山區(qū)高速公路隧道機(jī)械化施工技術(shù)分析

張 帆 黃海波

（中交二航局廣西建設(shè)工程有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

提升山地和丘陵地區(qū)機(jī)械化施工技術(shù)水平，可以在一定程度上促進(jìn)隧道工程技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。國內(nèi)學(xué)者對隧道施工進(jìn)行了相關(guān)研究[1-6]，目前，我國山嶺隧道機(jī)械化施工存在關(guān)鍵配套技術(shù)設(shè)備缺乏、機(jī)群協(xié)同作業(yè)程度低、智能化水平不高等問題。為解決以上問題，使隧道機(jī)械化施工更加合理，本文以南天高速山嶺隧道為例，對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道機(jī)械化施工工藝進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 工程概況

項(xiàng)目地處云貴高原向桂西北丘陵過渡的山嶺重丘區(qū)，高速公路全長17.96km，主線為雙向4車道，K40+400～K58+360，設(shè)計(jì)荷載公路-I級；設(shè)計(jì)速度：100km/h，其中路基長度為5.045km，整體式路基寬度26.0m，隧道8.105km/4座，橋梁4.81里/13座，橋隧比為72%。

本項(xiàng)目地處廣西河池天峨縣，路段走向是由東北向西南方向的廣西南丹至天峨下高速路，境內(nèi)峰巒重疊，屬侵蝕剝蝕地貌單元，海拔在600m～1000m之間。隧道所穿越山體多為三疊系中統(tǒng)（T 2）砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等，基巖部分出露，上覆土層較薄，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差，但抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度較低，工程地質(zhì)穩(wěn)定性一般；根據(jù)設(shè)計(jì)院地勘報(bào)告，尚無溶洞揭示，存在幾處地質(zhì)構(gòu)造破碎帶；受季節(jié)降雨影響明顯，沖溝溪流特點(diǎn)，夏季水流充分，秋冬季節(jié)水流量較?。恢饕餮a(bǔ)給為大氣降水，賦存于土層孔隙內(nèi)和基巖節(jié)理、風(fēng)化裂隙內(nèi)，于谷底以散流形式排出場區(qū)，在隧道地下水相對富集地帶，可能發(fā)生突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

龍鳳1#隧道3809m，最大縱坡-0.95%，坡長3068m。地下水較豐富，反坡排水難度大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。崗嶺隧道、龍鳳1#隧道單頭掘進(jìn)最大距離2km，施工通風(fēng)條件極差。建設(shè)總工期僅36個(gè)月，且穿越地表沖溝淺埋段、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶，施工組織難度大。

2 隧道施工準(zhǔn)備及管理

隧道施工前需要進(jìn)行一定的施工準(zhǔn)備工作，具體內(nèi)容如下：

（1）施工場地準(zhǔn)備：拌和站場地布局清晰、功能分明，場地面積、生產(chǎn)能力、料倉數(shù)量滿足生產(chǎn)需求，標(biāo)識標(biāo)牌齊全，原材料堆放規(guī)范有序，排水系統(tǒng)暢通?；炷辽a(chǎn)采用集中拌和，過程實(shí)行信息化數(shù)據(jù)管理。

（2）施工設(shè)施準(zhǔn)備：引進(jìn)一整套南方路機(jī)SL3系列干式整形高品質(zhì)機(jī)制砂制砂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了制砂綠色化、全環(huán)保、智能化生產(chǎn)，日產(chǎn)1600t以上。砂石分離機(jī)、砂石污水智能壓濾器：兩者配套使用將污水中的砂石分離、泥水分離，可實(shí)現(xiàn)污水凈化后重復(fù)利用、零污泥排放，環(huán)保效果顯著。

（3）施工現(xiàn)場管理：隧道洞口統(tǒng)籌規(guī)劃，各功能區(qū)布局合理，交通運(yùn)輸線路導(dǎo)流清晰。按規(guī)定設(shè)置九牌一圖、洞口值班室、監(jiān)控室、應(yīng)急物資庫、班前講評臺、作業(yè)人員信息顯示屏及員工安全通道，進(jìn)出洞人員、車輛實(shí)行分流。

（4）施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：射流風(fēng)機(jī)距洞口不小于30m，安裝支架采用型鋼加工，刷黃黑警示色彩，懸掛警示標(biāo)識標(biāo)牌；“三管兩線”架設(shè)、安裝應(yīng)順直、整齊。風(fēng)水管應(yīng)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)布置、標(biāo)識清楚；注意高壓風(fēng)管布設(shè)距離保持在30m，長度保持在50m，并用分風(fēng)器連接高壓軟風(fēng)管；供電線路宜采用三相五線系統(tǒng)；空壓機(jī)組：在隧道口附近選擇合適位置建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)空壓機(jī)房，功率應(yīng)滿足隧道施工最大用風(fēng)量和風(fēng)壓的要求。

隧道施工過程中同時(shí)需要進(jìn)行合理有效的施工管理工作，具體內(nèi)容如下：

（1）隧道開挖注意事項(xiàng)：施工前應(yīng)制定完善的施工方案，推廣“零開挖”進(jìn)洞理念；避免對山體造成嚴(yán)重破壞，禁止砍伐植被，保持原有的生態(tài)地貌，突出人文景觀的天然性質(zhì)；如果洞口圍巖不具備良好施工條件時(shí)，應(yīng)調(diào)整施工順序，遵循先明洞后暗洞原則；隧道二次襯砌50m后可啟動綠化工程施工程序。

（2）隧道施工期洞口管理：隧道洞口必須按照標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)要求，安裝門禁系統(tǒng)對人員、洞內(nèi)環(huán)境等做好全面監(jiān)管；同時(shí)應(yīng)增設(shè)預(yù)警警報(bào)系統(tǒng)、應(yīng)急通信設(shè)備、人車分流設(shè)施等；成立洞口值班管理小組，設(shè)置固定值班室，嚴(yán)格控制人員及往來施工車輛；隧道洞口必須設(shè)置明顯標(biāo)識實(shí)時(shí)反應(yīng)隧道內(nèi)正在開展的施工工序；除設(shè)置洞口應(yīng)急物資庫外，隧道洞口值班室還應(yīng)配備一定數(shù)量的照明工具、安全防護(hù)用品等；在隧道爆破起爆發(fā)出警告后、解除警告前，禁止人員設(shè)備進(jìn)入洞內(nèi)，建議在洞口安裝信號警示燈。

3 機(jī)械化施工工藝

南天路在隧道施工方面，積極探索隧道創(chuàng)新施工方法，形成隧道智能化建造雛形，兼顧軟件、硬件的研發(fā)應(yīng)用，逐步形成隧道施工大型機(jī)械化配套及信息化應(yīng)用技術(shù)，節(jié)約人力成本的同時(shí)提高安全系數(shù)和施工效率，確保隧道施工質(zhì)量。隧道施工的機(jī)械設(shè)備配置主要圍繞五條作業(yè)線進(jìn)行，具體如下：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：以地質(zhì)方法為基礎(chǔ)，物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離超前預(yù)報(bào)相結(jié)合、物探先行鉆探全覆蓋驗(yàn)證，包括地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法四種。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法見圖1。

圖1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

本隧道施工過程中使用了地震波反射法超前預(yù)報(bào)隧道掌子面前方一定范圍及周圍地帶巖層中有關(guān)結(jié)構(gòu)面的變化，如軟硬巖界面、斷層、空洞等；使用了地質(zhì)雷達(dá)法測定不同介質(zhì)面位置；使用了鉆神ZML-160型多功能地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前水平鉆探驗(yàn)證物探結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，指導(dǎo)工程施工順利進(jìn)行，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度。

（2）隧道開挖：南天路各個(gè)隧道V級圍巖主要采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、三臺階法，IV級圍巖采用兩臺階法，III級圍巖采用兩臺階法或全斷面法。

龍鳳隧道全斷面法施工采用瑞典阿特拉斯·科普柯公司生產(chǎn)的Boomer XL3D型全液壓三臂鑿巖臺車鑿巖鉆孔（見圖2）；整機(jī)作業(yè)時(shí)展開長度17m，高度7m。三臂鑿巖臺車總裝機(jī)功率為293kW，鑿巖臺車鉆孔孔徑為45mm。相比于傳統(tǒng)施工可大大減少用電量，且減少掌子面風(fēng)水管通入，讓施工作業(yè)面干凈、整潔，綜合利用率較高。鉆深4.5m的炮眼，臺車僅需2min，而傳統(tǒng)的手風(fēng)鉆則需要15～18min。采用鑿巖臺車單純的鉆孔工序時(shí)間，全斷面可控制在2.5h以內(nèi)；而傳統(tǒng)的手風(fēng)鉆則需要3.5h。

圖2 三臂鑿巖臺車鉆孔

隧道斷面開挖后及初期支護(hù)完畢后采用三維激光掃描儀進(jìn)行支護(hù)斷面驗(yàn)收，制定斷面驗(yàn)收臺賬，避免隧道出現(xiàn)超欠挖，同時(shí)針對超挖嚴(yán)重部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行超挖分析，優(yōu)化爆破參數(shù)，規(guī)避混凝土浪費(fèi)，同時(shí)根據(jù)初支掃描數(shù)據(jù)對欠挖部分進(jìn)行處理，確保二襯施工厚度。

（3）初期支護(hù)：初期支護(hù)應(yīng)配合開挖作業(yè)及時(shí)進(jìn)行，初期支護(hù)緊跟掌子面，當(dāng)掌子面自穩(wěn)能力差時(shí)，應(yīng)采取增加輔助工程或改變開挖方法等措施。淺埋、偏壓、軟弱圍巖、自穩(wěn)性較差地段施工必須堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工原則。密切關(guān)注測量結(jié)果來調(diào)整支護(hù)措施和支護(hù)參數(shù)。施工中應(yīng)做好地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況調(diào)整施工技術(shù)。

噴射混凝土全面推廣應(yīng)用隧道濕噴機(jī)械手，拱架安裝采用了最新長沙科達(dá)拱架安裝臺車（見圖3），該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：1）安全：多機(jī)械臂和工作平臺，工人遠(yuǎn)離掌子面，作業(yè)環(huán)境更加安全。2）省人：一臺設(shè)備僅4人可完成鋼架安裝與鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)，節(jié)省人力投入。3）高效：安裝一組拱架（兩榀）僅需30～40min，加快工序循環(huán)。

圖3 拱架安裝臺車

（4）仰拱：隧道設(shè)有仰拱時(shí)，應(yīng)及時(shí)施工使支護(hù)結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)，改善圍巖受力狀況、控制圍巖變形、保障施工安全。仰拱宜全斷面一次開挖成型，全幅施工拱架、鋼筋、初期支護(hù)或鋪底混凝土、填充層。仰拱、鋪底施工采用液壓移動棧橋確保洞內(nèi)交通通暢，在傳統(tǒng)液壓棧橋基礎(chǔ)上改進(jìn)創(chuàng)新，搭載三溝一體化液壓模板（見圖4），可實(shí)現(xiàn)仰拱、中央水溝、側(cè)向盲溝等附屬工程與主體工程多維度同步施工，仰拱模板及水溝模板快速移動定位，三溝一體，一次成型，同巖層施工12m仰拱，速度提高20%～25%，節(jié)省勞動力30%。拆裝方便，強(qiáng)度高。

圖4 三溝一體化液壓仰拱棧橋

（5）二次襯砌：二次襯砌是在初期支護(hù)完成后進(jìn)行，應(yīng)及時(shí)施工使支護(hù)結(jié)構(gòu)及早封閉成環(huán)，改善圍巖受力狀況、控制圍巖變形、保障施工安全。南天路各隧道二次襯砌施工操作如下：預(yù)留洞室采用RPi五點(diǎn)定位法；無紡布、防水板掛設(shè)采用智能掛布臺車，掛設(shè)過程中可通過調(diào)節(jié)液壓裝置對防水板、無紡布等進(jìn)行提升，并通過卷揚(yáng)機(jī)沿弧形軌道牽引掛設(shè)；二襯臺車端頭改裝使用可翻轉(zhuǎn)夾片式鋼模板，能有效定位中埋式、背貼式止水帶。二襯施工：在打二襯混凝土之前，二襯鋼筋網(wǎng)捆扎的時(shí)候，根據(jù)注漿管的位置測量，在對應(yīng)位置留出空隙以避免鋼筋干涉，個(gè)別預(yù)留空隙不能順利升管的情況下，適當(dāng)拔動鋼筋網(wǎng)也可解決；依據(jù)臺車面板到巖壁或防水板的實(shí)際距離（包含超挖或欠挖情況），注漿管上升的過程中切勿行程過大損壞機(jī)構(gòu)或防水板，模板宜采用鋼模，保證混凝土成型質(zhì)量合格；臺車模板就位前應(yīng)仔細(xì)檢查防水板等隱蔽工程，就位后還應(yīng)檢查中線、高程等并做好記錄；曲線隧道應(yīng)使弧線圓順，減少接縫錯臺。

（6）電纜溝槽施工：電纜槽宜采用移動模架一體機(jī)（電纜溝槽臺車）施工，施工前邊墻應(yīng)鑿毛到位，基底應(yīng)清理干凈。為了提高附屬工程施工質(zhì)量，電纜槽蓋板與中心排水溝應(yīng)統(tǒng)一集中預(yù)制；蓋板鋪設(shè)應(yīng)兩端對齊并保持平穩(wěn)，避免出現(xiàn)縫隙而導(dǎo)致晃動，出現(xiàn)小幅縫隙應(yīng)用砂漿填平，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，蓋板尺寸應(yīng)保持一致?？稍鲈O(shè)短鋼筋來加固電纜溝槽與邊墻。

4 結(jié)束語

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鄉(xiāng)村振興不斷深化，道路交通運(yùn)輸業(yè)越來越發(fā)達(dá)，高速公路隧道機(jī)械化施工技術(shù)明顯提升。本文詳細(xì)闡述了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的山區(qū)高速公路隧道施工工藝，針對當(dāng)前施工實(shí)際情況提出了隧道機(jī)械化施工的五條作業(yè)線，并針對施工中遇到的技術(shù)難題分別給出了相應(yīng)的處理措施，為今后山區(qū)隧道施工提供一定的參考。