高速公路隧道机械开挖超欠原因及其控制对策

杨继才

（四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

经济水平的不断提升对我国交通事业的发展也起到重要的推进作用，随着我国高速公路隧道工程建设难度不断增加和建设数量不断增多，在高速公路隧道工程施工作业环节中，因机械开挖超欠诱发的围岩变形、隧道坍塌事故不断发生。国内学者的研究方向多以隧道支护、围岩加固等为主，未针对地质结构不稳定的隧道工程项目展开深入研究。因此，文章以黄土隧道工程项目为例，对该隧道工程机械开挖作业过程中出现超欠开挖的原因以及具体的控制工艺展开分析，期望对全面提升高速公路隧道工程建设质量有所帮助。

1 工程概况

某高速公路隧道采用左线和右线分离设计模式，其中左线桩号ZK116+830—ZK117+931，长度1101m；右线桩号为K116+810—K117+905，长度1095m，隧道内设计车速为80km/h，采用I 类路面荷载，左、右两侧各设单行道。隧道的最大开挖高度为9m，宽度为11m，开挖面为108m2。工程场地地处黄土沟壑区，地形结构稳定性较其他区域偏弱，地质条件复杂。

2 隧道开挖方案确定

2.1 方案选择

高速公路隧道开挖作业主要采用钻爆法和机械开挖法。前者施工成本较低，但机械化程度不足，容易对隧道围岩产生影响，无法保障隧道断面成型质量；而后者则具有施工效率高、更具安全性等特征。地质结构不稳定、围岩结构不稳定等因素均会对隧道工程开挖作业产生负面影响。

机械开挖作业过程中，土体会沿着节理松张或剪断，加剧隧道坍塌风险。同时，受施工技术、测量工艺以及现场管控等因素影响，隧道也可能出现机械开挖超欠现象。由此可见，在高速公路隧道工程施工中，做好地质结构勘探以及提前预测工作非常关键，不仅可以显著提升项目施工效率，还可以避免机械开挖超欠现象的出现。该隧道工程项目在开展施工作业前，施工现场安排专业技术人员进行隧道地质结构检验检测工作。经过前期勘察检验以及土质取样测试后发现，该隧道土体含水率在8.4%～9.9%，含水率较低，比较适合应用机械开挖法。机械开挖法又可以细分为悬臂掘进以及挖掘机开挖两种，为提升隧道工程施工质量，减少掘进作业时间，避免隧道拱顶沉降和围岩坍塌，该工程项目最终选用悬臂掘进机开挖方案。经过初步规划，采用该作业方法针对隧道掌子面进行开挖时，仅需要2 人配合施工即可，不仅可以降低人工成本，还可以有效控制循环掘进作业时间，对比使用挖掘机作业可大幅度缩短作业时长，也可以有效预防机械开挖超欠，实现断面一次成型[1]。悬臂掘进机作业方式产生的开挖面也比较平整，对周围围岩的影响较小，应用该作业方式能够确保隧道开挖和支护工程的有效衔接，大幅度提升隧道工程项目施工的安全性。

2.2 机械化配套施工作业

结合隧道工程案例围岩参数可知，为了持续提升隧道周围土体结构的稳定性，施工现场可在参考支护作业、悬臂掘进机施工参数的前提下，针对不同区域采用不同的掘进作业方法。例如，对该隧道浅埋段正洞洞身进行开挖，可以使用中隔壁法；对深埋段区域进行开挖则可以采用三台阶施工技术，确保初支结构一次成型，进一步提升隧道工程项目的施工效率；为了增强隧道掌子面的结构稳定性，针对上台阶进行施工时，采取左右幅分别开挖的方式，此时悬臂掘进机仅需要移动一次，上台阶施工完成后再对下台阶进行开挖作业。

案例中的黄土隧道在进行机械开挖作业的过程中，经常出现各种各样的问题，施工项目组通过调查同类型施工案例，并且结合该工程项目的地质结构特征、围岩地质条件以及现场施工情况等要素，对三台阶施工工艺加以优化，采用两台阶机械开挖作业方案，直接使用悬臂掘进机进行开挖作业，开展初支施工时，则采用配套机械设备进行施工。机械配套情况如表1 所示。

表1 机械配套情况表

3 机械开挖超欠的影响因素和控制技术分析

在进行高速公路隧道机械开挖作业时，必须考虑隧道周围的围岩地质条件，根据具体的施工参数做好超欠开挖控制工作，灵活调整施工方案。

3.1 机械开挖超欠现象的原因

结合大量施工案例可知，导致隧道工程出现超欠开挖的原因包括土体含水率、开挖循环进尺、台阶长度、预留变形量以及机械设备配置参数等。

3.1.1 土体含水率

土体含水率是导致超欠开挖现象出现的核心因素。如果隧道中土体含水率较高，不仅会削弱周围围岩结构承载力和稳定性，还会对施工方案设计产生影响。隧道土体含水率在15%～19%时，围岩结构的脱水收缩率较低、稳定性较好，开挖作业工程中的坍方和掉块概率相对较低，施工人员可以根据实际施工要求，灵活调整开挖进尺。随着土体含水率增加，其稳定性也会降低，在开挖作业时，隧道拱顶和两侧的掉块概率同样会有所增加。当土体含水率超过23%，此时黄土的稳定性严重下降，开挖作业时非常容易出现坍方[2]。

3.1.2 开挖循环进尺

一般情况下，机械开挖作业时的循环进尺越大，对周围围岩结构的破坏也就越大，会严重降低围岩稳定性，进而导致机械开挖超欠现象。

3.1.3 台阶长度

在隧道台阶施工作业过程中，如果台阶过长，会延长仰拱闭合时间，进而降低开挖面结构的稳定性。

3.1.4 预留变形量

在隧道施工作业中，如果施工区域地质条件稳定，那么预留形变量数值和机械开挖超欠现象发生率成正比。

3.1.5 施工管理因素

高速公路隧道开挖作业过程中，工程施工管理不佳也是导致机械开挖超欠现象发生的主要因素。隧道机械开挖超欠控制成效可以直接反映施工队伍的管理水平，如果施工人员综合素质低下或制订的隧道施工方案不够完善，都会诱发机械开挖超欠现象。例如，部分技术人员在隧道周围打孔作业时，为了追赶施工进度，没有及时将开挖轮廓线和周边孔样置于掌子面上，仅参考上一循环初支断面进行打孔作业，会加剧隧道机械开挖超欠现象。再比如，如果施工现场不重视施工流程监督管理工作，就会加剧机械开挖超欠现象发生的概率[3]。在隧道工程项目施工中，个别技术人员缺乏隧道作业经验，未严格按照施工流程进行施工，同样会给高速公路隧道工程项目施工产生负面影响。

3.2 隧道机械开挖超欠控制技术分析

3.2.1 做好土体含水率监测工作

在高速公路隧道工程机械开挖作业中，需要综合考虑施工场地的断面特征及其土体含水量等，明确围岩参数。对土体含水率进行合理的划分，据此优化施工方案，确定台阶开挖长度和悬臂掘进机循环进尺参数，从而形成基于极限含水量的施工方案，实现对隧道机械开挖超欠的有效控制。对于存在严重机械开挖超欠现象的隧道掌子面区域，在开挖工作结束后，应采用钢筋网材对其进行加固，然后根据施工作业要求完成混凝土喷射工作，架设钢架作为初支。

3.2.2 合理控制开挖循环时长

隧洞开挖后，上部围岩将产生一定的变形，并逐渐向塑性变形发展，进而引起上部结构的不稳定，故需对上部开挖及初期支护时间进行严格控制。该项目采用两台阶机械开挖作业方式，尽管台阶长度为悬臂掘进机作业提供了足够的空间，但也会影响挖掘表面的稳定度。因此，在进行喷浆前，机械手必须至少移动2 次，直到下台阶的混凝土喷完后，才能进入上台阶[4]。在施工环节，如果机械手混凝土喷射不连贯，可能导致管路堵塞，因此必须严格控制上下台阶混凝土喷射时间，最佳间隔时间在180min 以内，这样可以有效降低堵管概率。同时，施工现场必须做好施工组织设计工作，在不影响工程进度和质量的前提下合理安排作业工序，减少机械开挖循环作业时长，减少掌子面暴露的时间，提升围岩结构的稳定性。

3.2.3 优化台阶长度

在极限含水率施工作业方案下，施工现场必须根据围岩结构参数对台阶长度进行优化，保障断面稳定性。技术人员可以参照台阶长度对机械开挖超欠数值进行测算，然后灵活调整台阶长度。结合案例可知，隧道施工中使用的CTR300R 型悬臂式掘进机机械手的悬臂半径为13m，据此能够计算出上台阶为4m，中台阶为4.5m，下台阶为3m。为了减少挖掘周期，机械手的工作时间必须控制在120min 以内。

3.2.4 控制预留变形量

高速公路隧道开挖结束后，需要进行断面测绘，掌握隧道顶部的沉降及围岩的收缩状态。根据这些数据，技术人员需要对预留的变形量进行灵活调节，防止出现预留变形量超出控制范围造成的机械开挖超欠。此外，为了减小施工对周围环境的影响，在开挖工作结束后，应留下30cm 宽的人工调节间距[5]。

3.2.5 机械开挖施工监测

为有效地控制机械开挖超欠现象，掌握其对围岩结构的影响，保证后续施工的安全，该项目严格依照《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020）进行全程监控，监测隧道拱顶沉降和水平收敛，测点布设如图1 所示。

图1 拱顶沉降及水平收敛测点布置

参照预留初始沉降变形量，技术人员对不同围岩类型的掌子面的实际沉降变形量进行测量，观测时间如下：一是隧道开挖成型后12～24h 内；二是隧道二衬浇筑前沉降变形稳定20d 以后。经过一段时间的观测，对得出的观测数据（见表2）进行对比分析，最终确定不同类型围岩的最终预留沉降变形量，并将观测参数作为后续隧道工程施工的主要参考依据。

表2 最终实际预留沉降变形量统计表 单位：mm

3.2.6 做好施工组织管理工作，明确施工管理制度

确保施工质量是高速公路隧道工程建设的核心要求，也是施工企业必须遵循的原则。施工现场必须重视施工组织管理工作，健全施工管理方案，以保障隧道工程质量为核心。明确施工管理制度，优化施工流程，参考施工中的各项数据完善施工方案。技术人员要根据隧道工程项目施工进度，做好施工现场监督管理工作，用施工制度约束施工人员行为。施工人员也要充分掌握隧道开挖作业施工工艺，确保隧道工程顺利开展。

4 结语

综上所述，在高速公路隧道工程开挖作业施工时，采用悬臂掘进机掘进作业施工方式可显著提升施工效率。在该工程案例中，开挖量可达到59m3/h，月进尺量高达101m，不仅保障了施工进度，还可以有效控制隧道机械开挖超欠现象。因此，在结构稳定性较差的隧道工程作业中，一定要采取各种方法保障掌子面围岩结构的稳定性，灵活调整施工进度。隧道工程施工作业不仅要做好初支工作，还要做好掌子面的稳定性监测工作，借此有效控制隧道拱顶沉降和围岩水平。