普通机械化配套隧道大断面施工技术

阎建泽

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

我国交通事业近些年取得了较快的进步，如何高效地完成隧道工程成为了人们关注的焦点。长大隧道大断面施工因其施工地质条件复杂，给支护等方面的施工造成了一定的难题，因此通过提高机械化施工水平就成为了解决这一问题的较好途径。依据黑山隧道施工实践，通过机械化配套部署，解决了工程中面临的问题，希望为相关工程的顺利开展提供参考。

1 工程概况

黑山隧道工程位于甘肃省西市与渭源县境内，隧道起讫里程为DK84+957～DK100+707，为双线隧道，隧道进口458.774 m，位于r=5000 m 的曲线上，洞身段1414.029 m 位于r=5000 m 的曲线上，出口115.705 m 位于r=6000 m 的缓和曲线上，其余地段位于直线地段,隧道设置三个斜井。工程地质情况如下：第四系全新统冲击砂质黄土、细圆砾土；第四系上更新统冲击砂质黄土、细圆砾土；第三系泥岩、砂岩、砾岩；震旦系混合岩；构造岩。

2 工程重难点分析

2.1 大断面软岩隧道的变形等不良地质的施工

本施工段隧道Ⅴ级围岩浅埋段，湿陷性黄土大断面软岩隧道对开挖、支护、防水、衬砌等工艺要求很高，各工序间方案必须合理，施工组织衔接必须合理、紧凑，才能避免大断面软岩发生变形。

2.2 防水标准高

隧道防水设计为一级，防水一直是地下工程施工的重点和难题。虽然设计采取了结构自防水和附加防水，多道防线，综合治理，但是地下工程的防水质量很难能达到理想的效果，尤其在衬砌结构混凝土分段浇筑的施工缝、设置的变形缝、沉降缝等措施，但是在洞室连接处的位置很容易出现问题，是工程施工的难点。

2.3 大断面隧道施工要求速度快

本工程工程量大、工期紧，隧道内围岩变化大，隧道的掘进又是控制工期的关键，如何做到针对特长隧道不同围岩实现快速掘进是确保工期的关键。

2.4 断层穿越带地质复杂

隧道穿越断层带4 次，分别为F3-1、F3-2、F3-3、F3-4 断层带，最大断层240 m，裂隙节理发育：①DK85+575～DK85+755、DK86+200～DK86+340 段为岩性接触带，F3-1 断层与洞身斜交通过，节理极发育；②DK90+745～DK90+985、DK86+200～DK86+340 段F3-2 与洞身斜交通过，为挤压断层，埋深500 m，具有高地应力大变形的施工风险；③DK93+560～DK93+900 段F3-3 断层与洞身斜交通过，节理发育；④DK95+740～DK95+870 段F3-4断层与洞身斜交通过，节理发育。

2.5 长大隧道通风难问题

长大隧道施工的关键在于如何解决通风问题，由于岩石隧道通风困难，导致掌子面问题达到35 ℃以上，工人身体虚脱。

3 普通机械化配套隧道大断面施工技术分析

3.1 总体施工思路

对于施工中存在的不良地质施工问题，需要事先对超前地质预报工作进行严格控制，准确地探测工程地质情况，这对于实施正确的施工方案具有重要作用。在施工中，依据地质预报的结果，可以使用超前支护、超前注浆等施工措施，保障施工过程的安全与质量。在进行掘进施工过程中，需要较少的进行掘进，同时使用弱爆破的方式进行施工。在支护施工过程中，要加快支护的速度，快速封闭和紧固的衬砌，这些都为不良围岩地质的施工创造安全合理的作业环境。同时，要不断对围岩的状况进行监控，及时上报围岩地质出现的参数等方面的变化，通过及时调整支护方案，为工程顺利实施创造良好的条件。要及时进行喷射混凝土施工，这对于加固岩体具有重要的作用，以上施工措施都为保障不良地质的安全施工创造了良好的条件。

隧道的掘进速度是决定施工速度的关键要素。严密的超前地质预报和可靠的围岩量测技术是实施快速掘进的技术支持。施工单位必须对隧道的基本情况有准确的判断，及时对施工现场的支护参数进行调整，然后提高工程机械化来提升施工的速度与质量。

3.2 设备使用情况

本工程依据现场实际，使用以下设备进行施工：自制简易全断面开挖台车1 台，20 m3出碴车8 台，YT28 风钻24 台，LG560 装载机2 台，20 m3空压机5 台，双臂凿岩机（锚杆施工）1 台，PC220 挖掘机2 台，SNS-130/20 注浆设备1 台，阿力瓦湿喷机2 台。

施工过程注意事项如下：①机械化全断面施工工作面高，台车加工平稳，边缘防护必须到位；②机械化全断面施工方式需要进行大量的爆破作业，因此应注意切口在角度和尺寸方面的要求；③喷射混凝土施工时，因为喷射面对的面积较大，因此要采取有针对性的措施控制其平整度。

3.3 开挖施工

根据现场实际围岩情况，每循环开挖进尺为3 m。切割孔相对于普通孔要深500～800 mm，周边眼的间距为450 mm，因为围岩的韧性的特征，线药量q 取0.15～0.25 kg/m，钻爆布孔设计如图1 所示。依据以往经验，进尺比较合理，光面爆破效果明显，炮孔平均剩余率在80%以上。

图1 钻爆布孔设计示意

3.4 支护施工

（1）超前支护。本工程采用超前支护设置，选用42 mm 的超前小导管，壁厚3.5 mm，长4.5 m，拱144°布置，周向间距0.5 m，40 根/圈，预留搭接长度1.5 m，钻孔灌浆孔，孔径6～8 mm，孔距20～30 cm，梅花形布置，尾翼不小于100 cm 非钻孔灌浆段，采用M10 砂浆，灌浆压力0.5～1.0 MPa。

（2）初期支护。在进行初期支护施工时，必须对参数进行详细严格的控制，详细的参数设置如下：在拱144°范围内设置3.5 m组合中空锚杆，长度为3.5 m，边墙处使用普通砂浆锚杆，长度3.5 m，间距1.2 m×1.2 m，中空锚杆每延米11 根，砂浆锚杆每延米8 根，梅花型布置；钢架间距为1 米/榀；锁脚采用长为4 m的22 mm 锚杆，每架8 个螺栓；钢筋网采用Φ6 mm 圆钢，网距20 cm×20 cm；喷射混凝土采用C25，厚度25 cm，全部使用湿喷的做法进行施工。

3.5 工艺总结

通过施工实践的总结，每个周期进尺控制在3 m 是比较合理的，施工周期控制在27 h。

（1）开挖。全断面开挖（不含仰拱）开挖面积131.4 m2，施工人员28 人，钻孔24 个，周边孔间距45 cm，钻孔深度320 cm，切割深度350 cm。采用楔形切割，共193 个钻孔（周边孔采用局部短孔），总填药312 kg，钻眼数为1.47 个/m2，装药量为0.79 kg/m3，平均每循环时间约4.5 h（含测量）。

（2）出碴。全断面开挖进尺3 m，计算断面实体体积394.2 m3，运距约4.5 km。配备8 辆渣土车、2 台装载机、1 台挖掘机，平均每循环时间约6.5 h。

（3）锚杆。全断面推进的尺寸为3 m，在顶部用中空锚杆40个，侧面砂浆锚杆20 个，锚杆的长度为3.5 m，孔洞的深度控制在3.5 m，采用气腿式凿岩机钻孔。安装灌浆施工人数6 人，平均每循环时间约4.5 h。

（4）支架。一次搭设3 个钢架，间距1 m/榀，挂6 mm 钢筋网。施工需要人力22 人，搭设3 个钢架，钻40 根42 mm 的小导管，锁紧24 个地脚螺栓，平均每循环时间约5 h。

（5）喷射混凝土。采用C25 喷射混凝土，厚度25 cm，采用湿喷工艺。现场实际喷射量约为40 m3，2 机每循环喷射平均时间约为5.5 h。

（6）回弹材料清理。包括回弹料清理、断面找顶，使用1 台挖掘机，大约施工时间为1 h。

3.6 监视和测量

（1）日常监视和测量。整个隧道采用全断面监控方案。每个断面设5 个测点。对拱顶沉降和净空变化的监测和测量均安排在同一断面上，每组10 m，根据现场实测结果，最大沉降量为3 cm，最大收敛为2.88 cm，最大沉降速率为每天3.41 mm，收敛速率为每天3.53 mm。沉降速率和收敛速率均出现在初始分支形成后的第一天和第二天。

（2）应力变量测量。目前，在DK85+575、DK86+200 处设置2段应变测量，测量距离掌子面为75 m。依据监测得出的数据，围岩处于较为稳定的状态，变形量较小，在规范要求的范围内，所以地质方面较为安全。

3.7 施工方法的优点

（1）开挖方法比较。通过对开挖、钻孔、装药等工艺的对比分析，机械化全断面施工与台阶法相比，在钻孔和装药量等方面都大大节约了人工投入，同时也节约了项目施工成本，为项目技术经济效果的实现做出了很大贡献。

（2）循环进尺。全断面每循环进尺为3 m，因为机械化全断面作业施工方式较为简单，无机械和人工并联作业，安全可靠性高。

（3）安全步距。根据监测资料分析，距工作面75 m 时，围岩地质的稳定性符合要求。建议Ⅳ类围岩的安全监测布置在50 m的位置，通过项目数据的对比，机械化全断面工作方式比台阶法在技术和经济等方面都存在着明显的优势。

4 结束语

我国交通事业近些年取得了较快进步，如何高效地完成隧道工程成为了人们关注的焦点。长大隧道大断面施工因其施工地质条件复杂，给支护等方面的施工造成了一定的难题。对长大断面隧道进行施工中使用机械化技术改革，可以加快施工过程，有效保障施工质量，对于高质量、高品质地完成项目建设具有重要意义。同时，应不断研究机械化在大断面隧道施工中的应用办法，从施工组织和工序安排方面尽量节约项目资源，通过爆破和支护施工保证围岩施工过程的安全顺利，最终为我国交通事业的健康发展做出应有的贡献。