软弱围岩地层隧道大断面机械化施工工法应用

田 佳， 李金鹏

(1. 中铁一局集团第五工程有限公司， 陕西 宝鸡 721006； 2. 石家庄铁道大学， 河北 石家庄 050043)

0 引言

国外隧道的修建技术以欧洲为代表，在19世纪90年代就已全面步入隧道全工序机械化施工，在新奥法理论的基础上，形成了新意法和挪威法等新的隧道理论，使隧道机械化配套施工技术得到了巨大的发展和应用。国内铁路隧道施工机械化配套技术的应用和研究始于20世纪80年代，在衡广复线大瑶山隧道施工中，首次从国外引入了液压凿岩台车、混凝土喷射机等大型隧道施工机械设备，后来在大秦、侯月和京九等铁路隧道中得到了推广和应用，但受工程造价、经济发展水平以及投资管理体制等因素的影响，后续发展应用缓慢。

近年来我国在部分长大隧道开挖、衬砌工序施工中引入了机械化配套施工技术，经过现场实践和探索，取得了一定的成果。文献[1-3]主要研究和总结了隧道机械化配套设备的选型和配置；中国铁路总公司于2015年5月发布了《铁路隧道工程施工机械配置技术规程》[4]，为隧道施工机械配置规范化提供了技术支撑；文献[5-6]分析研究了长大隧道机械化施工配套技术的组织模式和工效；文献[7]研究了凿岩台车开挖钻眼爆破技术；文献[8]研究了隧道机械化施工配套技术的经济性。这些研究主要侧重于设备配套、组织管理及施工经济性等方面的内容，对隧道软弱围岩地段采用大断面机械化施工工法的研究相对较少。在国内，受隧道设计理论和机械装备发展水平的制约，软弱围岩隧道段普遍以台阶法、CRD法、双侧壁导坑法等小断面多分步开挖工艺为主，其作业空间小，存在大量的临时支护，需反复安装、拆除，降低了施工进度，不利于机械化设备的连续作业，且受隧道围岩段落分布不均匀的影响，隧道机械化施工配套设备不能形成连续作业，降低了机械设备的工效。

本文在原有隧道机械化施工技术研究成果的基础上，进一步优化了机械设备配置，从隧道掌子面到水电槽，配备了一系列的大功率机械设备，创新研究和实践了Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩大断面机械化施工工法，以机械化设备配套、超前地质预报、掌子面围岩稳定性判识、超前预加固、监控量测等关键技术措施为基础，建立了以全电脑三臂凿岩台车、拱架安装机为主的隧道开挖、支护、衬砌、水电缆槽施工作业线，实现了隧道大断面机械化施工连续作业，为提升我国山岭隧道机械化配套施工技术水平提供依据。

1 工程概况

新华隧道地处湖北省神农架林区东南部，属构造溶蚀、侵蚀中山地貌区，主体山势呈北东—南西向，总体倾向西侧的龙口河与南侧的竹园河谷地，连绵起伏。该隧道为郑万线湖北段最长的隧道，全长18.77 km，设计为单洞双线，施工里程为DK538+389～DK557+055，共设计3个横洞、1个斜井及1个出口5个工区，其中，新华隧道出口为大型机械化配套工区，其纵断面示意图如图1所示。

图1 新华隧道出口段纵断面示意图

新华隧道出口工区，共施工平导2 432 m、正洞4 535 m，平导中线距正洞左中线35 m，设横洞8处，其中，2处辅助正洞施工。出口作业面施工1 235 m，2处横洞作业面分别施工1 200 m和2 100 m，所有作业面由大里程向小里程方向掘进，均为顺坡施工。围岩以白云岩为主，局部夹有页岩段，埋深28～750 m，Ⅳ级围岩长1 510 m、Ⅴ级围岩长540 m，共占出口工区施工总长度的45%，其余为Ⅱ、Ⅲ级围岩，全段局部有岩溶，弱—强发育，地下水主要为基岩裂隙水、岩溶水。

2 大断面机械化施工特点及组织方式

2.1 施工特点

1)隧道配置以机械化为主的工装设备，采用大断面机械化施工，工序简单，改善了施工环境，施工组织更高效，爆破扰动次数减少，有利于围岩稳定。

2)采用机械化施工可减少人工作业，提高了作业效率和质量，且使用机械化施工可减少人为失误，降低了施工风险。大断面施工支护成环快、软岩钢架一次落地支撑效果好。

3)全电脑三臂凿岩台车一机多用，既可施作掘进炮孔和超前探孔，也可施作超前管棚和系统锚杆，设备利用率高。凿岩台车信息化程度高，可自动生成各类日志报表，实现了钻爆参数、监控量测数据、超前地质钻孔等信息化管理。

4)大断面机械化施工方法主要包括微台阶Ⅱ法(见图2)、微台阶Ⅰ法(见图3)和全断面法(见图4)，施工空间大，便于大型设备作业。

(a) 横断面

(b) 纵断面

①部为上台阶开挖； ②部为下台阶开挖； ③部为仰拱开挖；部为仰拱混凝土；部为仰拱填充；部为拱墙衬砌。施工时，上台阶高度约6 m，下台阶高度约5 m，台阶长度为2～3 m，仰拱单独开挖支护。

图2微台阶Ⅱ法施工示意图

Fig. 2 Sketches of micro-bench Ⅱ method

5)微台阶Ⅱ法适用于经超前预加固处理的Ⅳ、Ⅴ级围岩浅埋段、顺层偏压变形段、岩溶发育段及Ⅴ级围岩构造破碎带；微台阶Ⅰ法适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩地段及经超前预加固处理的Ⅳ级围岩深埋仰拱不带拱架支护的地段；全断面法适用于经超前预加固处理的Ⅳ、Ⅴ级围岩深埋仰拱带拱架支护的地段，可实现及时封闭成环。

2.2 组织方式

2.2.1 作业线布置

根据机械设备配置及工效，形成以开挖、支护、衬砌、水电槽施工作业线为主的新型隧道施工组织方式，以信息化管理技术为支撑，严控工序衔接、质量和循环时间，形成平行流水作业，使各条作业线同步推进、进度指标稳步提升，具体各作业线布置示意图见图5。

2.2.2 机械化工装配置

根据隧道断面大小、机械化配套作业需求，按照开挖、支护、衬砌及水电槽作业线分类组织、配置设备。隧道单工作面各作业线主要机械设备配置见表1。

(a) 横断面

(b) 纵断面

①部为全断面不含仰拱开挖； ②部为仰拱开挖；部为仰拱混凝土；部为仰拱填充；部为拱墙衬砌。施工时，按照设计轮廓，拱墙一次开挖支护成型高度约11 m，仰拱单独开挖支护。

图3微台阶Ⅰ法施工示意图

Fig. 3 Sketches of micro-bench Ⅰ method

(a) 横断面

(b) 纵断面

①部为全断面含仰拱开挖； ②部为回填的工作平台； ③部为仰拱开挖；部为仰拱混凝土；部为仰拱填充；部为拱墙衬砌。施工时，按照设计轮廓，全部断面一次开挖支护成型，高度约12 m。

图4全断面法施工示意图

Fig. 4 Sketches of full-section construction method

为加强施工期间工序质量检验，配置了相应的质量检测仪器和设备，具体见表2。该隧道为极高风险隧道，超前地质预报由设计单位负责分析、判识，物探设备由设计单位提供，钻探设备由现场提供。

2.2.3 机械化人员配置

现场施工正洞单作业面施工人员配置共计70人，其中，开挖22人(大机钻眼3人、装药9人、出碴10人)，支护12人(喷射混凝土2人、锚杆4人、拱架及网片6人)，仰拱及拱墙衬砌24人(防排水3人、钢筋预埋件12人、模板及混凝土9人)，水电槽(包括钢筋预埋件、模板、混凝土)3人，综合班(包括电工、风水管、文明施工)6人，机械设备维修班(包括设备保养、维修)3人。与传统人工作业相比，机械化钻爆开挖单作业面减少12～18人。

2.2.4 施工步距确定

根据施工现场各类机械设备规格尺寸、作业空间，确定满足现场机械化配置条件的最小施工步距。1)仰拱施工步距=开挖进尺2.5 m+全电脑三臂凿岩台车16.8 m +双台车错车空间16.8 m +仰拱栈桥施工长度28.5 m=64.6 m； 2)衬砌施工步距=仰拱步距64.6 m+仰拱栈桥尾部爬坡道及行走机构7 m+防水板钢筋台车流水作业空间36 m+模板台车作业空间12 m=119.6 m。

图5 机械化大断面隧道作业线布置示意图

结合现场实际情况，在Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩大断面机械化作业地段，仰拱衬砌施工步距取70 m，拱墙衬砌施工步距取120 m，可有效满足机械化作业最小空间要求。同时，根据现场实际监控量测数据综合分析可知，该步距条件下隧道变形情况可控，施工安全有保证。

3 大断面机械化施工流程及技术措施

3.1 施工流程

根据各作业线机械设备配置情况，在大断面机械化组织方式条件下各工序施工流程如下。

1)开挖、支护施工流程：超前地质预报—掌子面及前方围岩预加固—钻眼爆破—通风—出碴—初喷—施作锚杆—立拱架、挂网—复喷—监控量测—下一循环施工。

2)衬砌、水沟电缆槽施工流程：隧底隐伏岩溶探测—仰拱施工—隧道初期支护无损检测—初期支护缺陷整治—初期支护面处理—挂设土工及防水板—钢筋安装—模板台车、预埋件定位—衬砌混凝土浇筑—等强养护—无损检测—衬砌缺陷整治—施作水沟电缆槽(滞后拱墙衬砌200 m)—下一循环施工。

表1 隧道单工作面各作业线主要机械设备配置

注： 各类混凝土由专用拌合站负责拌合、供应；钢构件由专业加工厂加工、配送。

表2 各工序质量检测仪器和设备配置

3.2 关键技术措施

隧道软弱围岩大断面机械化施工前，首先，必须满足机械化设备配套要求； 然后，施工中必须严格做好超前地质预报、超前预加固，实现全电脑三臂凿岩台车快速开挖、大功率装运设备快速出碴，初喷后应尽快应用涨壳式锚杆使围岩形成压力拱，充分发挥围岩自承能力；最后，利用拱架安装机及湿喷机械手实现快速封闭支护，利用衬砌成套技术设备实现仰拱衬砌、拱墙衬砌快速施工、水电槽及时跟进。

3.2.1 超前地质预报

将超前地质预报纳入工序管理，严格按照设计要求及《铁路隧道超前地质预报技术规程》[9]组织实施，配备专用设备、人员，坚持“不探不挖、有疑必探”的施工原则，现场采用物探、钻探及地质调查综合判断，按照长短搭配、导坑超前、物探先行、钻探补充验证、现场调查揭示的方式进行施作。实施超前地质预报的项目及措施见表3。

表3 超前地质预报项目及应对措施

3.2.2 超前预加固

施工前需根据现场超前地质预报结果综合分析选取掌子面加固方式。对于掌子面局部掉块不稳定部位，采用φ25 mm玻璃纤维锚杆补强，按照1.5 m间距呈等边三角形布置，长6～12 m；当掌子面围岩整体性较差、不易自稳时，采用帷幕注浆，对前方20～25 m围岩进行注浆加固；Ⅳ级围岩采用φ51 mm自进式、φ60 mm管棚超前加固； Ⅴ级围岩浅埋段采用φ108 mm、φ89 mm管棚超前加固；Ⅴ级围岩深埋段采用φ76 mm管棚超前加固，每循环长9～20 m，外差角为3°～5°，环向间距为 0.4～0.5 m，纵向搭接不小于3 m，拱部150°范围内注1∶1水泥浆，注浆压力为1～2 MPa，开挖时掌子面预留 1∶0.1的稳定坡度，爆破后对掌子面喷射4～6 cm厚的 C25混凝土封闭。加固后在掌子面设观测点，并与洞周监控量测数据共同分析，判断预加固效果，确定掌子面自稳后，再采用大断面进行开挖。管棚利用三臂凿岩台车施作，采用无工作室施工工艺。

3.2.3 全电脑三臂凿岩台车快速开挖

大断面施工最大开挖面积达152 m2，最大开挖高度约12 m，最大开挖宽度约15.2 m，共计布置炮孔达245个。炮眼布置见表4。全电脑凿岩台车录入炮眼设计如图6所示。各爆破眼装药底部及端头均设置水袋，采用水压爆破。周边眼采用隔孔、间隔装药方式，利用竹片将药卷预先加工成型，并设置导爆索传爆，确保光面爆破效果，装药集中度为0.15～0.2 kg/m。线路参数、钻爆设计图直接输入到凿岩台车电脑中，实现精准对位、钻孔，保证施工精度。

表4 炮眼布置

网格间距为1 m； 二圈眼与周边眼环向层距为0.5 m； 掏槽眼为楔形2级掏槽，角度60°； 底板眼拱脚位置加密布置，间距0.4 m； 同类眼排、列间距交错布置； 起爆顺序为掏槽眼—扩槽眼—底板眼—辅助眼—二圈眼—周边眼，仰拱眼单独爆破。

图6 全电脑凿岩台车录入炮眼设计图

Fig. 6 Drilling and blasting design drawing by full computer-controlled rock drilling jumbo

为实现快速施工，采用2台全电脑三臂凿岩台车双机作业方式，施工时将钻爆设计断面(见图6)划分为10区域，以虚线网格为边界，进行钻孔任务分配，靠边墙一侧编号为1#臂。双机钻孔作业施工中，1#机1#钻臂负责①、④、⑦区域内周边眼和二圈眼的钻孔，共计43孔； 1#机2#钻臂负责①、④、⑦区域内所有扩槽、辅助及底板眼的钻孔，共计36孔； 1#机、2#机相邻2个3#臂各负责②、⑤、⑧区域内所有炮眼竖向1/2的任务量，共计67孔； 2#机1#钻臂负责③、⑥、⑨区域内周边眼和二圈眼的钻孔，共计43孔； 2#机2#钻臂负责③、⑥、⑨区域内所有扩槽、辅助及底板眼的钻孔，共计36孔。全电脑凿岩台车双机钻孔作业现场如图7所示。

3.2.4 涨壳式锚杆应用

为充分利用锚杆压力拱效应，施工现场采用了预应力涨壳式锚杆，通过旋紧螺母使锚杆前端涨壳头张开，与围岩有效接触，并利用标定的风动扳手为锚杆施加一定的初始张拉力，第一时间对围岩的松弛和变形进行约束；通过便捷快速的注浆设备，使锚杆杆体注浆饱满，与孔壁粘结牢固，形成摩擦阻力阻止围岩发生位移；最终形成压力拱效应，使围岩成为承载体而不是施载体。

锚杆钻孔、安装均采用全电脑三臂凿岩车施工，注浆采用拌注一体机。锚杆在开挖、初喷后施作，先利用凿岩台车钻孔，由拱顶向两边进行，拱部钻孔完成后开始锚杆安装、同步作业，锚杆全部安装完成后进行注浆，锚杆施工完成后挂网复喷混凝土。利用凿岩台车上空压机和专用测试标定的风动扳手拧紧锚杆螺栓，扭力为40 kN。涨壳式锚杆施工参数见表5。

(a)

(b)

3.2.5 拱架安装机快速支护

钢架(已经优化为5节)、钢筋网片均在加工厂集中加工，配送至施工现场。锚杆安装完成后，立即安装钢架、网片，施工时先将拱架按照节段编号均匀摆放于隧道两侧，利用台车1#、2#工作臂同时抓取拱架。首先，对称安装边墙钢架基座，采用混凝土垫块确保钢架基础稳固，使间距、保护层受控；然后，依次组合(B+A)单元及(A+A+B)单元，如图8所示。各拱架节段安装时，利用拱架安装机工作抓臂及自带工作吊篮人工配合确保钢架精准就位，按部就班循环完成剩余钢架安装。相邻钢架间先在拱脚、拱腰及拱顶分别焊接连接钢筋，然后利用吊篮安装钢筋网片及剩余钢架连接钢筋。在确保保护层厚度的前提下，网片需尽量贴近岩面。拱架安装机抓臂设计有即插即用吊篮和钢筋网片专用挂钩，可增加作业点，方便现场施工。具体钢架安装示意及现场钢架安装分别如图9和图10所示。

表5 涨壳式锚杆施工参数

图8 钢架组合图

图9 钢架安装示意图

图10 现场钢架安装图

3.2.6 湿喷机械手快速喷射混凝土

初喷、复喷均采用湿喷机械手，混凝土由拌合站集中供应，保证质量。现场喷射时机械手与地面支垫必须牢固，避免喷射时发生较大的晃动，影响喷射质量；泵送混凝土料斗口设网格，防止大块物体落入喷射混凝土内。湿喷机械手风压为0.4～0.5 MPa，拱部喷射速率为15～20 m3/h，边墙喷射速率为25～30 m3/h，速凝剂掺量按照配比换算成设备对应单位数量。喷射时一次喷层厚度不应过大，边墙喷射厚度为7～10 cm，拱部喷射厚度为5～7 cm，每层间隔喷射时间应控制在15 min以上；喷嘴距岩面距离应控制为0.9～1.2 m，并尽量与岩面保持在90°垂直范围以内；所有喷射混凝土按照由下至上、水平扁S线方式循环往复，直至喷至规定值。为保证喷射混凝土厚度、平整度受控，可提前在初喷面上按照2 m间距、梅花形布置φ8 mm钢筋标钉。喷射完成后，及时对设备进行清洗，确保设备内不积累混凝土残留物，避免造成堵管。

4 大断面机械化施工安全性分析

4.1 监控量测成果

4.1.1 变形监测

施工期间变形监测数据见表6。

4.1.2 应力应变监测

为确保结构及施工安全，为动态设计提供依据，增加了对锚杆轴力、初喷混凝土内力、钢拱架内力、围岩压力、围岩地层位移等选测项目的监测。初期支护、仰拱和二次衬砌的应力、应变监测数据分别见表7—9。

4.2 安全性分析

施工期间派专人对洞内外进行巡视，未发现浅埋段地表沉陷、初期支护开裂大变形等现象。根据监控量测结果可知，隧道开挖支护后围岩基本在22～32 d可达到稳定状态(变形速率<0.2 mm/d)，拱顶累计最大沉降5.4 mm,边墙累计最大收敛7.7 mm，均满足《铁路隧道监控量测技术规程》[10]相关规定限值。

根据现场雨量监测分析，地表水对洞内结构各类变形、应变影响不大。隧道围岩开挖后，在5 d内应力重分布现象明显且发展迅速，基本在10～15 d达到受力平衡及变形稳定状态。隧道洞口段埋深较浅但岩质较好，围岩的相对变形量不大，最大变形量为5.6 mm，与现场监控量测数据基本吻合，围岩整体稳定性较好。在支护体系的受力结构分配中，钢拱架承担着主要的支护作用，由混凝土内力、钢拱架受力、多点位移计各项传感器监测数据初步判断，结构受力均处于安全规定值范围内，结构安全性可控；二次衬砌受到初期支护传递的力较小，二次衬砌作为整个支护体系中的重要组成，主要是起到一个安全储备的作用，隧道开挖后围岩释放的压力主要由初期支护承担。

表6 新华隧道出口工区变形监测数据

表7 初期支护内力监测数据

表9 二次衬砌内力监测数据

通过全电脑三臂凿岩台车信息系统，可对全部施工过程及设备状态进行实时记录和查阅，也可通过专用蓝牙接口将信息同步上传至信息化管理平台，方便监控施工质量。

5 施工效果分析

Ⅳ、Ⅴ级围岩全断面法工序进度指标见表10。Ⅳ、Ⅴ级围岩全断面法月进度完成情况统计见表11。采用机械化大断面开挖工法施工Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩，通过超前预加固措施，围岩沉降收敛及结构应力应变数据结果均可控，施工安全有保证，进度指标较施工组织规程进度给定值均有所提升(提高10%～12%)。

表10 Ⅳ、Ⅴ级围岩全断面法工序进度指标

表11 Ⅳ、Ⅴ级围岩全断面法月进度完成情况统计

由于当前我国液体炸药尚未在铁路行业使用，各类炸药装填的机械化设备尚不能投入使用，对隧道单循环时间长度有一定影响，如后期国家放开液体炸药在铁路行业的使用后，采用大断面机械化开挖工法修建的隧道工程，其进度指标仍有进一步提升的空间。

6 结论与建议

1)在新华隧道采用机械化大断面开挖工法，节省了劳动力，降低了劳动强度和安全风险，改善了施工环境，保障了职业健康，有效提升了软弱围岩的施工进度指标，有利于工程工期保障；采用配套的机械设备施工，减少了施工作业中的人为因素，提升了各工序的施工质量。

2)隧道机械化大断面开挖工法结合新奥法、新意法以及挪威法等隧道基础理论，充分发挥锚杆应力拱的效应，严格落实掌子面稳定性判识和超前加固措施，在合理配置各类先进的、互相配套的施工机械、工装设备条件下，通过超前支护措施的选择、围岩变形的控制、工序质量的提升，充分发挥了机械化施工的优势，形成了新型的隧道施工作业组织模式，在未来隧道工程施工中具有较大的应用前景。同时，也为类似工程的修建提供了参考和借鉴，利用信息化与机械化技术深度融合向隧道智能化建设迈进。

3)在采用大断面机械化开挖工法时，建议根据隧道不同地质条件、不同机械设备配置，选取不少于200 m的试验段进行探索，同时，应将超前地质预报、监控量测纳入工序管理，通过采用先进的仪器设备确保成果分析准确、可靠。

4)根据现场实际收集的相关资料，结合机械化配置情况的实时总结，与机械设备厂家共同优化隧道机械化工装设备、配套工艺，不断提升和改进软弱围岩机械化施工配套技术水平和管理能力。按照资源配置情况，及时获取不同岩性、不同围岩等级下盈亏平衡点的进度指标，并以其为目标，优化资源配置、各工序组织模式、施工流程及工艺工法，提升机械化作业水平。