軟巖大跨度特長(zhǎng)隧道快速施工中的機(jī)械化配套技術(shù)研究

王學(xué)軍（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，太原030000）

1 引言

軟巖大跨度特長(zhǎng)隧道快速施工中的機(jī)械化配套技術(shù)是一項(xiàng)重要的研究課題。技術(shù)裝備能力是企業(yè)展示自己的重要手段，同時(shí)，也是企業(yè)對(duì)外形象的體現(xiàn)。在特長(zhǎng)隧道施工中，應(yīng)結(jié)合隧道地質(zhì)條件，合理配置機(jī)械設(shè)備，以滿足施工需要；使施工機(jī)械與施工條件、施工工藝相配套；根據(jù)地質(zhì)及工期要求，進(jìn)行比選，確定切合實(shí)際的機(jī)械化配套技術(shù)方案。同時(shí)，應(yīng)充分考慮各工序間施工機(jī)械的配合及人的協(xié)調(diào)工作能力及企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略要求。

2 工程概況

大理大南高速深長(zhǎng)村隧道位于大理州下關(guān)鎮(zhèn)與巍山縣交界位置，穿大理市下關(guān)鎮(zhèn)與巍山縣交界的者摩山，有國(guó)道和施工便道通往隧址區(qū)進(jìn)出口附近，交通條件一般。隧道設(shè)計(jì)為分離式雙向6車道，隧道全長(zhǎng)右幅5 440 m（左幅5 460 m），最大埋深582.34 m，隧道凈空（寬×高）為1 400 cm×400 cm。隧道左幅Ⅴ級(jí)圍巖1 770 m，占比32.4%；Ⅳ級(jí)圍巖3 690 m，占比67.6%；隧道右幅Ⅴ級(jí)圍巖1 745 m，占比32.2%；Ⅳ級(jí)圍巖3 680 m，占比67.8%。本隧道為3車道大跨度隧道，拱頂矢跨比僅為0.21，自身受力結(jié)構(gòu)差。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)較多，存在穿越斷層破碎帶、軟巖大變形、高地應(yīng)力、滑坡、基底承載力不足、涌水等問(wèn)題。巖體破碎，主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，沉降變形量大，施工組織難度大，資源要素投入大。施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)特長(zhǎng)隧道的特點(diǎn)合理地進(jìn)行機(jī)械設(shè)備配置，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工的組織安排，最大限度地利用和發(fā)揮機(jī)械設(shè)備工作效率高的特點(diǎn)，隧道快速施工貫通，以確保總工期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)[1]。

3 軟巖大跨度特長(zhǎng)隧道快速施工中的機(jī)械化配套技術(shù)及施工組織管理

機(jī)械化配套技術(shù)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，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工程施工中的突發(fā)安全事故起到預(yù)防作用，減少了隧道施工中不確定危險(xiǎn)源對(duì)人身造成的傷害，有利于隧道施工中的安全防范與安全管理，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量管理從管理人員操作到直接管理機(jī)械設(shè)備操作的過(guò)渡[2]。機(jī)械化施工還減少了洞內(nèi)施工人員的數(shù)量，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效保護(hù)從業(yè)人員的職業(yè)健康。

3.1 超前水平鉆探測(cè)指導(dǎo)施工

為了進(jìn)一步探明隧道開挖工作面前方的不良地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的順利進(jìn)行，并且根據(jù)相關(guān)要求，采用意大利卡薩C6-2全液壓鉆機(jī)在掌子面進(jìn)行鉆孔。卡薩C6-2全液壓鉆機(jī)配備有超前地質(zhì)探測(cè)分析系統(tǒng)，其鉆孔最大深度為150 m。利用超前水平鉆可以有效降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率和危害程度，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供地質(zhì)資料。

3.2 技術(shù)要求

1）在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須采用超前地質(zhì)鉆探法；

2）超前取芯鉆較為耗時(shí)，預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)以超前沖擊鉆為主，二者應(yīng)合理搭配使用。取芯鉆一般需在精確判定圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及分布的情況下進(jìn)行，如含煤巖層取芯、溶洞及斷層破碎帶物質(zhì)成分的鑒定、巖土強(qiáng)度試驗(yàn)取芯等。

3.3 鉆孔布置

除以下一般技術(shù)原則外，鉆孔布置還需結(jié)合項(xiàng)目部要求、勘察資料及物探預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行最終確定。（1）孔數(shù)。為較全面地揭示掌子面前方圍巖情況，每循環(huán)一般布置3~5個(gè)孔，呈正立三角或沿隧道輪廓線呈弧形排列。（2）對(duì)于用其他方法預(yù)測(cè)出的含不良地質(zhì)體的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)布置鉆孔。（3）斷層、節(jié)理密集帶或其他破碎富水地層等位置、規(guī)模等明確時(shí)，每循環(huán)可只鉆1孔；相反則應(yīng)加密鉆孔，以確定以上不良體發(fā)育情況。（4）富水巖溶發(fā)育區(qū)每循環(huán)可適當(dāng)增加孔數(shù)，以揭示巖溶發(fā)育程度，以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則。

3.4 孔深

鉆孔深度的控制，應(yīng)遵循以下原則：（1）進(jìn)行連續(xù)鉆探時(shí)，一般每循環(huán)可鉆30~50 m；遇重大危巖段可實(shí)施中、長(zhǎng)距離鉆探（50~150 m）；連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)鉆進(jìn)里程應(yīng)重疊5~10 m；（2）不同地段不同目的的鉆孔應(yīng)采用不同的鉆孔深度，如以排水為主可適當(dāng)縮減鉆深；（3）鉆探過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和管理，根據(jù)鉆孔情況可適時(shí)調(diào)整鉆孔深度，以達(dá)到預(yù)報(bào)目的為原則[3]。

3.5 孔徑

鉆孔直徑的控制，應(yīng)遵循以下原則：（1）鉆孔直徑應(yīng)綜合考慮效率及預(yù)報(bào)精度選??；一般采用φ65 mm鉆頭；若采用空壓機(jī)進(jìn)行排渣，則應(yīng)考慮更換為φ90 mm鉆頭；（2）遇富水地層，應(yīng)適當(dāng)加大孔徑；（3）若進(jìn)行超前取芯鉆，則需滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測(cè)試的孔徑要求，且應(yīng)符合相關(guān)勘察規(guī)范的規(guī)定。

3.6 角度

鉆探角度的控制，應(yīng)遵循以下原則：（1）無(wú)特殊要求則鉆孔方向?yàn)樗较蚯扒易笥覠o(wú)偏轉(zhuǎn)；（2）對(duì)于深長(zhǎng)鉆孔（＞50 m），考慮鉆桿自重及動(dòng)力衰減，應(yīng)適當(dāng)向上調(diào)整角度；（3）富水地區(qū)超前鉆探應(yīng)終孔于隧道開挖輪廓線以外5~10 m；偏轉(zhuǎn)角度為15°~45°。

3.7 排渣

排渣過(guò)程中，應(yīng)注意以下要點(diǎn)：（1）無(wú)特殊情況時(shí)，應(yīng)采用循環(huán)水排渣，以保證鉆孔效率及預(yù)報(bào)精度并減小鉆具損耗；（2）若巖層為遇水軟化巖層如膨脹土層、泥質(zhì)巖層等，則應(yīng)調(diào)低循環(huán)水壓或改為用空壓機(jī)排渣，實(shí)施干鉆；（3）若巖層中含易燃易爆氣體，如瓦斯、天然氣等，則應(yīng)采用水循環(huán)排渣，嚴(yán)禁干鉆。

根據(jù)超前水平鉆芯取樣情況綜合分析，根據(jù)圍巖的巖性鉆探數(shù)據(jù)（鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度）進(jìn)行分析，結(jié)合深長(zhǎng)村隧道勘察設(shè)計(jì)資料、鉆孔排渣、排水情況及掌子面地質(zhì)觀測(cè)的信息，綜合分析，推測(cè)前方的地質(zhì)情況及富水情況，預(yù)測(cè)前方圍巖級(jí)別是否與設(shè)計(jì)相符，指導(dǎo)后續(xù)施工。

3.8 監(jiān)控量測(cè)

深長(zhǎng)村隧道圍巖以粉砂質(zhì)泥巖為主，裂隙較發(fā)育，沉降量大，根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量很容易導(dǎo)致初支侵限，根據(jù)深長(zhǎng)村隧道的沉降變形情況，分析數(shù)據(jù)，合理預(yù)留變形量，最大段落預(yù)留量達(dá)到150 mm，沉降量達(dá)到約130 mm。

拱頂下沉點(diǎn)與周邊收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)在同一斷面內(nèi)，分別在拱頂及兩側(cè)拱腰附近布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)拱頂下沉速率-時(shí)間曲線圖及下沉位移-時(shí)間曲線圖，綜合分析，對(duì)后續(xù)施工預(yù)留變形量的具體數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)初支參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且確定襯砌施工時(shí)間，根據(jù)不同的情況做出相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)于大變形段落，仰拱、襯砌及時(shí)跟進(jìn)，早日閉合成環(huán)。確保安全快速的通過(guò)該段落。

3.9 濕噴機(jī)械手

隧道噴射混凝土采用濕噴機(jī)，通過(guò)操作有線“遙控器”來(lái)控制噴射頭噴混作業(yè)，噴射頭可進(jìn)行240°擺動(dòng)和360°回轉(zhuǎn)，其最大噴射高度16.8 m，寬度30 m，最遠(yuǎn)噴射距離15 m，噴料速度為4～30 m3/h。該設(shè)備具有先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后能快速調(diào)整機(jī)位，無(wú)須接送風(fēng)水管，混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后即可直接進(jìn)行噴射作業(yè)，且實(shí)際的噴料速度比2臺(tái)（9 m3/h）的濕噴機(jī)快2倍。

3.10 改裝自行式液壓二襯臺(tái)車

二襯采用襯砌邊墻溜槽逐窗入模澆筑，從上至下分別通過(guò)主料斗—分流槽—三通分流槽—分流串筒—入窗分流槽，抽插閥門，控制混凝土流向各級(jí)工作窗口，最終實(shí)現(xiàn)混凝土逐窗入模，有效解決隧道襯砌邊墻混凝土不密實(shí)、強(qiáng)度不足、外觀缺陷、冷縫等質(zhì)量問(wèn)題。

二襯臺(tái)車沿隧道中線方向設(shè)置一定數(shù)量的注漿孔，并安裝固定法蘭，在混凝土澆筑前預(yù)埋注漿管（RPC），待混凝土澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行注漿。

隧道二襯臺(tái)車長(zhǎng)12 m，臺(tái)車加工時(shí)在拱頂位置設(shè)計(jì)4個(gè)注漿孔，主注漿孔距離側(cè)端模為50~100 cm。端模排氣孔（也作為注漿孔）距端模邊緣100~150 cm。中間排氣孔（注漿孔）安置在混凝土灌注口之間平均分布。在初始設(shè)計(jì)注漿孔位置時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)位置與臺(tái)車鋼梁位置有沖突時(shí)，可將注漿孔位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

隧道二襯防頂裂裝置通過(guò)運(yùn)用三組微動(dòng)開關(guān)、3套聲光報(bào)警器以及1臺(tái)小型變壓器（輸出電壓為36 V安全電壓）組成。在拱頂和邊墻兩側(cè)分別安裝微動(dòng)開關(guān)（連接聲光報(bào)警器），當(dāng)臺(tái)車模板接觸混凝土面后微動(dòng)開關(guān)與混凝土面接觸即證明臺(tái)車模板已充分支撐到位，微動(dòng)開關(guān)接通報(bào)警裝置即會(huì)自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)該設(shè)備可有效避免因臺(tái)車頂升過(guò)量造成混凝土遭受破壞，發(fā)生質(zhì)量缺陷[4]。

3.11 巷道式通風(fēng)保證措施

合理的通風(fēng)方案要求通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，風(fēng)機(jī)和風(fēng)管要相匹配。如果片面追求大風(fēng)量風(fēng)機(jī)，而風(fēng)管直徑?。换蛘唢L(fēng)管直徑大，風(fēng)機(jī)風(fēng)量小，都難以保證良好的通風(fēng)效果。

3.11.1 風(fēng)機(jī)

根據(jù)計(jì)算風(fēng)機(jī)應(yīng)提供的風(fēng)量和風(fēng)壓及現(xiàn)有設(shè)備選型。自進(jìn)出口各自2個(gè)橫通道貫通后，開始使用巷道式通風(fēng)。以進(jìn)口為例，進(jìn)行設(shè)備配置，采用發(fā)電機(jī)功率為2×110 kW的軸流風(fēng)機(jī)2臺(tái)（左洞內(nèi)1臺(tái)，橫通道內(nèi)1臺(tái)），其額定風(fēng)量為2 500 m3/min，全壓4 200Pa。而計(jì)算所需風(fēng)量為2 252 m3/min，因此，滿足巷道式通風(fēng)需求。

3.11.2 風(fēng)筒

一般情況下，風(fēng)筒過(guò)風(fēng)面積取開挖面積的1/25～1/20。A過(guò)風(fēng)=（1/25～1/20）×A開挖=150.74×（1/25～1/20）=6.03～7.54 m2式中，A過(guò)風(fēng)為過(guò)風(fēng)面積；A開挖為開挖面積。

若風(fēng)筒直徑采用φ1 500 mm，則過(guò)風(fēng)面積A′過(guò)風(fēng)為：

因此，采用直徑φ1 500 mm風(fēng)筒滿足要求。

3.11.3 通風(fēng)方式選擇與確定

第一階段采用壓入式通風(fēng)，就是采用大功率通風(fēng)機(jī)將新鮮空氣壓送到掌子面，然后將廢氣從里往外擠出。這種通風(fēng)方式適用于下坡短隧道，所以，進(jìn)出口在第二個(gè)橫通道未貫通前都采用壓入式通風(fēng)。

第二階段采用巷道式通風(fēng)。

3.11.4 施工通風(fēng)管理

通風(fēng)是隧道施工中至關(guān)重要的一道工序，直接關(guān)系到隧道的快速施工。因此，應(yīng)制訂科學(xué)合理的通風(fēng)方案和切實(shí)可行的保障措施。

1）施工通風(fēng)要點(diǎn)

安裝風(fēng)機(jī)：洞口風(fēng)機(jī)距洞口30 m以外安裝，支架穩(wěn)固避免運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)搖晃，風(fēng)機(jī)上方設(shè)防雨遮板。風(fēng)機(jī)出口設(shè)置剛性風(fēng)管連接，風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒接口處法蘭間加密封墊。

安裝風(fēng)管：風(fēng)管使用前進(jìn)行外觀檢查，保證無(wú)損壞，黏結(jié)縫牢固平順，接頭完好嚴(yán)密；掛設(shè)風(fēng)管要平、順、直，沿拱頂中線位置，每隔5 m打眼安裝高強(qiáng)膨脹螺栓，布φ6 mm鋼筋拉線，用緊線器拉緊，并設(shè)φ10 mm尼龍繩掛圈；使用PVC高強(qiáng)雙拉鏈風(fēng)管，必須使其內(nèi)反邊保持同風(fēng)向一致。風(fēng)管懸吊要穩(wěn)固，懸掛高度一致。風(fēng)管拉緊后除去多余部分，增設(shè)鋼圈接頭，捆綁牢固。風(fēng)管末端安裝長(zhǎng)60 m舊風(fēng)管，風(fēng)管出口距工作面30～50 m。

2）通風(fēng)系統(tǒng)的維護(hù)

通風(fēng)機(jī)設(shè)專人維護(hù)，按規(guī)程要求操作風(fēng)機(jī)，如實(shí)填寫各種記錄。風(fēng)機(jī)盡量減少停機(jī)次數(shù)，發(fā)揮風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能。定期對(duì)全部風(fēng)管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)破損等情況及時(shí)處理。風(fēng)管內(nèi)積水，每月排水一次。

3.12 噴淋養(yǎng)護(hù)車

隧道噴淋養(yǎng)護(hù)車，能夠快速高效地實(shí)現(xiàn)隧道混凝土養(yǎng)護(hù)。其特點(diǎn)有：

1）全面養(yǎng)護(hù)，灑水全覆蓋、無(wú)死角；

2）專人駕駛，專人養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目研究對(duì)施工大跨度大變形特長(zhǎng)隧道過(guò)程中存在的一些常見的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，并提出相應(yīng)的控制措施，以提高隧道施工中混凝土的質(zhì)量，為隧道安全、優(yōu)質(zhì)、高效、按期建成提供理論支持及技術(shù)保證，完善和發(fā)展我國(guó)大斷面隧道施工理論及施工技術(shù)，形成較為系統(tǒng)的大斷面長(zhǎng)大公路隧道施工綜合技術(shù)，促進(jìn)公路隧道的安全、穩(wěn)定的建設(shè)和發(fā)展。