辛講合 白浪峰 馬建云

摘 要：文章分析了目前機械化施工的現(xiàn)狀與問題，對適應(yīng)機械化施工的臺階法臺階高度和安全步距進行了優(yōu)化設(shè)計，并進行理論分析和數(shù)值模擬；提出了對隧道初期支護參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化設(shè)計是合理可行的，為大斷面隧道機械化施工提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：機械化施工 臺階法 安全步距

隧道施工屬于高風(fēng)險工作，隧道坍塌安全事故仍多發(fā)?；谝陨习踩[患，目前在國家和地方法律法規(guī)的要求下，在隧道施工中全面推行機械化施工已勢在必行。機械化施工能夠加快施工進度、節(jié)約勞動力、減輕勞動強度、改善施工條件、提高工程質(zhì)量、降低工程成本，因此，大型機械化施工是今后隧道施工的發(fā)展方向。

1.工程概況

本文依托貴黃高速控制性工程之一的龍昌隧道，單洞長度2170m，隧道采用分離式設(shè)計，為雙洞六車道，設(shè)計時速100km/h，隧道內(nèi)輪廓凈寬15.59m，凈高8.0m，Ⅳ級圍巖開挖斷面平均151.2m3。隧道洞身穿越地層為奧陶系下統(tǒng)桐梓組（O1t）灰?guī)r、寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2～3ls）白云巖。Ⅴ級圍巖340m，占總長7.8%，Ⅳ級圍巖4000m，占總長的92.2%。Ⅳ級圍巖隧道設(shè)計開挖工法采用上下斷面環(huán)向開挖預(yù)留核心土法和三臺階法。

2.機械化施工面臨的現(xiàn)狀與問題

（1）目前隧道機械化施工現(xiàn)狀。目前國內(nèi)隧道施工在大面積推行機械化施工，但在許多隧道施工中，施工單位迫于推行機械化施工的壓力，配備了各種大型設(shè)備，但受到安全步距、開挖工法等影響，造成大型機械設(shè)備無法充分發(fā)揮自身優(yōu)勢、效率低下、形同擺設(shè)，并未真真正正的運用到隧道施工中。

（2）施工工法存在問題剖析。目前國內(nèi)按相關(guān)規(guī)范設(shè)計的臺階法，上臺階高度一般為5～6m，無法滿足大型機械設(shè)備施工空間要求，如三臂鑿巖臺車長17.362m×寬3m×高3.664m（作業(yè)時高5.5m），按照設(shè)計的上下臺階預(yù)留核心土工法，三臂鑿巖臺車無法進行鉆爆作業(yè)，如按照常規(guī)的上下臺階法，掌子面只能供一臺鑿巖機施展，且三個機械臂不能覆蓋全部掌子面，需要移動位置（重新放樣供鑿巖臺車定位），相比人工打眼功效較低，用時較長；為了能發(fā)揮大型機械設(shè)備的功效，在保證安全條件下，需要適當增大臺階高度。

（3）安全步距存在問題剖析。仰拱采用自行式液壓棧橋，配套仰拱模板，液壓仰拱棧橋行走靈活，施工方便快捷，有效利用長度為24m；仰拱弧形模板可使仰拱整體一次成型，避免了多次接縫，確保仰拱整體受力，而且可同時澆筑仰拱回填和下一模的仰拱，形成流水作業(yè)，加快施工進度。但液壓棧橋自身長度44m，仰拱距下臺階長度需30m，下臺階左右兩側(cè)需錯開10m，上臺階至少需35m才能供兩臺鑿巖臺車同時進行施工。但國內(nèi)施工安全步距要求，四級圍巖掌子面距仰拱僅50m，嚴重制約機械化施工。

綜上所述，隧道機械化施工的推行，受到安全步距和開挖工法的影響，高成本投入，起不到良好的效果，比起傳統(tǒng)人工施工，機械化功效的優(yōu)勢并未體現(xiàn)，已進入瓶頸階段，因此迫切需要進行一些嘗試，從設(shè)計方面尋求理論支持，從其他方面增加安全保障措施，以破解目前推行機械化施工面臨的困局。

3.機械化施工工法優(yōu)化

3.1臺階法理論分析

臺階法是新奧法中適用性最廣的施工方法，多適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖中。它將斷面分成上半斷面和下半斷面兩部分分別進行開挖。針對三車道大跨度斷面的公路隧道而言，國內(nèi)規(guī)范中，也明確了全斷面法適用于I-II級、巖質(zhì)較完整的硬質(zhì)圍巖中，而臺階法適用于III-V級圍巖。隨著臺階長度的調(diào)整，它幾乎可適用于所有的地層。因此龍昌隧道采用臺階法是合適的，不適合采用全斷面法開挖。

臺階法優(yōu)點：開挖具有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度，有利于穩(wěn)定，上部開挖支護后，下部作業(yè)較安全。缺點：上下部作業(yè)互相干擾，臺階開挖會增加對圍巖的擾動次數(shù)等。

臺階的具體高度在規(guī)范中未有明確指定，可根據(jù)圍巖情況、掌子面附近的水文地質(zhì)條件等情況具體而定。

3.2施工工法優(yōu)化設(shè)計

（1）開挖方法調(diào)整。由原設(shè)計的上下臺階環(huán)形留核心土法開挖調(diào)整為上下臺階法開挖，同時盡量加大上臺階高度。開挖、支護順序說明：①拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護；②上臺階開挖；③上半斷面初期支護；④下半斷面左側(cè)開挖；⑤下半斷面左側(cè)初期支護；⑥下半斷面右側(cè)開挖；⑦下半斷面右側(cè)初期支護；⑧澆注仰拱；⑨敷設(shè)防水板，采用模板臺車全斷面一次模筑二次襯砌混凝土。

（2）安全步距調(diào)整。根據(jù)機械化配套施工作業(yè)面展開距離需要，Ⅳ級圍巖仰拱與掌子面距離按不超過80m。

3.3施工工法優(yōu)化數(shù)值模擬計算

3.3.1臺階法安全性數(shù)值模擬計算

（1）開挖臺階高度調(diào)整計算。采用平面應(yīng)變模型對隧道的臺階開挖高度展開研究，當臺階分界線比設(shè)計標高高1m時，最高作業(yè)空間達7.8m，根據(jù)隧道初期支護結(jié)構(gòu)有限元計算，隧道初期支護結(jié)構(gòu)的最小抗壓安全系數(shù)為2.4，最小抗拉安全系數(shù)為4.6，滿足規(guī)范要求。

3.3.2安全步距調(diào)整計算

（1）安全步距調(diào)整計算。安全步距適當拉大，掌子面距離仰拱開挖由原設(shè)計的50m，擬適當增大到80m。

（2）三維模型計算。通過分析，發(fā)現(xiàn)當開挖步距為80m時，拱頂最大沉降為7.26mm，圍巖塑性區(qū)和噴射混凝土的拉應(yīng)力增長比較快，拱腰部位的塑性區(qū)區(qū)域超過了錨桿的長度，錨桿可能發(fā)揮不了作用；掌子面后巖體的塑性區(qū)也有小幅度增長，應(yīng)做好掌子面附近的支護與排水工作；噴射混凝土抗拉安全系數(shù)為1.2，安全富余量不大。

當開挖步距為90m時，拱頂最大沉降為7.39mm，掌子面后塑性區(qū)急劇發(fā)展，噴射混凝土抗拉強度接近C25混凝土極限抗拉強度，基本沒有安全富余度。

綜上所述，建議本隧道IV級圍巖段掌子面距仰拱不超過80m，并在拱腰部位塑性區(qū)增設(shè)鋼架鎖腳錨桿并加長鎖腳錨桿長度。隧道施工中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況實時調(diào)整。

3.4支護參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

機械化施工所需要的臺階高度和安全步距均較人工開挖法大，對初期支護安全穩(wěn)定系數(shù)要求更高。為保證施工安全和洞室穩(wěn)定，應(yīng)保證初期支護的施工質(zhì)量。新奧法設(shè)計中初期支護采用錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)。對于龍昌隧道白云巖地段，應(yīng)加強錨桿的作用和增加鋼架的安全穩(wěn)定措施。初期支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在原設(shè)計基礎(chǔ)上增設(shè)了鋼拱架鎖腳錨桿數(shù)量，初期支護采用SN錨桿設(shè)計，錨桿注漿采用稠度更大的凈漿漿液，錨桿安裝12h后，用已標定的轉(zhuǎn)矩扳手擰緊螺母，錨墊板持力達到約20kN。類似施加預(yù)應(yīng)力的效果，能更好地發(fā)揮錨桿的錨固作用。

4.優(yōu)化試驗段監(jiān)控量測及建議

4.1監(jiān)控量測

對于施工工法臺階高度和安全步距的調(diào)整，在龍昌隧道Ⅳ級圍巖段進行試驗段研究測試，根據(jù)隧道多個斷面的工程實測拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化后的開挖方法引起的變形在正常范圍內(nèi)，從實際效果證明了優(yōu)化方案的可行性。

4.2施工建議

（1）臺階高度優(yōu)化：加大上臺階高度至7.8m、上下臺階法開挖。

（2）安全步距調(diào)整：建議掌子面距離仰拱開挖按75m控制并不超過80m。

（3）初期支護調(diào)整：錨桿采用帶錨桿墊板的SN錨桿，加長和增設(shè)鋼架鎖腳錨桿。

5.結(jié)語

對于三車道大斷面隧道機械化施工時，施工工法采用上下臺階法是可行的。上臺階高度可達7.8m。施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時調(diào)整開挖進尺及上臺階高度，確保施工安全。在初期支護穩(wěn)定的前提下，掌子面距離仰拱開挖安全步距可適當放寬至不超過80m。

參考文獻：

[1]JTG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計細則[S].北京：人民交通出版社，2010.

[2]JTG F90-2015，公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.