)據(jù)分析，仰拱成環(huán)是沉降和收斂數(shù)據(jù)趨穩(wěn)的分水嶺，仰拱成環(huán)后隧道施工安全基本可控。

圖3 DK283+XXX斷面拱頂下沉監(jiān)控量測變形時(shí)態(tài)曲線特征圖

7 結(jié)束語

（1）通過工程施工機(jī)械化，遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量”方針，采用短臺(tái)階開挖工法，縮短各臺(tái)階長度，將仰拱封閉成環(huán)到掌子面距離最大不超過12m納入工序管理，使隧道變形控制有效，同時(shí)安全和進(jìn)度可控。

（2）利用機(jī)械采用臺(tái)階法施工時(shí)，在中下臺(tái)階施工過程中，會(huì)對(duì)上部已經(jīng)完成初支造成2次、3次擾動(dòng)，相應(yīng)過程中會(huì)出現(xiàn)變形監(jiān)測指標(biāo)值突變的情況，因此中下部開挖不能滯后上部施工時(shí)間太長，臺(tái)階長度不宜過長，以利于變形過大時(shí)及時(shí)封閉成環(huán)；根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)值，仰拱封閉成環(huán)距離掌子面距離控制在一倍洞徑范圍內(nèi)較為合適。

（3）本隧道施工中突破以往臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開開挖方法，改為機(jī)械同時(shí)開挖，大大縮短了臺(tái)階長度，減少了2次擾動(dòng)，封閉成環(huán)時(shí)間大大縮短，有效的控制了支護(hù)及圍巖的變形總量，有效保證了隧道施工安全，對(duì)于類似項(xiàng)目有一定參考價(jià)值。

（4）監(jiān)控量測是保證隧道施工安全的重要手段和指導(dǎo)現(xiàn)場施工的重要依據(jù)，施工管理中要特別重視。本項(xiàng)目將其監(jiān)控量測作為施工工序進(jìn)行管理，有效發(fā)揮了監(jiān)控量測在隧道施工中的作用。

（5）機(jī)械化配套施工不僅提高了施工速度，增大了安全系數(shù)，改善了作業(yè)環(huán)境，而且降低了作業(yè)強(qiáng)度，保證了工程質(zhì)量，為項(xiàng)目部降本增效創(chuàng)造了極大的便利條件。

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