重慶巫溪至開州高速公路隧道機(jī)械化配套施工工藝

王樹輝

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴陽 5500088）

1 工程概況

新建巫溪至開州高速公路WYKTJC2項(xiàng)目，起訖里程為K99+780~K118+369.408，路線全長約18.602 km，其中，橫梁子隧道為小凈距短隧道，樁號及長度為左幅ZK103+626~ZK104+032、長406 m，最大埋深118 m；右幅K103+618~K104+026、長408 m，最大埋深121 m。隧道施工配置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、鑿巖臺車、混凝土機(jī)械噴射手和濕噴機(jī)、襯砌臺車等設(shè)備，形成超前預(yù)報(bào)、開挖出碴和支護(hù)襯砌全套設(shè)備機(jī)械化作業(yè)線。

2 機(jī)械配套原則

1）以隧道施工需求為導(dǎo)向，合理配置施工機(jī)械。隧道工程建設(shè)規(guī)模大，在全斷面施工中常采用大型機(jī)械設(shè)備；部分隧道采取分部開挖的作業(yè)方法，各作業(yè)區(qū)的空間有限，宜優(yōu)先考慮小規(guī)格的機(jī)械設(shè)備，以便適應(yīng)狹窄的場地。因此，需根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境合理適配機(jī)械設(shè)備，確保機(jī)械設(shè)備可穩(wěn)定運(yùn)行。

2）隧道工程的機(jī)械設(shè)備類型豐富，在保證單臺設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還需兼顧各類機(jī)械設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行情況，根據(jù)施工流程建立機(jī)械設(shè)備在工序上的聯(lián)系，共同為隧道工程施工助力。

3）隧道工程機(jī)械設(shè)備的配套還需考慮到經(jīng)濟(jì)效益的要求，充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的性能優(yōu)勢，高效推進(jìn)工程施工進(jìn)程[1-2]。加強(qiáng)施工期間的機(jī)械設(shè)備調(diào)度管理，縮短機(jī)械設(shè)備的閑置時間，以此提高工程資源的利用水平。

3 機(jī)械化配套快速施工技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本工程應(yīng)用卡薩C6型鉆機(jī)，可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件靈活更換動力頭，機(jī)械設(shè)備的可操縱性和靈活性突出。鉆機(jī)的自適應(yīng)能力強(qiáng)，根據(jù)鉆孔出水情況動態(tài)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)壓力和速度，建立適應(yīng)于最新施工環(huán)境的參數(shù)組合方案。此外，還可預(yù)測前方約50 m的地質(zhì)條件，供作業(yè)人員分析，更有效地規(guī)劃后續(xù)的工作。

3.2 開挖作業(yè)

本項(xiàng)目Ⅳ級圍巖施工采用上下臺階法開挖，如圖1、圖2所示。開挖前采用超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，先開挖上斷面，及時進(jìn)行上斷面初期支護(hù)，然后左右錯開開挖下斷面，施作下斷面初期支護(hù)。各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯開，平行推進(jìn)。具體步驟如下：（1）上半斷面拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)；（2）上半斷面開挖；（3）上半斷面拱部初期支護(hù)（立鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴射混凝土）；（4）下半斷面左側(cè)開挖；（5）下半斷面左側(cè)初期支護(hù)（立鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴射混凝土）；（6）半斷面右側(cè)開挖；（7）下半斷面右側(cè)初期支護(hù)（立鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴射混凝土）；（8）全斷面模筑二次襯砌混凝土。

開挖技術(shù)措施：（1）隧道開挖法采用機(jī)械開挖，各分步平行作業(yè)，平行施作初期支護(hù)，各分部初期支護(hù)緊密銜接，及時封閉成環(huán)。（2）隧道開挖后應(yīng)及時施作初期支護(hù)，以控制圍巖變形，按設(shè)計(jì)預(yù)留變形量施工，且根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。（3）仰拱緊跟下斷面施作，及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系。尤其是仰拱步長不宜留得過長，要以仰拱緊跟為原則，及時施作仰拱。（4）仰拱距離掌子面距離不得大于50 m，二次襯砌距離掌子面不得大于90 m。（5）拱部超前支護(hù)完成后開挖上斷面，斷面長度控制在15~20 m，以確保開挖、支護(hù)質(zhì)量及施工安全。當(dāng)上斷面初期支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到70%后，才可開挖隧道下斷面，開挖后及時施作初期支護(hù)。（6）開挖循環(huán)進(jìn)尺按2~2.5 m控制，在施工過程中可根據(jù)圍巖變化情況適當(dāng)調(diào)整。下斷面左、右側(cè)開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，每次上臺階長度不得大于15 m，下臺階落底長度不大于2榀鋼拱的長度，應(yīng)一次落底，并盡快封閉成環(huán)。（7）仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，鎖腳錨桿應(yīng)取30°方向，且每循環(huán)進(jìn)尺不得大于3 m。

3.3 初支作業(yè)

3.3.1 鋼架制作

施工技術(shù)交底后，熟悉設(shè)計(jì)參數(shù)，分段制作，對制件進(jìn)行試彎、試拼裝。工字鋼制作時，用冷彎機(jī)制彎，以鋼板夾面焊接的方法連接各段工字鋼；取1∶1胎模用于制作鋼筋格柵鋼架，針對各鋼筋節(jié)點(diǎn)做焊接處理；用鋼板鉆孔機(jī)在鋼板上打孔，不得采用氣割沖孔（常用鋼板鉆孔機(jī)）。單段之間，鋼架連接采用手持電動扳手。鋼架制作安裝應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

縱向鋼架之間連接用鋼筋連接，拱腳放在預(yù)制塊或牢固的基礎(chǔ)上，拱腳標(biāo)高不足時，不得采用塊石、碎石砌墊，應(yīng)用鋼板或強(qiáng)度等級不低于C20的混凝土預(yù)制塊支墊。鋼架應(yīng)緊貼巖面，與巖面之間的間隙不得用片石回填，宜采取噴射混凝土的處理方法。定期檢查鋼架，判斷是否有局部彎曲、破裂等異常狀況，若有，及時采取加固、換新等處理措施。拆除作業(yè)按照“先頂后拆”的流程有序進(jìn)行，防止圍巖松散坍塌。

3.3.2 鋼筋網(wǎng)

受噴面缺乏平整性時，鋼筋網(wǎng)片起伏鋪設(shè)，與受噴面的間隙控制在20~30 mm。為確?；炷翝仓r鋼筋網(wǎng)片始終保持穩(wěn)定，將其與錨桿連接。鋼筋搭接長度不小于30d（d為鋼筋直徑）。

3.3.3 錨桿（管）支護(hù)

（1）原材料：對錨桿鋼材、藥卷、水泥漿進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)識清楚、分類堆放，防水防潮防銹蝕。（2）錨桿制作安裝：在硬質(zhì)巖石地質(zhì)條件中鉆孔時，設(shè)備采用錨桿機(jī)，拱腰和側(cè)墻兩處的鉆孔設(shè)備選用氣腿式鑿巖機(jī)。錨桿孔長度不得短于設(shè)計(jì)長度的95%，錨桿應(yīng)盡量垂直于開挖輪廓線，為各錨桿適配墊板，錨桿設(shè)置到位后安排初噴混凝土施工。現(xiàn)場有Ⅴ級、Ⅳ級圍巖時，布設(shè)在該處的錨桿的尾端應(yīng)有足夠的預(yù)留長度，以便經(jīng)過復(fù)噴混凝土后錨桿墊板可安裝到位。（3）中空注漿錨桿：在錨桿上開設(shè)排氣孔，配套錨頭、墊板、螺母等配件；砂漿初凝后，及時擰緊螺母，同時混凝土與墊板密切貼合。注漿采取壓力注漿的方法，起始壓力約為0.3 MPa，后續(xù)適度增加注漿壓力，待排氣孔流出漿液后，結(jié)束灌漿作業(yè)。（4）注漿小導(dǎo)管：系統(tǒng)錨管用于隧道穿越滑坡地段，規(guī)格為單根長4 m，管外徑42 mm，壁厚4 mm的熱軋無縫鋼管制成，管上打φ6 mm的注漿孔。注漿要求同“超前小導(dǎo)管”。

3.4 仰拱作業(yè)

1）開挖。仰拱開挖采取機(jī)械為主、人工為輔的方案，同時保證開挖效率和開挖精度。隧道底部兩隅與側(cè)墻連接部位平順開挖，以免由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降；清理堆積在邊墻鋼架底部的雜物，使其與仰拱鋼架穩(wěn)定連接；開挖現(xiàn)場存在軟弱膨脹性圍巖時，向地面與兩隅打入錨桿，或采取其他有效的加固措施，然后再開挖。

2）初期支護(hù)的設(shè)置。仰拱開挖后，按照“施作混凝土墊層→打設(shè)錨桿→配套仰拱鋼架→噴射混凝土→模筑混凝土”的流程有序施工，建成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。仰拱底部未設(shè)置初支時，先施工混凝土墊層，建立可供仰拱鋼架安裝、立模等環(huán)節(jié)施工的作業(yè)面。仰拱鋼支撐與邊墻拱架腳部焊接于一體，保持結(jié)構(gòu)完整和受力穩(wěn)定。

3）二襯鋼筋的施工。仰拱兩側(cè)二襯邊墻的預(yù)埋鋼筋有適量的伸出長度，以便與二襯環(huán)向鋼筋焊接。綁扎仰拱二襯鋼筋時，嚴(yán)格控制每層鋼筋的間距和雙層鋼筋的層距，層距可通過焊接定位鋼筋的方法確定；二襯兩側(cè)邊墻分布預(yù)埋鋼筋，根據(jù)隧道斷面設(shè)計(jì)的弧度調(diào)整該類鋼筋的彎曲弧度，保持一致。

3.5 噴射混凝土施工

隧道設(shè)計(jì)初期支護(hù)為C25噴射混凝土，采用初期支護(hù)噴漿機(jī)進(jìn)行施工，噴射混凝土工序必須緊跟前一工序，不得拖延。

1）隧道開挖后，安排混凝土噴射，用于穩(wěn)固開挖面，防止巖體松弛。

2）以分段、分片的方法有序噴射混凝土，各作業(yè)區(qū)段縱向長度≤6 m，全程遵循自下而上的順序。下次爆破距噴射混凝土的時間間隔至少達(dá)到4 h。根據(jù)總噴射厚度適當(dāng)分層，前一層混凝土終凝后間隔1 h以上再噴射下一層時，用高壓風(fēng)清理受噴面的雜物，使新噴射的混凝土與之穩(wěn)定結(jié)合。

3）混凝土隨拌隨用，以防混凝土在拌和后長時間未使用而發(fā)生初凝。

4）根據(jù)設(shè)計(jì)厚度和噴射部位的特點(diǎn)靈活控制一次噴射厚度，初噴厚度40~60 mm，復(fù)噴環(huán)節(jié)拱頂、邊墻兩處的一次噴射厚度分別≤100 mm、150 mm。噴射到位的首層混凝土應(yīng)具有平整性，凹坑必須得到有效的填補(bǔ)。局部有嚴(yán)重凹坑時，以錨桿吊模噴混凝土的方法處理。

5）噴嘴與巖面保持垂直，距離巖面0.6~1.2 m，噴射料束與受噴面呈5°~15°夾角時最為合適，此時的噴射效果較佳。噴射機(jī)工作壓力穩(wěn)定在0.1~0.15 MPa，噴射料束呈螺旋形運(yùn)動。鋼架與壁面存在空隙，向該部位以噴射混凝土的方法填充。從兩側(cè)拱腳向上對稱噴射混凝土，控制好混凝土的用量，有效覆蓋鋼架，并使背面得到有效的噴射處理。拱腳基礎(chǔ)部位的混凝土應(yīng)具有密實(shí)性，禁止出現(xiàn)局部懸空的情況。

6）噴射的混凝土終凝2 h后，以噴水的方法養(yǎng)護(hù)至少7 d，現(xiàn)場氣溫在5℃以內(nèi)時，為防止混凝土凍傷，禁止采用噴水養(yǎng)護(hù)的方法。

4 隧道機(jī)械化配套施工的優(yōu)越性

對施工人員而言，機(jī)械化配套初期支護(hù)施工工藝比傳統(tǒng)施工工藝更具有安全性，員工的勞動強(qiáng)度得到了大幅度降低，施工人員的數(shù)量至少減少2/3以上，而施工效率比傳統(tǒng)施工工藝提高了2/3以上，在隧道超欠挖控制和噴射回彈控制方面（即成本控制）、能源需求方面和安全環(huán)保方面，機(jī)械化配套施工工藝具有傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)越性，在施工安全方面采用噴射機(jī)械手進(jìn)行濕噴作業(yè)時，作業(yè)人員通過該噴射機(jī)械手配備的遙控機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了對噴射機(jī)械手的遙控，從而可以使機(jī)械手伸縮到掌子面進(jìn)行施工，而作業(yè)人員和機(jī)器可停留在已完成初期支護(hù)的位置進(jìn)行混噴作業(yè)，以此避免了在傳統(tǒng)施工工藝中，人員與混噴機(jī)械均要在暴露于尚未支護(hù)的圍巖下進(jìn)行作業(yè)，對機(jī)械設(shè)備和施工人員存在的安全隱患；采用噴射機(jī)械手，幾乎沒有粉塵，作業(yè)人員作業(yè)環(huán)境良好。

5 結(jié)語

綜上所述，針對現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜、工程量較大的隧道工程，按因地制宜的原則配套機(jī)械設(shè)備，協(xié)同運(yùn)行，營造安全的施工環(huán)境，實(shí)際施工質(zhì)量和效率均達(dá)到要求。在各類隧道工程中，建議施工單位根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件選擇適宜的機(jī)械設(shè)備，綜合考慮設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)高效性、生態(tài)環(huán)保性多項(xiàng)特征，組合應(yīng)用，使機(jī)械設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，順利推進(jìn)隧道工程的建設(shè)進(jìn)程。