雙洞八車道公路隧道機(jī)械化施工工法轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

方毓澄，李行利

（1 廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510623；2 中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)技術(shù)的高速發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的不斷完善，目前隧道建設(shè)逐漸邁向大斷面、軟弱圍巖發(fā)展，伴隨著各種大型設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用，機(jī)械化施工在隧道中占據(jù)主導(dǎo)地位[1-3]，其在增加施工效率的同時(shí)，減少了隧道中存在的安全隱患。但是機(jī)械化設(shè)備的使用必然會導(dǎo)致傳統(tǒng)施工工法、工藝的革新，因此通過改良現(xiàn)有施工工法，與機(jī)械化施工相結(jié)合，是當(dāng)前所面臨的問題。

藍(lán)樹雄[4]等結(jié)合堆角隧道工程實(shí)例，介紹了隧道機(jī)械化設(shè)備在公路隧道安全管理施工中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，并與傳統(tǒng)施工工法進(jìn)行對比，從人員投入、工時(shí)、質(zhì)量、安全性等方面分析了機(jī)械化施工在公路隧道安全管理中所起的作用。唐紅權(quán)[5]等依托鄭萬高鐵楚烽隧道、?？邓淼馈⑿氯A隧道不同圍巖級別現(xiàn)場機(jī)械化大斷面施工的定額測定成果，并結(jié)合新工藝工法下設(shè)計(jì)理念及工程措施優(yōu)化所造成的工程量差，與現(xiàn)行常規(guī)機(jī)械化施工工法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比分析，得出高速鐵路軟弱圍巖隧道機(jī)械化大斷面施工工法的適應(yīng)性范圍。黎建華[6]基于鄭萬高鐵湖北段高家坪隧道試驗(yàn)段，開展了三階法、兩臺階法和全斷面(帶仰拱)開挖工法的全方位現(xiàn)場監(jiān)控量測試驗(yàn)研究，并采用接觸問題的罰函數(shù)法對初期支護(hù)和圍巖間界面效應(yīng)進(jìn)行了圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。余小周[7]軟弱圍巖隧道機(jī)械化全斷面開挖工法，主要依據(jù)“新奧法”原理，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，重視初期支護(hù)對提高圍巖承載能力的作用，配套機(jī)械化作業(yè)采用全斷面開挖，降低隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)、提升施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、提高經(jīng)濟(jì)效益。張俊儒[8]等歸納總結(jié)分析了四車道及以上超大斷面公路隧道斷面形狀、施工工法、施工力學(xué)和支護(hù)參數(shù)等的技術(shù)現(xiàn)狀以及研究中存在的不足。辛講合[9]等分析了目前機(jī)械化施工的現(xiàn)狀與問題，對適應(yīng)機(jī)械化施工的臺階法臺階高度和安全步距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬；提出了對隧道初期支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化。邢賀虎[10]研究軟弱圍巖隧道的機(jī)械化施工狀況，對隧道施工過程當(dāng)中的重要施工環(huán)節(jié)進(jìn)行了重要的分析，有效結(jié)合了軟弱圍巖地層隧道的工程施工案例，針對軟弱圍巖城隧道施工的施工技術(shù)和施工方法進(jìn)行了研究和探討。王志堅(jiān)[11]為實(shí)現(xiàn)大斷面隧道機(jī)械化施工，針對鄭萬高速鐵路湖北段隧道機(jī)械化施工所面臨的掌子面穩(wěn)定性控制、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、機(jī)械化施工工法及施工工藝參數(shù)選取等進(jìn)行了研究。

由上述研究可以看出，諸多學(xué)者針對大斷面隧道機(jī)械化施工工法進(jìn)行了一定的探討與研究，并結(jié)合隧道施工現(xiàn)場進(jìn)行了其合理性的驗(yàn)證，但鮮有學(xué)者對雙洞八車道公路隧道機(jī)械化施工工法進(jìn)行相關(guān)研究，對機(jī)械化施工工法轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究更為少見。因此本文針對雙洞八車道公路隧道，對雙側(cè)壁法轉(zhuǎn)三臺階法進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 依托工程

城仔山超大跨度公路隧道進(jìn)口位于汕尾市海豐縣梅龍鎮(zhèn)，出口位于深汕合作區(qū)赤石鎮(zhèn)。隧道為雙洞八車道分離式隧道，左線隧道起迄里程為ZK52+289～ZK54+616，長2327 m，右線隧道起迄里程K52+322～K54+693，長2371 m，隧道最大開挖寬度22.6 m，最大開挖面積為254.54 m2，屬超大跨度公路隧道，具體工程概況如圖1所示。

圖1 城仔山雙洞八車道公路隧道工程概況圖

圖2 “一洞九線”裝備配套

隧址區(qū)地層巖性為坡殘積粉質(zhì)粘土、侏羅系砂巖及其風(fēng)化層，其中覆蓋層基巖由中、微風(fēng)化砂巖組成，基巖巖體較為完整。隧道主要穿越有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，分別占比為48%、25%、27%，隧道進(jìn)、出口段為V級圍巖淺埋或Ⅳ級圍巖加強(qiáng)段。

以施工工法為準(zhǔn)繩，為各個(gè)工序選擇適配的大型施工機(jī)械裝備，形成機(jī)械化配套方案，是鉆爆法公路隧道機(jī)械化快速施工的前提條件之一。城仔山隧道采用“一洞九線”全工序機(jī)械化施工為技術(shù)路線，配備了9臺套的大型施工機(jī)械裝備，還針對雙洞八車道公路隧道機(jī)械化施工特點(diǎn)和需求，研發(fā)了3臺小型工裝，最終形成了完善的雙洞八車道公路隧道機(jī)械化施工裝備配置方案，如圖1所示，主要配套的大型機(jī)械設(shè)備有全電腦三臂鑿巖臺車、多功能拱架安裝臺車、濕噴機(jī)械手、液壓仰拱棧橋、防水板鋼筋臺車、智能二襯臺車、二襯養(yǎng)護(hù)臺車、水溝電纜槽臺車、大型挖機(jī)。

2 機(jī)械化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

機(jī)械化施工中的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種常見而有效的隧道開挖工法，主要應(yīng)用于大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)。該方法以機(jī)械化設(shè)備為主導(dǎo)，在隧道兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行開挖，采用導(dǎo)坑形式對巖土進(jìn)行處理，以確保施工的安全、高效和精確。

1）側(cè)壁導(dǎo)坑空間放大，便于大挖機(jī)、裝載機(jī)、濕噴機(jī)械手等機(jī)械化施工；

2）優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，由“時(shí)間錯(cuò)開”改為“空間錯(cuò)開”，各導(dǎo)坑縱向錯(cuò)開同步向前掘進(jìn)；

3）采用臨時(shí)棧橋，及時(shí)封閉成環(huán)。

2.1 工法參數(shù)

左右導(dǎo)坑上臺階高7.5 m，中臺階高度2.3 m，下臺階高度2.3 m（帶仰拱側(cè)3.9 m），中導(dǎo)坑上臺階高6.2 m。側(cè)導(dǎo)洞上臺階長度15 m，中、下臺階16 m，中部8 m。先行與后行側(cè)導(dǎo)洞上臺階掌子面錯(cuò)開12 m，中導(dǎo)洞上臺階長度8 m，中部25 m斜坡道。

2.2 施工工序

機(jī)械化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具體施工工序如下：

1）先行導(dǎo)坑上臺階向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

2）先行導(dǎo)坑上中臺階同步向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

3）先行導(dǎo)坑上中下臺階（側(cè)壁導(dǎo)坑仰拱封閉成環(huán)）同步向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

4）后行導(dǎo)坑上臺階縱向錯(cuò)開先行導(dǎo)坑上臺階向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

5）后行導(dǎo)坑上中臺階同步向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

6）后行導(dǎo)坑上中下臺階（側(cè)壁導(dǎo)坑仰拱封閉成環(huán)）同步向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

7）中導(dǎo)坑上臺階縱向錯(cuò)開后行導(dǎo)坑上臺階向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離；

8）中導(dǎo)坑上下臺階（全斷面仰拱封閉成環(huán)）依次交替向前掘進(jìn)支護(hù)一定距離。

開挖斷面及具體施工步序如圖3所示。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序縱斷面圖

3 機(jī)械化三臺階法

隧道施工中的機(jī)械化三臺階法是一種以弧形導(dǎo)坑開挖留核心土為基本模式的施工方法。這種方法將隧道分為上、中、下三個(gè)臺階七個(gè)開挖面，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開、平行推進(jìn)。機(jī)械化三臺階法具有施工空間大、方便機(jī)械化施工、適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式、初期支護(hù)操作便捷、在臺階法的基礎(chǔ)上預(yù)留核心土以利于開挖工作面穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1）上臺階采用大斷面開挖，三臂鑿巖臺車、拱架安裝機(jī)、濕噴機(jī)械手等大型機(jī)械雙機(jī)作業(yè)；

2）利用自進(jìn)式管棚和玻璃纖維錨桿對前方圍巖預(yù)加固；

3）施工順序的調(diào)整，由“鎖腳→系統(tǒng)錨桿（循環(huán)）、超前→噴漿→打眼”調(diào)整為“噴漿→打眼→系統(tǒng)錨桿、鎖腳、超前→裝藥爆破”，把三臂鑿巖臺車工作量集中在一起，減少了設(shè)備進(jìn)出場工序銜接時(shí)間；

4）通過C30早高強(qiáng)噴射混凝土、后置式鎖腳的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)該施工組織模式調(diào)整。

3.1 工法參數(shù)

三臺階法上臺階高8.5 m，中臺階高度2.2 m，下臺階高度2.2 m。上臺階長度40 m，中下臺階長度32 m。

3.2 施工工序

機(jī)械化三臺階法施工步序詳述如下：

1）雙三臂鑿巖臺車在上臺階向前打眼爆破；

2）爆破后挖掘機(jī)排險(xiǎn)扒上臺階渣，雙裝載機(jī)出渣；

3）出渣完后一臺濕噴機(jī)械手初噴；

4）初噴后拱架安裝機(jī)立架；

5）立架后采用三臂鑿巖臺車打系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿（管）、超前管棚，后復(fù)噴混凝土；

6）待上臺階長度達(dá)到40 m時(shí)，中臺階掌子面左右錯(cuò)開開始向前掘進(jìn)，保證上臺階與中臺階掌子面向前掘進(jìn)速度保持一致；

7）待中臺階長度達(dá)到8 m時(shí)，下臺階掌子面左右錯(cuò)開開始向前掘進(jìn)，保證上臺階、中臺階和下臺階掌子面向前掘進(jìn)速度保持一致；

8）待仰拱初支距上臺階掌子面長度達(dá)到118 m時(shí)，掌子面施工中管棚、錨桿，仰拱出渣，挪移自行式棧橋仰拱棧橋，施工仰拱及填充。通過簡易棧橋（40 m長）、液壓自行式棧橋保障掌子面距二襯交通暢通；

9）待二次襯砌距上臺階掌子面長度達(dá)到178 m時(shí)，開始施作二襯。同時(shí)保證二襯與開挖進(jìn)度保持一致。

開挖斷面及具體施工步序如圖4所示。

圖4 三臺階法施工工序縱斷面示意圖

4 機(jī)械化雙側(cè)壁法轉(zhuǎn)三臺階法

4.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)城仔山隧道施工揭示的地質(zhì)情況、地勘資料及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范——第一冊：土建工程》綜合分析，選取圍巖物理力學(xué)參數(shù)，見表1所示。支護(hù)參數(shù)是基于設(shè)計(jì)圖機(jī)械化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工適用的Vd型復(fù)合式襯砌，在超前支護(hù)、系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土方面進(jìn)行了加強(qiáng)，具體襯砌支護(hù)參數(shù)見表2所示。

表1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 Vd型復(fù)合式襯砌超前支護(hù)、初期支護(hù)及二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 計(jì)算模型及結(jié)果

計(jì)算模型分別如圖5、圖6所示。

圖5 Vd復(fù)合式襯砌雙側(cè)壁導(dǎo)坑法數(shù)值模擬計(jì)算模型

圖6 IVd復(fù)合式襯砌機(jī)械化三臺階三維數(shù)值模擬計(jì)算模型

通過數(shù)值模擬主要給出深汕西高速公路城仔隧道進(jìn)口段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中十二組不同選擇數(shù)值模型中的轉(zhuǎn)換斷面縱向126 m斷面，提取支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)，并分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)三臺階法支護(hù)結(jié)構(gòu)施工力學(xué)特征。

1）洞周位移隨工序變化規(guī)律

由圖7可知，在工序一到五中，由于監(jiān)測斷面靠近掌子面，拱頂沉降始終較小。當(dāng)?shù)焦ば蛄撮_挖兩臺階法的上臺階，拱頂沉降急劇增大，工序六后拱頂沉降趨于平衡。

圖7 洞周位移隨工序變化曲線

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨工序變化規(guī)律

由圖8可知，對于最大壓應(yīng)力值，在工序一到五中，由于監(jiān)測斷面靠近掌子面，上臺階鎖腳錨桿應(yīng)力較小，當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面時(shí)，上下臺階的鎖腳錨桿應(yīng)力急劇變化，在工序六后逐漸趨于平衡。在修建大斷面的軟弱圍巖隧道時(shí)，采用鎖腳錨桿能顯著減小隧道的拱頂下沉及凈空收斂值，鎖腳錨桿與普通系統(tǒng)錨桿不同，鎖腳錨桿是通過限制鋼拱架位移來抑制圍巖的變形[12]。

圖8 鎖腳錨桿壓應(yīng)力隨工序變化曲線

由圖9可知，整個(gè)施工過程中，噴射混凝土最大拉應(yīng)力均位于拱頂，在轉(zhuǎn)換過程一工序中，最大拉應(yīng)力快速上升；在轉(zhuǎn)換過程四后，應(yīng)力急劇增加，因?yàn)楸O(jiān)測斷面的開挖面積逐漸增大；另一方面，噴射混凝土最大壓應(yīng)力均位于上臺階拱腳，在轉(zhuǎn)換過程五后急劇增大，因?yàn)楸O(jiān)測斷面的開挖面積逐漸增大，之后隨工序變化減小。

圖9 噴射混凝土應(yīng)力隨工序變化曲線

4.3 人員配置

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采用一般機(jī)械化配套施工，長臺階法（全斷面法）采用大型機(jī)械化配套施工，單個(gè)作業(yè)面（共4個(gè)作業(yè)面）人員配置如表3所示。

表3 單個(gè)作業(yè)面施工隊(duì)伍勞力配置表（大機(jī)作業(yè)83人/傳統(tǒng)作業(yè)120人）

5 結(jié)語

1）機(jī)械化施工中的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是一種常見而有效的隧道開挖工法，主要應(yīng)用于大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)。而隧道施工中的機(jī)械化三臺階法是一種以弧形導(dǎo)坑開挖留核心土為基本模式的施工方法。

2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法轉(zhuǎn)三臺階法的整個(gè)施工過程均保持掌子面整體穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化距離短，施工效率高，人員配置少，超前支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，所采用的工法轉(zhuǎn)換流程可為相關(guān)隧道工程的施工工法進(jìn)行指導(dǎo)。