高速鐵路長大隧道開挖施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：當(dāng)前長大隧道開挖施工下穿結(jié)構(gòu)多為獨(dú)立單項(xiàng)形式，開挖的范圍較小，導(dǎo)致隧道極限受壓比下降，為此對(duì)高速鐵路長大隧道開挖施工控制關(guān)鍵技術(shù)展開設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。根據(jù)當(dāng)前測定需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，先簡述工程概況，進(jìn)行軟弱圍巖區(qū)域預(yù)處理。通過巖爆處理，來完成對(duì)側(cè)邊樁的搭接。采用多階方式擴(kuò)大隧道的開挖范圍，設(shè)定多階下穿結(jié)構(gòu)。采用鋼筋網(wǎng)安裝及塌方結(jié)構(gòu)維護(hù)實(shí)現(xiàn)開挖控制處理。測試結(jié)果表明：針對(duì)選定的5個(gè)區(qū)域進(jìn)行測定，最終隧道在開挖完成之后，最終得出的隧道極限受壓比均可以達(dá)到8.5以上，說明此次所設(shè)計(jì)的開挖施工技術(shù)更加高效、穩(wěn)定，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：長大隧道；開挖施工；巖爆

0" "引言

高速鐵路長大隧道的開挖環(huán)境比較復(fù)雜，常導(dǎo)致后續(xù)的鐵路隧道接入施工難以適用融合，無法從多個(gè)角度保證整體的施工質(zhì)量[1]。尤其在隧道開挖階段，各個(gè)環(huán)節(jié)施工技術(shù)的控制對(duì)建設(shè)效果的影響更為明顯。

傳統(tǒng)的長大隧道開挖施工控制形式多為單向的，雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏針對(duì)性與穩(wěn)定性，對(duì)于部分區(qū)域的挖掘處理效果未達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)[2]。不僅如此，單向的開挖控制形式也會(huì)導(dǎo)致施工效率及質(zhì)量的降低，影響隧道的修建與搭建，這也是影響最終施工效果的重要因素之一[3]。

基于此，本文以較為真實(shí)的施工環(huán)境作為測試背景，從多個(gè)角度進(jìn)行隧道開挖控制方案的制定。結(jié)合當(dāng)前的施工技術(shù)，擴(kuò)大實(shí)際的開挖施工控制范圍，設(shè)計(jì)更為靈活、多變的控制結(jié)構(gòu)，最大程度降低隧道開挖存在的控制誤差。同時(shí)依據(jù)周邊環(huán)境的變化，對(duì)隧道的洞身進(jìn)行加固處理，強(qiáng)化對(duì)當(dāng)前隧道量的有效監(jiān)測，提升TBM隧道開挖過程中的彈性應(yīng)變能力，進(jìn)一步確保施工環(huán)境的安全與穩(wěn)定，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)與工程的建設(shè)奠定基礎(chǔ)[4]。

1" "工程概況

考慮到最終測試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，本文采用對(duì)比的方式展開分析。選定元謀西—大樹村區(qū)間的D隧道作為測試的主要目標(biāo)對(duì)象，隧道進(jìn)口的里程為DK707+037，出口的里程碑為DK718+379，該隧道的全長為11342m，屬于雙線隧道。整體的施工難度相對(duì)較大，所以在建設(shè)的過程中，需要更強(qiáng)的穩(wěn)定性與安全維護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。

為確保隧道線路可以順利搭接，需要在隧道的兩側(cè)左右設(shè)置4.5～5.5m的間距，整個(gè)隧道中有11.9%為上坡，除了出口的DK717+589～DK718+379的左線位置存在一部分曲線，其余的隧道均為直線狀態(tài)[6]。全隧道的最小埋深為61m，最大埋深為516m，為更好地滿足當(dāng)前隧道的施工工期，全隧道還要設(shè)置2座斜井，以保證施工的安全穩(wěn)定[7]。

2" "鐵路長大隧道開挖施工控制技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1" "軟弱圍巖區(qū)域預(yù)處理

2.1.1" "開挖處理方案

軟弱圍巖其實(shí)是隧道開挖階段最為常見的一種地勢情況，一般來說，隧道Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，便需要使用三臺(tái)階七步法進(jìn)行輔助性的開挖處理。軟弱圍巖三臺(tái)階七步法開挖處理截面如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，完成對(duì)軟弱圍巖三臺(tái)階七步法開挖處理截面的分析與驗(yàn)證研究。以此為基礎(chǔ)，需要在當(dāng)前的隧道內(nèi)部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)于上部弧形進(jìn)行引導(dǎo)式地開挖處理[8]。開挖上部預(yù)留核心土，結(jié)合實(shí)際的測定要求，測算出核心土的長度在3.5～5.5m之間。

2.1.2" "初期支護(hù)鋼間距計(jì)算

結(jié)合當(dāng)前的測定要求及軟弱圍巖的開挖要求，在開挖循環(huán)進(jìn)尺的位置搭建初期支護(hù)鋼，測算出當(dāng)前間距，具體如下式所示：

（1）

式（1）中：D表示初期支護(hù)鋼間距； 表示單元開挖范圍；U表示開挖移位差；m表示開挖矢跨比；" 表示鋼架拱腳高度；t表示底座位置。

結(jié)合上述公式（1），完成對(duì)初期支護(hù)鋼間距的測算。通過調(diào)整支架的位置，對(duì)軟弱圍巖起到一定的支撐作用。但是需要注意的是，當(dāng)前設(shè)置的支架搭接位置并不是固定的，而是隨著隧道開挖的長度或者位置作出對(duì)應(yīng)的調(diào)整，以此來營造穩(wěn)定的施工條件。

2.2" "巖爆處理

巖爆其實(shí)是隧道開挖中十分重要且關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般當(dāng)隧道建設(shè)處于高地應(yīng)力條件時(shí)，需要進(jìn)行巖爆處理，以此來保證后續(xù)隧道開挖過程中，避免引起周邊圍巖出現(xiàn)應(yīng)力分異的情況。

2.2.1" "隧道彈性應(yīng)變值測算

可先在隧道的內(nèi)部設(shè)置多個(gè)巖爆點(diǎn)位，同時(shí)將多個(gè)點(diǎn)位關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)循環(huán)性的巖爆范圍。據(jù)此可以測算出當(dāng)前的彈性應(yīng)變值，具體如下式所示：

（2）

式（2）中：A表示隧道彈性應(yīng)變值；n表示可控彈射距范圍； 表示動(dòng)力失穩(wěn)位置；η表示轉(zhuǎn)換比；λ表示巖爆覆蓋范圍；k表示開挖距離。

2.2.2" "設(shè)置巖爆的等級(jí)

結(jié)合當(dāng)前的測定要求，完成對(duì)隧道的彈性應(yīng)變值的計(jì)算后，結(jié)合當(dāng)前隧道的施工狀態(tài)，設(shè)置巖爆的等級(jí)。具體如下：采用輕微巖爆，一般進(jìn)尺控制在2.5～3m之間為最佳。

2.2.3" "巖爆處理要點(diǎn)

確保隧道全斷面地開挖，一次成形，保持周圍的圍巖處于平衡狀態(tài)。在掌子面與隧道的洞壁位置設(shè)置一個(gè)輔助架，通過噴撒水或高壓注水，以此來達(dá)到弱化圍巖的目的。巖爆后續(xù)控制處理指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)表1可知，完成對(duì)巖爆后續(xù)控制處理指標(biāo)參數(shù)的設(shè)置與實(shí)踐分析。依據(jù)上述的測定，進(jìn)行巖爆環(huán)節(jié)的進(jìn)一步調(diào)整與優(yōu)化，進(jìn)而完成對(duì)應(yīng)隧道開挖施工目標(biāo)。

2.3" "側(cè)邊樁搭建與多階下穿結(jié)構(gòu)設(shè)定

2.3.1" "側(cè)邊樁的搭建

側(cè)邊塔的搭建實(shí)際上是對(duì)鐵路長大隧道開挖結(jié)構(gòu)的一種加固方式。設(shè)定開挖的階層，在下臺(tái)階的位置設(shè)置榀拱架，并進(jìn)行總間距的多維控制。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行側(cè)邊塔開挖長度的測算，一般控制在5.85～9.01m之間為最佳。

對(duì)進(jìn)尺采用弱爆破的方式，擴(kuò)大當(dāng)前側(cè)邊塔的搭建施工空間。設(shè)定爆破振速為≤3.5cm/s。在隧道的施工段需要開挖一個(gè)2.5m隧洞，在實(shí)際測定范圍之內(nèi)，進(jìn)行點(diǎn)位的標(biāo)定，并在標(biāo)定位置之上設(shè)置側(cè)邊樁。計(jì)算出隧洞與側(cè)邊樁的預(yù)留空間，具體如下式所示：

（3）

式（3）中：I表示隧洞與側(cè)邊樁的預(yù)留空間；π表示隧道支撐范圍；z表示隧洞支撐數(shù)量；?表示隧道形變概率。

結(jié)合當(dāng)前的設(shè)定，完成對(duì)隧洞的與側(cè)邊樁的預(yù)留空間的劃分。使用鋼絲對(duì)側(cè)邊樁進(jìn)行搭接與加固處理，并填充預(yù)留的側(cè)邊空間。

2.3.2" "下穿結(jié)構(gòu)設(shè)定

下穿結(jié)構(gòu)設(shè)定具體如圖2所示。根據(jù)圖2可知，完成對(duì)下穿結(jié)構(gòu)的設(shè)定。以鐵路隧道貫穿公路隧道，標(biāo)定出隧道的支撐左幅和右幅位置，確保隧道內(nèi)置結(jié)構(gòu)的開挖平衡。

需要注意的是，下穿結(jié)構(gòu)可以將側(cè)邊樁與隧道開挖的位置進(jìn)行隔斷，以促使開挖過程更為規(guī)律，強(qiáng)化最終的下穿施工效果。隧道在建設(shè)時(shí)，需要對(duì)其沉降情況進(jìn)行控制，最大沉降量必須≤4.5mm，且沉降影響范圍控制在豎向距離以內(nèi)，最大程度降低隧道沉降對(duì)后續(xù)施工的影響。

2.3.3" "下穿結(jié)構(gòu)位移量測算

接下來進(jìn)行下穿結(jié)構(gòu)位移量的測定和計(jì)算，具體如下式所示：

（4）

式（4）中：W表示下穿結(jié)構(gòu)位移量；ρ表示隧道開挖范圍；l表示最大水平位移；?表示堆疊距離；χ表示覆蓋范圍；" 表示轉(zhuǎn)換比。結(jié)合當(dāng)前測定，完成對(duì)下穿結(jié)構(gòu)位移量的計(jì)算，將其設(shè)定為基準(zhǔn)值，給后續(xù)的隧道的開挖測定提供依據(jù)。

2.4" "安設(shè)鋼筋網(wǎng)與易塌方位置維護(hù)

基于當(dāng)前的隧道施工建設(shè)，需要在隧道開挖的基礎(chǔ)之上，設(shè)定安裝鋼筋網(wǎng)，并對(duì)易塌方位置進(jìn)行維護(hù)設(shè)置。

2.4.1" "安設(shè)鋼筋網(wǎng)

將當(dāng)前現(xiàn)在隧道的拱部設(shè)定為0.75m厚混凝土護(hù)拱。隧道開挖的邊墻位置采用錨桿，進(jìn)行局部掛網(wǎng)，將鋼筋網(wǎng)設(shè)置在錨桿側(cè)向位置，以使當(dāng)前隧道的開挖結(jié)構(gòu)形成更為穩(wěn)定、安全的一種支撐。鋼筋網(wǎng)的尺寸也需要進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)定，一般間距控制在17cm×25cm之間最佳。

2.4.2" "易塌方位置維護(hù)

在邊墻的位置噴射混凝土，利用碎石或者砂石進(jìn)行縫隙的填補(bǔ)，強(qiáng)化隧道開挖過程中的支撐強(qiáng)度，形成完整的開挖限制結(jié)構(gòu)。

在開挖的位置標(biāo)記出承重點(diǎn)，劃定出容易出現(xiàn)的塌方位置。在此位置之上構(gòu)建開挖輔助框架，將其關(guān)聯(lián)在一起，進(jìn)一步強(qiáng)化隧道開挖的穩(wěn)定程度，營造更加安全的施工環(huán)境。

3" "實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證分析

結(jié)合當(dāng)前的測定需求，完成最終的施工測定，選定隧道中的5個(gè)區(qū)段進(jìn)行測試，得出以下測試數(shù)據(jù)和信息，具體如表2所示。

根據(jù)表2可知，針對(duì)選定的5個(gè)區(qū)域進(jìn)行測定，在隧道開挖完成之后，最終得到的隧道極限受壓比均可以達(dá)到8.5以上，說明此次所設(shè)計(jì)的開挖施工技術(shù)更加高效、穩(wěn)定，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4" "結(jié)束語

當(dāng)前長大隧道開挖施工下穿結(jié)構(gòu)多為獨(dú)立單項(xiàng)形式，開挖的范圍較小，導(dǎo)致隧道極限受壓比下降，為此對(duì)高速鐵路長大隧道開挖施工控制關(guān)鍵技術(shù)展開設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

與初始的長大隧道開挖施工控制結(jié)構(gòu)相對(duì)比，此次所設(shè)計(jì)的施工結(jié)構(gòu)更加靈活、多變，自身具有較強(qiáng)的控制效果。本文從多個(gè)角度進(jìn)行隧道開挖位置的標(biāo)定，針對(duì)開挖位置設(shè)置、開挖結(jié)構(gòu)構(gòu)建、開挖規(guī)則設(shè)計(jì)等要點(diǎn)進(jìn)行分析，以便最大程度消除存在的施工誤差。

相關(guān)人員一定要嚴(yán)格遵循“超前探、管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、緊襯砌”等幾項(xiàng)原則進(jìn)行處理，只有這樣才能進(jìn)一步促使當(dāng)前隧道的開挖工序銜接緊湊，最大程度提升整體的穩(wěn)定性與安全性，推動(dòng)后續(xù)相關(guān)施工技術(shù)邁入一個(gè)新的發(fā)展臺(tái)階。

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