超大扁平斷面巖質(zhì)隧道快速開挖技術(shù)研究

劉 光

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著國內(nèi)高速公路網(wǎng)快速完善，超大斷面公路隧道不斷涌現(xiàn)。超大斷面隧道的施工中，由于受到構(gòu)造應(yīng)力及施工開挖方式的因素的影響，隧道失穩(wěn)的可能性較大，普遍認(rèn)為硬質(zhì)巖的穩(wěn)定性要好于軟弱圍巖的，因此當(dāng)前大量的研究主要集中在軟弱圍巖方面[1,2]。但目前針對(duì)超大斷面隧道開挖支護(hù)很少有成熟的技術(shù)可借鑒，一般的施工方法均為鉆爆分部開挖臺(tái)階法，初支緊跟掌子面，在爆破方面存在光面爆破施工工藝落后，不能發(fā)揮光面爆破的優(yōu)勢；在支護(hù)方面主要采取緊跟掌子面施工，造成鉆孔外插角過大，形成超挖量過大，補(bǔ)噴、運(yùn)渣量增大，工序時(shí)間延長；另在機(jī)械設(shè)備、人員配置方面基本延續(xù)傳統(tǒng)小型機(jī)械設(shè)備配合人工作業(yè)，施工工效低，與大斷面隧道特點(diǎn)不匹配，造成施工進(jìn)度慢、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，針對(duì)此情況，通過在施工中不斷地對(duì)施工影響因素進(jìn)行研究，探索出了一套特大斷面隧道快速開挖支護(hù)施工技術(shù),實(shí)現(xiàn)了快速、安全、高效施工目標(biāo)。

1 依托工程

漿水泉特長隧道為京滬高速濟(jì)南連接線工程的控制工程，設(shè)計(jì)為雙向八車道，左線長3 101 m；隧道右線長3 085.4 m。隧址區(qū)出露地層為奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r，局部溝谷地段上覆上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，隧址區(qū)局部節(jié)理密集帶或構(gòu)造斷裂帶。漿水泉隧道整個(gè)洞身范圍內(nèi)Ⅲ級(jí)圍巖占48%，Ⅳ級(jí)圍巖占37.5%，Ⅴ級(jí)圍巖占14.5%。Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖，Ⅳ級(jí)Ⅴ級(jí)圍巖使用分部開挖。Ⅲ級(jí)圍巖段的襯砌斷面如圖1所示。

圖1 Ⅲ級(jí)圍巖襯砌及開挖方法圖

在設(shè)計(jì)中，開挖方法采用臺(tái)階法，要求“隨爆隨支”，也就是爆破一環(huán)支護(hù)一環(huán)，初期支護(hù)要緊跟掌子面，從現(xiàn)場的操作情況來看，支護(hù)完成后再進(jìn)行下一循環(huán)的鉆眼工序中，特別是周邊眼的精度將會(huì)受到初期支護(hù)的較大影響，如圖2所示。

圖2 周邊眼施工示意圖

從圖2中可以看出，由于初期支護(hù)有一定的厚度，而鉆孔作業(yè)也需要一定的操作空間，且鉆桿需要一定的外插角，這就會(huì)造成一個(gè)循環(huán)范圍內(nèi)，開挖線在縱向上就有一定的欠挖和超挖，為了減少欠挖，那么超挖量就較大。

2 巖質(zhì)隧道快速開挖技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

針對(duì)超大斷面巖質(zhì)隧道特點(diǎn)，充分利用新奧法原理，發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)性，調(diào)整支護(hù)時(shí)機(jī)，減小鉆機(jī)外插角，減少超挖量，減少噴射混凝土量，加快出渣、噴射混凝土速度，同時(shí)對(duì)光面爆破施工工藝進(jìn)行改進(jìn)，在快速放樣、打眼、裝藥及連續(xù)等方面采用輔助措施加快爆破工序施工速度，另通過合理配置機(jī)械設(shè)備型號(hào)、數(shù)量，人員數(shù)量、工種實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置，最終實(shí)現(xiàn)超大斷面隧道快速施工。

2.2 支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇

根據(jù)漿水泉隧道的實(shí)際情況，采用FLAC3D模擬漿水泉隧道Ⅲ級(jí)圍巖測試斷面，通過表1和如圖3所示的不同支護(hù)時(shí)機(jī)的工況計(jì)算，得出測試斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨時(shí)間和掌子面變化規(guī)律，以及二次襯砌安全系數(shù)的分布情況。計(jì)算的材料參數(shù)見表2。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況選擇

表2 數(shù)值模擬的材料參數(shù)表

圖3 F-1～F-3工況計(jì)算模型

通過對(duì)三種工況的計(jì)算，得到了如圖4所示的初期支護(hù)豎向及水平向的最大應(yīng)力值(均為受壓)，可見隨著支護(hù)時(shí)間越晚，初期支護(hù)的應(yīng)力是越來越小的，且整體上都未超過初期支護(hù)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)是安全的。

圖4 初期支護(hù)最大應(yīng)力規(guī)律圖

提取二次襯砌拱頂和邊墻部位的應(yīng)力情況，可以通過文獻(xiàn)[3]中的相關(guān)條文計(jì)算得到其安全系數(shù)的情況，如圖5所示。從圖5中也可以看出，初期支護(hù)的時(shí)間越晚，二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)是在逐漸增加的。

圖5 二次襯砌拱頂和邊墻的安全系數(shù)圖

從計(jì)算的結(jié)果可以看出，支護(hù)時(shí)間越晚，初期支護(hù)受到的力越小，二次襯砌的安全系數(shù)也越高，這是符合圍巖特征曲線法的相關(guān)規(guī)律的。然而在實(shí)際施工過程中，由于施工會(huì)對(duì)未支護(hù)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，為預(yù)防掉塊和保證施工的安全，因此在施工過程中推薦采用“兩掘一支”。

2.3 光面爆破施工工藝

操作要點(diǎn):

(1)快速放樣。鉆眼前，由2名專業(yè)測量人員采用模具放樣，模具采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)塑膠板制作，寬6 cm，厚5 cm，分三個(gè)單元制作，每單元預(yù)留搭接長度10 cm，具體如圖6所示。第一步：采用儀器放樣一側(cè)1、2、3、4號(hào)點(diǎn)位；第二步：利用制作好模具分段對(duì)準(zhǔn)1、2、3、4號(hào)點(diǎn)位，利用模具上的定位孔標(biāo)記其他點(diǎn)位；第三步：采用同樣的方法放出另一側(cè)全部點(diǎn)位。放樣時(shí)間為0.5 h。

圖6 模具拼裝放點(diǎn)圖

(2)鉆孔。按照設(shè)計(jì)炮眼位置采用三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆眼，鉆眼深度按照爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，平均單個(gè)眼鉆眼時(shí)間為90 s，三臂同時(shí)施工，鉆眼數(shù)量為201個(gè)，鉆眼時(shí)間約為2 h。

(3)裝藥爆破。裝藥人員按照區(qū)域分配，區(qū)域內(nèi)相互配合裝藥，周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合間隔裝藥，一般市場上普遍采用的直徑為32 mm、長300 mm成品藥卷，每卷0.3 kg,周邊眼裝藥前，將藥卷均勻切割成4段,再按照線性裝藥密度進(jìn)行均勻間隔裝藥，小藥卷之間采用導(dǎo)爆索連接即可，不采用竹片連接，可有效減少工作量，節(jié)約成本，最底端藥卷導(dǎo)爆索反插綁扎即可，周邊眼導(dǎo)爆索之間連接采用導(dǎo)爆索“T”型連接，其他爆破孔采用集中裝藥，導(dǎo)爆管起爆，爆破網(wǎng)絡(luò)連接按照設(shè)計(jì)段別要求連接即可，時(shí)間為1 h，爆破設(shè)計(jì)如圖7、圖8所示，周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)如圖9所示，導(dǎo)爆索之間連接如圖10所示，爆破參數(shù)見表3、表4。

圖7 上臺(tái)階炮眼布置圖

圖8 下臺(tái)階炮眼布置圖

圖9 周邊眼間隔裝藥示意圖

圖10 “T”形連接示意圖

表3 上臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4 下臺(tái)階光面爆破參數(shù)表炮孔

按照設(shè)計(jì)參數(shù)爆破后，能夠?qū)崿F(xiàn)在中硬巖開挖中以較小單耗藥量確保爆破殘眼率能達(dá)到95%以上，且表面光滑平整，無過剩爆能損傷圍巖產(chǎn)生裂縫情況，現(xiàn)場爆破效果如圖11所示。

圖11 拱部開挖后的炮眼圖

2.4 初期支護(hù)施作

2.4.1 立架及掛網(wǎng)施工

首次開挖兩循環(huán)支護(hù)一次，后開挖一循環(huán)支護(hù)一循環(huán)，每循環(huán)平均安裝3.5榀拱架，工字鋼集中在洞口附件鋼筋棚加工好后運(yùn)至掌子面，由4名施工人員拼裝完畢后采用1臺(tái)五新雙臂拱架安裝機(jī)械手整體安裝，隨后進(jìn)行掛網(wǎng)施工，作業(yè)施工為1.2 h。

2.4.2 系統(tǒng)錨桿打設(shè)

為了確保系統(tǒng)錨桿及縮腳錨桿打設(shè)角度，采用2人配合1臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行每循環(huán)27根系統(tǒng)錨桿和14根縮腳錨桿打設(shè)，每根3.5 m深系統(tǒng)錨桿打設(shè)時(shí)間為3.5 min，后4人配合1臺(tái)注漿機(jī)進(jìn)行注漿施工，整體作業(yè)時(shí)間為1.63 h。

2.4.3 濕噴混凝土施工

上臺(tái)階每循環(huán)平均噴射35 m3混凝土，混凝土集中在洞口攪拌站加工，通過2輛罐車運(yùn)輸?shù)秸谱用?，采?臺(tái)大型濕噴機(jī)械手(理論方量不低于30 m3)先墻后拱，自下而上，兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行噴射混凝土，機(jī)械手操作人員1名，配合人員1名，作業(yè)時(shí)間為3 h。

2.5 資源配置

2.5.1 勞動(dòng)力組織

該技術(shù)單洞施工作業(yè)所需作業(yè)人員配置見表5。

表5 勞動(dòng)力組織表

2.5.2 主要設(shè)備配置

該工法單洞施工中設(shè)備主要材料見表6。

表6 主要機(jī)械設(shè)備計(jì)劃表

3 施工效益分析

該技術(shù)在施工進(jìn)度和成本方面有較大優(yōu)勢。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，Ⅲ級(jí)圍巖進(jìn)度指標(biāo)由原來100 m/月提高到155 m/月，最終隧道提前8個(gè)月竣工，取得良好進(jìn)度效益及經(jīng)濟(jì)效益，具體從三個(gè)方面比較如下：一是鑿巖臺(tái)車與普通風(fēng)鉆開挖施工成本對(duì)比。三臂鑿巖臺(tái)車單臺(tái)價(jià)格為804萬，按設(shè)備折舊攤銷10年計(jì)算，月攤銷設(shè)備費(fèi)6.7萬元，以單月開挖130 m計(jì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)采用鑿巖臺(tái)車費(fèi)用為50萬元，普通風(fēng)鉆為46.6萬元，明顯鑿巖臺(tái)車費(fèi)用較?。欢谴笮蜐駠姍C(jī)械手噴射混凝土與普通噴射機(jī)施工成本對(duì)比。大型濕噴機(jī)械手購置成本較高，約為190.0萬元，按設(shè)備折舊攤銷十年計(jì)算，月攤銷設(shè)備費(fèi)1.6萬元，以單月開挖130.0 m計(jì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)大型濕噴機(jī)械手成本為105.8萬元，小型噴射機(jī)成本為132.3萬元,前者明顯費(fèi)用小；三是通過對(duì)本隧道采用的鑿巖臺(tái)車鉆爆結(jié)合濕噴機(jī)械手快速施工法和選用風(fēng)鉆結(jié)合小型濕噴機(jī)施工法進(jìn)行每循環(huán)耗時(shí)對(duì)比分析，按每循環(huán)進(jìn)尺3.5 m,1臺(tái)大型濕噴機(jī)械手和3臺(tái)小型濕噴機(jī)，1臺(tái)鑿巖臺(tái)車和21臺(tái)手風(fēng)鉆分別對(duì)比分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)采用大型鑿巖臺(tái)車結(jié)合大型濕噴機(jī)械手每循。

4 結(jié) 論

以漿水泉隧道為工程背景，通過研究， 提出了一套特大斷面隧道快速開挖支護(hù)施工技術(shù),該技術(shù)在充分利用新奧法原理基礎(chǔ)上，通過“兩掘一支”進(jìn)行開挖支護(hù)時(shí)機(jī)選擇，實(shí)現(xiàn)減小外插角，減少超挖量，加快噴射速度，在保證安全的情況下加快了施工速度，說明支護(hù)時(shí)機(jī)是可以滯后的。同時(shí)滯后的距離受圍巖自身穩(wěn)定性和擾動(dòng)影響較直接，在圍巖條件一定情況下，采用較好光面爆破工藝減少圍巖損傷范圍是非常有必要的；另在施工中通過合理配置機(jī)械設(shè)備型號(hào)、數(shù)量，人員數(shù)量、工種等資源也是對(duì)隧道施工速度影響的關(guān)鍵因素之一。