基于全斷面機(jī)械化施工的雙線高鐵隧道施工技術(shù)研究

李趙九 （中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

近年來，技術(shù)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，隧道建設(shè)對質(zhì)量的要求愈發(fā)提高。隨著對于隧道工程建設(shè)的進(jìn)一步深入研究及相應(yīng)施工工藝的提高，一定程度上改善了工程作業(yè)條件及環(huán)境，施工進(jìn)度得到了進(jìn)一步加快，使得隧道施工技術(shù)得到了不斷的發(fā)展?；谌娔X三臂鑿巖臺車的超大斷面隧道機(jī)械化配套施工方法，在日后隧道建設(shè)中的作用將越發(fā)重要。全斷面機(jī)械化配套施工技術(shù)以“機(jī)械化配套施工”為技術(shù)核心，采用鑿巖臺車，濕噴臺車、液壓式仰拱棧橋、防水板及鋼筋安裝定位臺架、液壓式襯砌臺車、溝槽滑膜臺車、襯砌養(yǎng)護(hù)臺車等六條機(jī)械化的作業(yè)線，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測結(jié)果的綜合分析，對其開挖工法與支護(hù)參數(shù)可以進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整；機(jī)械化施工不僅能夠提升工程質(zhì)量、滿足工程要求，而且能夠節(jié)省勞動力、節(jié)約施工成本，與以往的施工技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢。

日前，對于超大斷面隧道全斷面施工的研究，相關(guān)學(xué)者已取得一些成果。劉建國以蘇家?guī)r隧道為工程背景，通過現(xiàn)場實(shí)踐，總結(jié)出軟弱圍巖條件下全斷面機(jī)械化施工方案，并對其進(jìn)行一定的優(yōu)化，提出全斷面開挖進(jìn)尺可采用4.2m，能夠保證施工安全。黃維科等以龍昌隧道采用大斷面法施工為例，總結(jié)提出“9+N”大斷面機(jī)械化施工技術(shù)，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程，具有一定的推廣價(jià)值。鄭靜等以樂天山隧道IV級圍巖為依托工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試分析，對大斷面隧道全斷面開挖技術(shù)進(jìn)行研究，得出安全快速的施工方法。

本文依托黃黃鐵路3標(biāo)劉元隧道工程，依據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)出基于全斷面機(jī)械化施工的雙線高鐵隧道快速施工技術(shù)，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證該施工技術(shù)的可行性。

1 工程概況

黃（岡）黃（梅）鐵路HHZQ-3標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部二分部，位移湖北省武穴市境內(nèi)。隧道共6座，總長度3233.42m，其中劉元隧道為雙線高鐵隧道，如圖1所示，全長763.46m，進(jìn)出口分界里程分別為 DK89+505、DK90+268.46。隧道埋深最大為89m，開挖跨度14.7m，斷面面積約145m。隧道開挖采用基于三臂鑿巖臺車的機(jī)械化配套施工，主要采用全斷面施工，圍巖級別為III、IV、V級，各級圍巖占比情況如表1所示。

圖1 劉元隧道現(xiàn)場圖

劉元隧道各級圍巖占比情況 表1

其中，在IV級圍巖段落內(nèi)，隧道開挖采用全斷面法機(jī)械化施工，開挖斷面示意圖如圖2所示，相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)見表2。

圖2 隧道全斷面開挖斷面示意圖（單位：m）

隧道支護(hù)參數(shù)表（單位：m） 表2

2 雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工技術(shù)

劉元隧道施工采用全斷面機(jī)械化施工，配置鑿巖臺車，濕噴臺車、液壓式仰拱棧橋、防水板及鋼筋安裝定位臺架、液壓式襯砌臺車、溝槽滑膜臺車、襯砌養(yǎng)護(hù)臺車等六條機(jī)械化的作業(yè)線。針對本工程機(jī)械化施工的特點(diǎn)，總結(jié)出基于全斷面機(jī)械化施工的雙線高鐵隧道全套施工技術(shù)。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為保證超大斷面隧道機(jī)械化施工的安全性，當(dāng)隧道開挖采用全斷面光面爆破施工時(shí)，應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作列入隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)。本工程施工里程段落超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP檢測采用TSP 303Plus超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 TSP 303Plus超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

結(jié)合本隧道工程現(xiàn)場實(shí)際情況，制定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作計(jì)劃表，見表3。

劉元隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作量表（單位：m） 表3

2.2 光面爆破施工

本工程在IV級圍巖段落，采用全斷面機(jī)械化光面爆破施工，為控制隧道超欠挖情況，采用激光斷面儀，在施工過程中隨時(shí)調(diào)整鉆爆方案。全斷面施工利用三臂鑿巖臺車鉆孔，周邊眼采用光面爆破，現(xiàn)場施作情況如圖4所示。

圖4 三臂鑿巖臺車全斷面現(xiàn)場施作圖

2.2.1 全斷面機(jī)械化開挖爆破設(shè)計(jì)

本工程光面爆破選用2號巖石乳化爆破炸藥，采用微差方式進(jìn)行爆破，周邊眼均采用導(dǎo)爆索起爆，以達(dá)到減小起爆時(shí)差的效果。炮眼布置圖如圖5所示，爆破參數(shù)見表4。

圖5 全斷面機(jī)械化施工炮眼布置圖

全斷面機(jī)械化施工爆破參數(shù)表 表4

隧道允許超挖值（單位：cm） 表5

2.2.2 爆破作業(yè)施工工藝

施工工藝流程按圖6所示進(jìn)行施工。

圖6 爆破工藝流程圖

2.3 初期支護(hù)施工

2.3.1 超前管棚施工

洞內(nèi)管棚采用φ89×5mm鋼管，一循環(huán)長10m，搭接3m，環(huán)向間距40cm，共45根。管棚布置圖如圖9所示。管棚采用三臂鑿巖臺車進(jìn)行鉆孔，孔深及孔徑應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。管棚現(xiàn)場施作如圖10所示。

圖7 全斷面光面爆破圖

圖8 全斷面光面爆破效果圖

圖9 管棚布置示意圖

圖10 管棚現(xiàn)場施作圖

2.3.2 錨桿施工

隧道初期支護(hù)拱部及邊墻采用φ25低預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿采用三臂鑿巖臺車進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑50mm，桿體推送工作采用三臂鑿巖臺車結(jié)合人工配合的方式完成，應(yīng)在鉆孔后立即開始。鑿巖臺車配備工作人員3～4名，其中2名施工人員安裝錨桿，1名檢查鉆孔位置及方向，并通過風(fēng)炮施加鎖緊力。錨桿現(xiàn)場施作如圖11所示。

圖11 三臂鑿巖臺車錨桿鉆孔施工

2.3.3 鋼架安裝

初支鋼架型號采用I18，縱向間距1.0m，在開挖初噴4cm后架設(shè)、拼裝。鋼架安裝完成后在拱腳處打好鎖腳錨管，每側(cè)拱腳鎖腳錨管為2φ50L=5m。鋼架現(xiàn)場安裝如圖12所示。

圖12 鋼架現(xiàn)場安裝圖

2.4 防水板施工

防水卷材施工和鋼筋作業(yè)是隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)隧道施工中多使用人工配合簡易臺架進(jìn)行安裝，機(jī)械化程度較低。本工程現(xiàn)場施工采用鐵路隧道大斷面鋼筋掛布防水板一體臺車，相較于一般的簡易焊接臺架更加安全、方便、快捷，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

圖13 鋼筋掛布防水板一體臺車

2.5 二次襯砌施工

2.5.1 拱墻二襯作業(yè)

隧道拱墻二次襯砌采用45cm厚的C35鋼筋混凝土，主筋為φ22鋼筋，間距20cm，鋼架凈保護(hù)層5cm。采用自動布料襯砌臺車澆筑襯砌，自動布料分層逐倉澆筑系統(tǒng)主要由布料小車、管路系統(tǒng)、伸縮旋轉(zhuǎn)裝置、對位裝置等組成。二次襯砌現(xiàn)場澆筑如圖14所示。

圖14 二次襯砌現(xiàn)場澆筑圖

2.5.2 仰拱及填充施工

隧道仰拱施工采用自行式液壓仰拱棧橋，如圖15所示。仰拱施工要求：仰拱開挖嚴(yán)格控制超欠挖，且線性平順。仰拱采用C35鋼筋混凝土厚65cm，主筋采用φ22鋼筋間距20cm，鋼筋凈保護(hù)層50mm，采用C20混凝土進(jìn)行仰拱填充施工。

圖15 自行式液壓仰拱棧橋

3 全斷面機(jī)械化施工現(xiàn)場監(jiān)測

隧道施工監(jiān)控量測時(shí)，拱頂沉降及水平收斂指標(biāo)便于現(xiàn)場量測，同時(shí)也是隧道安全與否的直觀反映。因此，本文通過對雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工DK90+140里程段拱頂沉降、水平收斂、初支及圍巖間壓力等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析隧道圍巖的變形特征，進(jìn)而評價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

劉元隧道現(xiàn)場采用全斷面機(jī)械化施工，DK90+140里程段為IV級圍巖，埋深20m，確定現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容見表6，位移管理等級見表7。

現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目表 表6

位移管理等級（單位：mm） 表7

3.2 拱頂沉降監(jiān)測

DK90+140里程段拱頂沉降測試結(jié)果見圖16。

圖16 拱頂沉降時(shí)程曲線

由圖16可知，自隧道監(jiān)測工作開始之日起，受隧道的開挖條件影響，拱頂沉降值在0～45d內(nèi)持續(xù)增長，并且伴隨著小幅的波動，最大沉降值為8.35mm，前45d累計(jì)沉降量占總沉降量的90.70%，第45d后沉降值開始增長緩慢，并趨于穩(wěn)定，最終沉降值達(dá)到了8.60mm，小于IV級圍巖位移控制基準(zhǔn)。拱頂沉降速率在前45d內(nèi)波動比較大，45d后的沉降速率均小于0.15mm/d，拱頂沉降值達(dá)到穩(wěn)定。

3.3 水平收斂監(jiān)測

DK90+140里程段水平收斂測試結(jié)果見圖17。

圖17 水平收斂時(shí)程曲線

由圖17可知，自隧道監(jiān)測工作開始之日起，受隧道的開挖影響，水平收斂值在0～50d內(nèi)迅速地增長，之后伴隨小幅波動，最大收斂值為4.00mm，前50d累計(jì)收斂量占總量的83.33%，第50d后收斂值增長緩慢，并趨于穩(wěn)定，最終水平收斂值為4.80mm，小于IV級圍巖位移控制基準(zhǔn)。水平收斂速率在0～45d內(nèi)波動較大，變形的速率均大于0.2mm/d，45d后收斂速率基本穩(wěn)定，且均小于0.2mm/d，水平收斂值達(dá)到穩(wěn)定。

3.4 初支與圍巖間壓力監(jiān)測

DK90+140里程段初期支護(hù)與圍巖間壓力采用壓力盒量測，監(jiān)測結(jié)果見圖18。

圖18 初支與圍巖間壓力時(shí)程曲線

由圖18可知，各測點(diǎn)初支與圍巖間的壓力盒均為受壓狀態(tài)，各測點(diǎn)處圍巖壓力值在0～27d內(nèi)增長較快，隨著初支逐漸發(fā)揮作用，27d后各測點(diǎn)圍巖壓力的變化趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后拱頂處受到的圍巖壓力最大，值為0.344MPa，左拱腰處次之，值為0.132MPa，其余測點(diǎn)圍巖壓力相差不大，分別為左邊墻0.029 MPa，右邊墻 0.017 MPa，右拱腰 0.013 MPa。

4 結(jié)語

本文從雙線高鐵隧道全斷面機(jī)械化施工技術(shù)、現(xiàn)場監(jiān)測兩方面總結(jié)了黃黃鐵路劉元隧道全斷面機(jī)械化建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，該工程的建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)了全斷面、全工序機(jī)械化配套施工，相比傳統(tǒng)工程施工已具備一定的建設(shè)優(yōu)勢。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了機(jī)械化施工條件下隧道圍巖的穩(wěn)定性，確保了工程施工安全，對今后隧道全斷面機(jī)械化的建設(shè)提供借鑒。