软岩大跨度特长隧道快速施工中的机械化配套技术研究

王学军（中铁十二局集团第二工程有限公司，太原030000）

1 引言

软岩大跨度特长隧道快速施工中的机械化配套技术是一项重要的研究课题。技术装备能力是企业展示自己的重要手段，同时，也是企业对外形象的体现。在特长隧道施工中，应结合隧道地质条件，合理配置机械设备，以满足施工需要；使施工机械与施工条件、施工工艺相配套；根据地质及工期要求，进行比选，确定切合实际的机械化配套技术方案。同时，应充分考虑各工序间施工机械的配合及人的协调工作能力及企业的发展战略要求。

2 工程概况

大理大南高速深长村隧道位于大理州下关镇与巍山县交界位置，穿大理市下关镇与巍山县交界的者摩山，有国道和施工便道通往隧址区进出口附近，交通条件一般。隧道设计为分离式双向6车道，隧道全长右幅5 440 m（左幅5 460 m），最大埋深582.34 m，隧道净空（宽×高）为1 400 cm×400 cm。隧道左幅Ⅴ级围岩1 770 m，占比32.4%；Ⅳ级围岩3 690 m，占比67.6%；隧道右幅Ⅴ级围岩1 745 m，占比32.2%；Ⅳ级围岩3 680 m，占比67.8%。本隧道为3车道大跨度隧道，拱顶矢跨比仅为0.21，自身受力结构差。隧道地质条件复杂，不良地质较多，存在穿越断层破碎带、软岩大变形、高地应力、滑坡、基底承载力不足、涌水等问题。岩体破碎，主要为强风化泥质砂岩，沉降变形量大，施工组织难度大，资源要素投入大。施工过程中，应根据特长隧道的特点合理地进行机械设备配置，加强现场施工的组织安排，最大限度地利用和发挥机械设备工作效率高的特点，隧道快速施工贯通，以确保总工期目标实现[1]。

3 软岩大跨度特长隧道快速施工中的机械化配套技术及施工组织管理

机械化配套技术可以提高隧道各施工工序的工效，使施工效率得到大幅度提升，实现对隧道工程施工中的突发安全事故起到预防作用，减少了隧道施工中不确定危险源对人身造成的伤害，有利于隧道施工中的安全防范与安全管理，实现施工质量管理从管理人员操作到直接管理机械设备操作的过渡[2]。机械化施工还减少了洞内施工人员的数量，降低了作业人员的劳动强度，有效保护从业人员的职业健康。

3.1 超前水平钻探测指导施工

为了进一步探明隧道开挖工作面前方的不良地质构造，指导现场施工的顺利进行，并且根据相关要求，采用意大利卡萨C6-2全液压钻机在掌子面进行钻孔。卡萨C6-2全液压钻机配备有超前地质探测分析系统，其钻孔最大深度为150 m。利用超前水平钻可以有效降低地质灾害发生的概率和危害程度，为工程设计优化提供地质资料。

3.2 技术要求

1）在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用超前地质钻探法；

2）超前取芯钻较为耗时，预报时应以超前冲击钻为主，二者应合理搭配使用。取芯钻一般需在精确判定围岩物理力学性质及分布的情况下进行，如含煤岩层取芯、溶洞及断层破碎带物质成分的鉴定、岩土强度试验取芯等。

3.3 钻孔布置

除以下一般技术原则外，钻孔布置还需结合项目部要求、勘察资料及物探预报结果进行最终确定。（1）孔数。为较全面地揭示掌子面前方围岩情况，每循环一般布置3~5个孔，呈正立三角或沿隧道轮廓线呈弧形排列。（2）对于用其他方法预测出的含不良地质体的区域，应适当布置钻孔。（3）断层、节理密集带或其他破碎富水地层等位置、规模等明确时，每循环可只钻1孔；相反则应加密钻孔，以确定以上不良体发育情况。（4）富水岩溶发育区每循环可适当增加孔数，以揭示岩溶发育程度，以满足安全施工和溶洞处理所需资料为原则。

3.4 孔深

钻孔深度的控制，应遵循以下原则：（1）进行连续钻探时，一般每循环可钻30~50 m；遇重大危岩段可实施中、长距离钻探（50~150 m）；连续预报时钻进里程应重叠5~10 m；（2）不同地段不同目的的钻孔应采用不同的钻孔深度，如以排水为主可适当缩减钻深；（3）钻探过程中应进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以达到预报目的为原则[3]。

3.5 孔径

钻孔直径的控制，应遵循以下原则：（1）钻孔直径应综合考虑效率及预报精度选取；一般采用φ65 mm钻头；若采用空压机进行排渣，则应考虑更换为φ90 mm钻头；（2）遇富水地层，应适当加大孔径；（3）若进行超前取芯钻，则需满足钻探取芯、取样和孔内测试的孔径要求，且应符合相关勘察规范的规定。

3.6 角度

钻探角度的控制，应遵循以下原则：（1）无特殊要求则钻孔方向为水平向前且左右无偏转；（2）对于深长钻孔（＞50 m），考虑钻杆自重及动力衰减，应适当向上调整角度；（3）富水地区超前钻探应终孔于隧道开挖轮廓线以外5~10 m；偏转角度为15°~45°。

3.7 排渣

排渣过程中，应注意以下要点：（1）无特殊情况时，应采用循环水排渣，以保证钻孔效率及预报精度并减小钻具损耗；（2）若岩层为遇水软化岩层如膨胀土层、泥质岩层等，则应调低循环水压或改为用空压机排渣，实施干钻；（3）若岩层中含易燃易爆气体，如瓦斯、天然气等，则应采用水循环排渣，严禁干钻。

根据超前水平钻芯取样情况综合分析，根据围岩的岩性钻探数据（钻进速度、推进力、扭矩、旋转速度）进行分析，结合深长村隧道勘察设计资料、钻孔排渣、排水情况及掌子面地质观测的信息，综合分析，推测前方的地质情况及富水情况，预测前方围岩级别是否与设计相符，指导后续施工。

3.8 监控量测

深长村隧道围岩以粉砂质泥岩为主，裂隙较发育，沉降量大，根据设计预留变形量很容易导致初支侵限，根据深长村隧道的沉降变形情况，分析数据，合理预留变形量，最大段落预留量达到150 mm，沉降量达到约130 mm。

拱顶下沉点与周边收敛测点布设在同一断面内，分别在拱顶及两侧拱腰附近布设7个测点。根据拱顶下沉速率-时间曲线图及下沉位移-时间曲线图，综合分析，对后续施工预留变形量的具体数值进行调整，并对初支参数进行调整，并且确定衬砌施工时间，根据不同的情况做出相应的调整，对于大变形段落，仰拱、衬砌及时跟进，早日闭合成环。确保安全快速的通过该段落。

3.9 湿喷机械手

隧道喷射混凝土采用湿喷机，通过操作有线“遥控器”来控制喷射头喷混作业，喷射头可进行240°摆动和360°回转，其最大喷射高度16.8 m，宽度30 m，最远喷射距离15 m，喷料速度为4～30 m3/h。该设备具有先进的自动控制系统，到达现场后能快速调整机位，无须接送风水管，混凝土运输到现场后即可直接进行喷射作业，且实际的喷料速度比2台（9 m3/h）的湿喷机快2倍。

3.10 改装自行式液压二衬台车

二衬采用衬砌边墙溜槽逐窗入模浇筑，从上至下分别通过主料斗—分流槽—三通分流槽—分流串筒—入窗分流槽，抽插阀门，控制混凝土流向各级工作窗口，最终实现混凝土逐窗入模，有效解决隧道衬砌边墙混凝土不密实、强度不足、外观缺陷、冷缝等质量问题。

二衬台车沿隧道中线方向设置一定数量的注浆孔，并安装固定法兰，在混凝土浇筑前预埋注浆管（RPC），待混凝土浇筑完成后及时进行注浆。

隧道二衬台车长12 m，台车加工时在拱顶位置设计4个注浆孔，主注浆孔距离侧端模为50~100 cm。端模排气孔（也作为注浆孔）距端模边缘100~150 cm。中间排气孔（注浆孔）安置在混凝土灌注口之间平均分布。在初始设计注浆孔位置时，当设计位置与台车钢梁位置有冲突时，可将注浆孔位置进行适当调整。

隧道二衬防顶裂装置通过运用三组微动开关、3套声光报警器以及1台小型变压器（输出电压为36 V安全电压）组成。在拱顶和边墙两侧分别安装微动开关（连接声光报警器），当台车模板接触混凝土面后微动开关与混凝土面接触即证明台车模板已充分支撑到位，微动开关接通报警装置即会自动报警。通过该设备可有效避免因台车顶升过量造成混凝土遭受破坏，发生质量缺陷[4]。

3.11 巷道式通风保证措施

合理的通风方案要求通风系统设计的合理性，风机和风管要相匹配。如果片面追求大风量风机，而风管直径小；或者风管直径大，风机风量小，都难以保证良好的通风效果。

3.11.1 风机

根据计算风机应提供的风量和风压及现有设备选型。自进出口各自2个横通道贯通后，开始使用巷道式通风。以进口为例，进行设备配置，采用发电机功率为2×110 kW的轴流风机2台（左洞内1台，横通道内1台），其额定风量为2 500 m3/min，全压4 200Pa。而计算所需风量为2 252 m3/min，因此，满足巷道式通风需求。

3.11.2 风筒

一般情况下，风筒过风面积取开挖面积的1/25～1/20。A过风=（1/25～1/20）×A开挖=150.74×（1/25～1/20）=6.03～7.54 m2式中，A过风为过风面积；A开挖为开挖面积。

若风筒直径采用φ1 500 mm，则过风面积A′过风为：

因此，采用直径φ1 500 mm风筒满足要求。

3.11.3 通风方式选择与确定

第一阶段采用压入式通风，就是采用大功率通风机将新鲜空气压送到掌子面，然后将废气从里往外挤出。这种通风方式适用于下坡短隧道，所以，进出口在第二个横通道未贯通前都采用压入式通风。

第二阶段采用巷道式通风。

3.11.4 施工通风管理

通风是隧道施工中至关重要的一道工序，直接关系到隧道的快速施工。因此，应制订科学合理的通风方案和切实可行的保障措施。

1）施工通风要点

安装风机：洞口风机距洞口30 m以外安装，支架稳固避免运转时振动摇晃，风机上方设防雨遮板。风机出口设置刚性风管连接，风机和风筒接口处法兰间加密封垫。

安装风管：风管使用前进行外观检查，保证无损坏，黏结缝牢固平顺，接头完好严密；挂设风管要平、顺、直，沿拱顶中线位置，每隔5 m打眼安装高强膨胀螺栓，布φ6 mm钢筋拉线，用紧线器拉紧，并设φ10 mm尼龙绳挂圈；使用PVC高强双拉链风管，必须使其内反边保持同风向一致。风管悬吊要稳固，悬挂高度一致。风管拉紧后除去多余部分，增设钢圈接头，捆绑牢固。风管末端安装长60 m旧风管，风管出口距工作面30～50 m。

2）通风系统的维护

通风机设专人维护，按规程要求操作风机，如实填写各种记录。风机尽量减少停机次数，发挥风机连续运转性能。定期对全部风管进行检查，发现破损等情况及时处理。风管内积水，每月排水一次。

3.12 喷淋养护车

隧道喷淋养护车，能够快速高效地实现隧道混凝土养护。其特点有：

1）全面养护，洒水全覆盖、无死角；

2）专人驾驶，专人养护。

4 结论

本项目研究对施工大跨度大变形特长隧道过程中存在的一些常见的质量问题进行分析和研究，并提出相应的控制措施，以提高隧道施工中混凝土的质量，为隧道安全、优质、高效、按期建成提供理论支持及技术保证，完善和发展我国大断面隧道施工理论及施工技术，形成较为系统的大断面长大公路隧道施工综合技术，促进公路隧道的安全、稳定的建设和发展。