公路隧道Ⅳ級圍巖段機械化全斷面施工步距控制研究

郭鴻雁，張曉龍，蘇軍偉，3，李 科

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067； 2.云南建設基礎設施投資股份有限公司，昆明 650501;3.重慶交通大學，重慶 400074)

近年來，我國在鉆爆法隧道機械化全斷面施工技術及相關研究方面取得了一定的成果。關寶樹[1-2]提出在礦山隧道盡可能選擇全斷面施工方法，目前圍巖補強技術的發(fā)展和大型機械的應用使得全段面施工成為可能；胡亞峰、洪開榮等[3-4]提出通過補強措施來增強掌子面的強度，以避免因全斷面開挖造成圍巖失穩(wěn)的問題；王明年等[5]基于經(jīng)典楔形體模型，以鄭萬高速鐵路榮家灣隧道為背景，為軟弱圍巖隧道超前支護體系設計、優(yōu)化提供理論支撐；黃維科等[6]以貴黃高速龍昌隧道施工為例，提出9種專用隧道施工機械設備搭配，采用相應機械化施工技術，提高了隧道施工的機械化程度、工作效率、安全性；李俊均[7]以林山隧道工程為依托，基于實際應用，就鑿巖臺車的適用性、供配電要求、影響作業(yè)效率、開挖炸藥單耗情況、超欠挖控制等關鍵技術經(jīng)濟指標進行分析研究；鮮國[8]在已有成果基礎上，以躍龍門隧道依托，對隧道在施工過程中動態(tài)施工組織管理進行研究，并在實施過程中不斷完善和優(yōu)化，使得工程進展可控有效；許冬蓮等[9]結(jié)合博深高速公路石鼓隧道施工實踐，介紹配套設施建設、人員與機械設備配置、施工工藝及前期右線人工施工和左線機械化施工比較,從而得出隧道機械化施工具有明顯的社會效益和環(huán)保效益的結(jié)論；林毅、萬姜林、殷立軍等[10-12]對圍巖隧道機械化施工的開挖方法、支護方式、施工安全控制、機械配套與施工工藝開展了系列研究，形成了成套的施工技術；趙勇[13]提出控制開挖進尺、各施工步距、提高初期支護強度等措施來控制隧道圍巖變形；王志龍等[14]采用有限元數(shù)值分析與實測數(shù)據(jù)回歸分析等方法，建立了確定二次襯砌支護時距掌子面距離的理論計算方法；王海周[15]以隧道安全步距為焦點，探求不同圍巖及支護條件下的安全步距理論值。

總結(jié)分析目前隧道機械化施工現(xiàn)狀及相關研究成果，有以下幾點認識：1) 隧道機械化施工多應用于Ⅰ～Ⅲ級圍巖，Ⅳ、Ⅴ圍巖的應用案例較少，多處于應用研究與試驗段測試階段；2) 隧道機械化施工方面的研究多集中于施工開挖方法、支護理論、輔助加固措施、施工機械配套與施工組織管理等方面；3) 目前關于傳統(tǒng)鉆爆法分步開挖的安全步距研究有所涉及，但缺乏Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下隧道機械化全斷面施工安全控制步距的相關研究。為此，本文在已有研究現(xiàn)狀分析的基礎上，結(jié)合依托工程的實際情況，通過三維數(shù)值仿真分析與現(xiàn)場試驗段測試等方法，針對公路隧道Ⅳ級圍巖段機械化全斷面施工步距控制開展了相關研究工作，提出適用于公路隧道Ⅳ級圍巖段鉆爆法機械化全斷面施工開挖方法與施工安全控制步距。

1 工程概況

云南某新建特長隧道單洞長約8 200 m，最大埋深737 m，主線隧道洞身段穿越地層主要以砂巖、礫巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖、板巖為主，局部可能夾煤線。圍巖完整程度呈一般破碎-較完整，基巖裂隙水較發(fā)育，預估呈點滴狀出水，局部淋雨狀，隧道全線Ⅳ級圍巖約占60%，隧道進洞初期采用傳統(tǒng)的人工鉆爆法施工，施工方法主要為臺階法，后為提高施工效率，縮短施工工期，擬采用機械化全斷面施工，為確保掌子面穩(wěn)定，掌子面開挖前采用Φ60中管棚(長度20 m@40 cm)進行預加固。

2 基于圍巖穩(wěn)定性分析的施工控制步距研究

2.1 計算模型建立與參數(shù)選取

結(jié)合該隧道的實際施工情況，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三維數(shù)值仿真分析模型。為消除邊界效應影響，模型邊界按照3～5倍洞徑進行取值，考慮到二襯步距的研究，模型的縱向尺寸宜大于200 m，本次模型尺寸取120 m×120 m×240 m(高×寬×長)；位移邊界條件為：頂部為自由邊界，底部和左右邊界為固定邊界。為保持與實際工程施工情況一致，本次模擬開挖考慮了由臺階法變?yōu)槿珨嗝娣ǖ氖┕すば蜣D(zhuǎn)換過程，計算分析模型如圖1所示。

圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)力學參數(shù)根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》的相關規(guī)定進行取值，其中圍巖力學參數(shù)取規(guī)范建議取值范圍的中值，見表1。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)力學參數(shù)取值

2.2 計算結(jié)果分析

1) 二襯與掌子面距離

本次仿真模擬了隧道從上下兩臺階法施工轉(zhuǎn)換為全斷面施工的全過程，掌子面總掘進長度240 m，共設置8個監(jiān)測斷面，其中前3個斷面(K0+8、K0+46與K0+62)位于兩臺階法施工段，中間1個斷面(K0+94)位于工序轉(zhuǎn)換段，后4個斷面(K0+106、K0+118、K0+130、K0+142)位于全斷面施工段。提取隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形隨施工開挖步變化規(guī)律以及沉降變形的空間分布規(guī)律，分析合理的施工安全控制步距與二襯結(jié)構(gòu)施作時機。隧道拱頂沉降隨施工開挖步變化規(guī)律如圖2所示，隧道拱頂沉降縱向分布規(guī)律如圖3所示。

在實際研究調(diào)查期間，主要對問卷檢測方法進行使用，其中對縣級、市級以及農(nóng)村地區(qū)各層次學生對于初中數(shù)學函數(shù)知識掌握情況進行了解與掌握，其主要目的在于真正發(fā)現(xiàn)基礎函數(shù)知識對于動點問題產(chǎn)生的各種影響。

圖2 隧道拱頂沉降隨施工開挖步變化規(guī)律

圖3 隧道拱頂沉降縱向分布規(guī)律

由圖2可知，隧道施工過程中，圍巖與初期支護變形分為3個階段：1) 掌子面開挖前的緩慢預變形段(約占5%)；2) 掌子面施工過程中變形增長段(約占80%)；3) 仰拱施工后的變形收斂穩(wěn)定段(約占15%)。由圖3可知，隧道采用全斷面施工時，因掌子面一次性開挖，臨空面較大，使得隧道圍巖穩(wěn)定性較臺階法施工差，且對掌子面前后方圍巖穩(wěn)定性的影響范圍更大；當采用上下兩臺階法施工時，掌子面前后方圍巖變形影響范圍分別約為15 m和50 m；而采用全斷面施工時，掌子面前后方圍巖變形影響范圍分別約為20 m和60 m。

綜上分析，對于Ⅳ級圍段，采用全斷面施工時，隧道初支完成后，距掌子面后方60 m的圍巖與支護趨于穩(wěn)定，即當二次襯砌步距大于60 m后，對圍巖穩(wěn)定性的影響較小，因此二次襯砌步距可根據(jù)施工組織需要確定。

2) 仰拱與掌子面距離

本次模擬分析了隧道仰拱開挖及仰拱步距對圍巖穩(wěn)定性的影響。隧道拱頂沉降隨施工步序、仰拱步距變化規(guī)律分別如圖4、圖5所示。

圖4 隧道拱頂沉降隨施工工序變化規(guī)律

由圖4可知，隧道仰拱開挖引起的圍巖變形較小，約占累計沉降量的2.2%，且仰拱施工完成后，迅速趨于穩(wěn)定。由圖5可知，圍巖變形隨仰拱步距的增大，變化很小，當仰拱步距由50 m變?yōu)?0 m，拱頂沉降增量僅為0.1 mm，約占累計沉降量的1.4%。

圖5 隧道拱頂沉降隨仰拱步距變化規(guī)律

基于圍巖穩(wěn)定性分析的施工步距研究結(jié)果表明：對于該隧道，當Ⅳ級圍巖段采用全段面機械化施工時，掌子面施工對掌子面后方影響的距離約為60 m，超出影響范圍外的路段，圍巖基本趨于穩(wěn)定，即二襯跟進步距不是影響圍巖穩(wěn)定的主控因素，同時仰拱開挖引起的圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形較小，且變形隨著仰拱步距的增加變化很小，因此二襯與仰拱的施工控制步距可根據(jù)施工組織方案確定。

3 基于機械化施工組織的施工控制步距研究

隧道施工過程中，仰拱與二襯的施工步距除需滿足圍巖穩(wěn)定與施工安全要求外，還需為設備提供足夠的作業(yè)空間，當存在多設備配合作業(yè)時，同時還需提供一定設備行走交織作業(yè)空間，確保各設備間協(xié)同作業(yè)的緊湊有序，這樣才能最大限度地發(fā)揮機械施工效率。通過對比分析隧道施工過程中各道工序的機械配套情況，以獲得滿足機械化施工組織的施工控制步距。

3.1 仰拱與掌子面距離

仰拱與掌子面間的控制距離需滿足鉆爆、出渣、錨噴、鋼架安裝以及復噴等施工作業(yè)要求。其中各道工序縱向最小作業(yè)距離為：

1) 鉆爆作業(yè)。三臂鑿巖臺車(18 m)+作業(yè)臺車(10 m)=28 m。

2) 出渣作業(yè)。渣土(10 m)+出渣作業(yè)(20 m)+作業(yè)臺車(10 m)=40 m。

3) 噴錨作業(yè)?；炷翝駠娕_車(10 m)+堆料區(qū)域(10 m)+作業(yè)臺車(10 m)=30 m。

4) 拱架安裝。作業(yè)臺車(10 m)+裝載機送拱架(10 m)=20 m。

5) 復噴作業(yè)?；炷翝駠娕_車(10 m)+堆料區(qū)域(10 m)+作業(yè)臺車(10 m)=30 m。

為確保隧道施工效率的最大化，建議工序交織區(qū)預留距離20 m～30 m，因此建議仰拱距掌子面距離不小于60 m～70 m，建議按70 m進行控制。

3.2 二襯與掌子面距離

根據(jù)施工組織需要，二襯與掌子面距離需要考慮以下幾個因素：1) 仰拱距掌子面70 m；2) 仰拱開挖與支護段落相距(仰拱棧橋式)60 m；3) 鋼筋或防水板鋪掛臺車工作長度10 m；4) 二襯臺車工作長度10 m；5) 工序交織預留距離15 m。因此，建議二襯與掌子面距離按200 m進行控制。

基于機械化施工組織的施工控制步距研究結(jié)果表明：為滿足施工組織需要，提高機械化作業(yè)施工效率，建議該隧道Ⅳ級圍巖段仰拱與掌子面間距按照70 m進行控制，二襯距掌子面距離按照200 m進行控制。

4 試驗段現(xiàn)場實測分析與驗證

在理論分析研究的基礎上，該隧道設置了200 m試驗段(ZK71+930～ZK72+130)進行試驗驗證。根據(jù)施工進度，試驗段布置了17個監(jiān)測斷面，實時監(jiān)測預警，動態(tài)調(diào)整支護方案，同時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對隧道機械化全斷面施工過程中圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進行對比分析與驗證。典型斷面拱頂沉降隨時間的變化規(guī)律如圖6所示，掌子面后方拱頂沉降縱向分布規(guī)律如圖7所示。

圖6 典型斷面拱頂沉降隨時間的變化規(guī)律

圖7 掌子面后方拱頂沉降縱向分布規(guī)律

由圖6可知，當采用機械化全斷面施工時，隧道掌子面開挖完成后，圍巖沉降變形隨著時間的增長而逐漸增大，變形速率(曲線斜率)隨著時間增大而逐漸減小。監(jiān)測7 d～10 d后，累計變形逐漸趨于收斂，圍巖趨于穩(wěn)定。試驗段施工進度約為6 m/d，即距離掌子面42 m～60 m后，圍巖逐步趨于穩(wěn)定。由圖7可知，掌子面掘進對掌子面后方50 m范圍內(nèi)的圍巖變形影響較大，距掌子面50 m后圍巖逐步趨于穩(wěn)定，以上分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

現(xiàn)場200 m試驗段施工結(jié)果表明：對于該隧道Ⅳ級圍巖段，在推薦的施工開挖方法、支護參數(shù)以及施工步距控制條件下，采用機械化全斷面施工是可行的。

5 結(jié)論

1) 當該隧道Ⅳ級圍巖段采用全段面機械化施工時，掌子面施工對掌子面后方影響距離約為60 m，即二襯跟進步距不是影響圍巖穩(wěn)定的主控因素，同時仰拱開挖對圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形影響較小，因此二次襯砌與仰拱的施工控制步距可根據(jù)施工組織方案確定。

2) 綜合考慮隧道圍巖穩(wěn)定與現(xiàn)場施工組織優(yōu)化，對于該隧道Ⅳ級圍巖段采用機械化全斷面施工時，建議仰拱與掌子面的施工步距按70 m控制，二襯與掌子面距離按200 m控制。

3) 現(xiàn)場200 m試驗段施工結(jié)果表明，對于該隧道Ⅳ級圍巖段，在推薦的施工開挖方法、支護參數(shù)以及施工步距控制條件下，采用機械化全斷面施工是可行的。

4) 通過數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗段實測的方法，提出了該隧道Ⅳ級圍巖條件下隧道機械化全斷面施工步距控制的建議標準，但因隧道地質(zhì)情況差異大，不能包括所有實際隧道工程情況，對類似工程僅供參考。