大斷面高速公路隧道機(jī)械化施工工法設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

辛講合 白浪峰 馬建云

摘 要：文章分析了目前機(jī)械化施工的現(xiàn)狀與問(wèn)題，對(duì)適應(yīng)機(jī)械化施工的臺(tái)階法臺(tái)階高度和安全步距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬；提出了對(duì)隧道初期支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理可行的，為大斷面隧道機(jī)械化施工提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械化施工 臺(tái)階法 安全步距

隧道施工屬于高風(fēng)險(xiǎn)工作，隧道坍塌安全事故仍多發(fā)?；谝陨习踩[患，目前在國(guó)家和地方法律法規(guī)的要求下，在隧道施工中全面推行機(jī)械化施工已勢(shì)在必行。機(jī)械化施工能夠加快施工進(jìn)度、節(jié)約勞動(dòng)力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工條件、提高工程質(zhì)量、降低工程成本，因此，大型機(jī)械化施工是今后隧道施工的發(fā)展方向。

1.工程概況

本文依托貴黃高速控制性工程之一的龍昌隧道，單洞長(zhǎng)度2170m，隧道采用分離式設(shè)計(jì)，為雙洞六車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，隧道內(nèi)輪廓凈寬15.59m，凈高8.0m，Ⅳ級(jí)圍巖開(kāi)挖斷面平均151.2m3。隧道洞身穿越地層為奧陶系下統(tǒng)桐梓組（O1t）灰?guī)r、寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2～3ls）白云巖。Ⅴ級(jí)圍巖340m，占總長(zhǎng)7.8%，Ⅳ級(jí)圍巖4000m，占總長(zhǎng)的92.2%。Ⅳ級(jí)圍巖隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖工法采用上下斷面環(huán)向開(kāi)挖預(yù)留核心土法和三臺(tái)階法。

2.機(jī)械化施工面臨的現(xiàn)狀與問(wèn)題

（1）目前隧道機(jī)械化施工現(xiàn)狀。目前國(guó)內(nèi)隧道施工在大面積推行機(jī)械化施工，但在許多隧道施工中，施工單位迫于推行機(jī)械化施工的壓力，配備了各種大型設(shè)備，但受到安全步距、開(kāi)挖工法等影響，造成大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)、效率低下、形同擺設(shè)，并未真真正正的運(yùn)用到隧道施工中。

（2）施工工法存在問(wèn)題剖析。目前國(guó)內(nèi)按相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)的臺(tái)階法，上臺(tái)階高度一般為5～6m，無(wú)法滿足大型機(jī)械設(shè)備施工空間要求，如三臂鑿巖臺(tái)車(chē)長(zhǎng)17.362m×寬3m×高3.664m（作業(yè)時(shí)高5.5m），按照設(shè)計(jì)的上下臺(tái)階預(yù)留核心土工法，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)無(wú)法進(jìn)行鉆爆作業(yè)，如按照常規(guī)的上下臺(tái)階法，掌子面只能供一臺(tái)鑿巖機(jī)施展，且三個(gè)機(jī)械臂不能覆蓋全部掌子面，需要移動(dòng)位置（重新放樣供鑿巖臺(tái)車(chē)定位），相比人工打眼功效較低，用時(shí)較長(zhǎng)；為了能發(fā)揮大型機(jī)械設(shè)備的功效，在保證安全條件下，需要適當(dāng)增大臺(tái)階高度。

（3）安全步距存在問(wèn)題剖析。仰拱采用自行式液壓棧橋，配套仰拱模板，液壓仰拱棧橋行走靈活，施工方便快捷，有效利用長(zhǎng)度為24m；仰拱弧形模板可使仰拱整體一次成型，避免了多次接縫，確保仰拱整體受力，而且可同時(shí)澆筑仰拱回填和下一模的仰拱，形成流水作業(yè)，加快施工進(jìn)度。但液壓棧橋自身長(zhǎng)度44m，仰拱距下臺(tái)階長(zhǎng)度需30m，下臺(tái)階左右兩側(cè)需錯(cuò)開(kāi)10m，上臺(tái)階至少需35m才能供兩臺(tái)鑿巖臺(tái)車(chē)同時(shí)進(jìn)行施工。但國(guó)內(nèi)施工安全步距要求，四級(jí)圍巖掌子面距仰拱僅50m，嚴(yán)重制約機(jī)械化施工。

綜上所述，隧道機(jī)械化施工的推行，受到安全步距和開(kāi)挖工法的影響，高成本投入，起不到良好的效果，比起傳統(tǒng)人工施工，機(jī)械化功效的優(yōu)勢(shì)并未體現(xiàn)，已進(jìn)入瓶頸階段，因此迫切需要進(jìn)行一些嘗試，從設(shè)計(jì)方面尋求理論支持，從其他方面增加安全保障措施，以破解目前推行機(jī)械化施工面臨的困局。

3.機(jī)械化施工工法優(yōu)化

3.1臺(tái)階法理論分析

臺(tái)階法是新奧法中適用性最廣的施工方法，多適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中。它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進(jìn)行開(kāi)挖。針對(duì)三車(chē)道大跨度斷面的公路隧道而言，國(guó)內(nèi)規(guī)范中，也明確了全斷面法適用于I-II級(jí)、巖質(zhì)較完整的硬質(zhì)圍巖中，而臺(tái)階法適用于III-V級(jí)圍巖。隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的調(diào)整，它幾乎可適用于所有的地層。因此龍昌隧道采用臺(tái)階法是合適的，不適合采用全斷面法開(kāi)挖。

臺(tái)階法優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)挖具有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度，有利于穩(wěn)定，上部開(kāi)挖支護(hù)后，下部作業(yè)較安全。缺點(diǎn)：上下部作業(yè)互相干擾，臺(tái)階開(kāi)挖會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)等。

臺(tái)階的具體高度在規(guī)范中未有明確指定，可根據(jù)圍巖情況、掌子面附近的水文地質(zhì)條件等情況具體而定。

3.2施工工法優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）開(kāi)挖方法調(diào)整。由原設(shè)計(jì)的上下臺(tái)階環(huán)形留核心土法開(kāi)挖調(diào)整為上下臺(tái)階法開(kāi)挖，同時(shí)盡量加大上臺(tái)階高度。開(kāi)挖、支護(hù)順序說(shuō)明：①拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；②上臺(tái)階開(kāi)挖；③上半斷面初期支護(hù)；④下半斷面左側(cè)開(kāi)挖；⑤下半斷面左側(cè)初期支護(hù)；⑥下半斷面右側(cè)開(kāi)挖；⑦下半斷面右側(cè)初期支護(hù)；⑧澆注仰拱；⑨敷設(shè)防水板，采用模板臺(tái)車(chē)全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

（2）安全步距調(diào)整。根據(jù)機(jī)械化配套施工作業(yè)面展開(kāi)距離需要，Ⅳ級(jí)圍巖仰拱與掌子面距離按不超過(guò)80m。

3.3施工工法優(yōu)化數(shù)值模擬計(jì)算

3.3.1臺(tái)階法安全性數(shù)值模擬計(jì)算

（1）開(kāi)挖臺(tái)階高度調(diào)整計(jì)算。采用平面應(yīng)變模型對(duì)隧道的臺(tái)階開(kāi)挖高度展開(kāi)研究，當(dāng)臺(tái)階分界線比設(shè)計(jì)標(biāo)高高1m時(shí)，最高作業(yè)空間達(dá)7.8m，根據(jù)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小抗壓安全系數(shù)為2.4，最小抗拉安全系數(shù)為4.6，滿足規(guī)范要求。

3.3.2安全步距調(diào)整計(jì)算

（1）安全步距調(diào)整計(jì)算。安全步距適當(dāng)拉大，掌子面距離仰拱開(kāi)挖由原設(shè)計(jì)的50m，擬適當(dāng)增大到80m。

（2）三維模型計(jì)算。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)開(kāi)挖步距為80m時(shí)，拱頂最大沉降為7.26mm，圍巖塑性區(qū)和噴射混凝土的拉應(yīng)力增長(zhǎng)比較快，拱腰部位的塑性區(qū)區(qū)域超過(guò)了錨桿的長(zhǎng)度，錨桿可能發(fā)揮不了作用；掌子面后巖體的塑性區(qū)也有小幅度增長(zhǎng)，應(yīng)做好掌子面附近的支護(hù)與排水工作；噴射混凝土抗拉安全系數(shù)為1.2，安全富余量不大。

當(dāng)開(kāi)挖步距為90m時(shí)，拱頂最大沉降為7.39mm，掌子面后塑性區(qū)急劇發(fā)展，噴射混凝土抗拉強(qiáng)度接近C25混凝土極限抗拉強(qiáng)度，基本沒(méi)有安全富余度。

綜上所述，建議本隧道IV級(jí)圍巖段掌子面距仰拱不超過(guò)80m，并在拱腰部位塑性區(qū)增設(shè)鋼架鎖腳錨桿并加長(zhǎng)鎖腳錨桿長(zhǎng)度。隧道施工中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.4支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

機(jī)械化施工所需要的臺(tái)階高度和安全步距均較人工開(kāi)挖法大，對(duì)初期支護(hù)安全穩(wěn)定系數(shù)要求更高。為保證施工安全和洞室穩(wěn)定，應(yīng)保證初期支護(hù)的施工質(zhì)量。新奧法設(shè)計(jì)中初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)。對(duì)于龍昌隧道白云巖地段，應(yīng)加強(qiáng)錨桿的作用和增加鋼架的安全穩(wěn)定措施。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)了鋼拱架鎖腳錨桿數(shù)量，初期支護(hù)采用SN錨桿設(shè)計(jì)，錨桿注漿采用稠度更大的凈漿漿液，錨桿安裝12h后，用已標(biāo)定的轉(zhuǎn)矩扳手?jǐn)Q緊螺母，錨墊板持力達(dá)到約20kN。類(lèi)似施加預(yù)應(yīng)力的效果，能更好地發(fā)揮錨桿的錨固作用。

4.優(yōu)化試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)及建議

4.1監(jiān)控量測(cè)

對(duì)于施工工法臺(tái)階高度和安全步距的調(diào)整，在龍昌隧道Ⅳ級(jí)圍巖段進(jìn)行試驗(yàn)段研究測(cè)試，根據(jù)隧道多個(gè)斷面的工程實(shí)測(cè)拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)來(lái)看，優(yōu)化后的開(kāi)挖方法引起的變形在正常范圍內(nèi)，從實(shí)際效果證明了優(yōu)化方案的可行性。

4.2施工建議

（1）臺(tái)階高度優(yōu)化：加大上臺(tái)階高度至7.8m、上下臺(tái)階法開(kāi)挖。

（2）安全步距調(diào)整：建議掌子面距離仰拱開(kāi)挖按75m控制并不超過(guò)80m。

（3）初期支護(hù)調(diào)整：錨桿采用帶錨桿墊板的SN錨桿，加長(zhǎng)和增設(shè)鋼架鎖腳錨桿。

5.結(jié)語(yǔ)

對(duì)于三車(chē)道大斷面隧道機(jī)械化施工時(shí)，施工工法采用上下臺(tái)階法是可行的。上臺(tái)階高度可達(dá)7.8m。施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖進(jìn)尺及上臺(tái)階高度，確保施工安全。在初期支護(hù)穩(wěn)定的前提下，掌子面距離仰拱開(kāi)挖安全步距可適當(dāng)放寬至不超過(guò)80m。

參考文獻(xiàn)：

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