高速公路大断面黄土隧道关键工序机械化配套研究

刘文学 窦建军 王 乐 赵 盼 邱胜进

(1.中铁工程装备有限公司 郑州 450016; 2.中铁七局集团路桥工程有限公司 宝鸡 721015;3.西安中铁工程装备有限公司 西安 710000)

在西部地区黄土地层隧道施工中，隧道的自稳性受到多种因素的影响，如黄土的自身工程特性[1]、不同饱和度下黄土地层的结构特性、与含水量变化有关的水敏性等[2]。因此，V类软岩黄土隧道开挖仍以分部开挖法为主[3]。分部开挖法因其工序繁杂、施工空间小，使得隧道施工开挖、初支、出碴等关键工序机械化程度较低，施工进度慢，工程成本高，而黄土公路隧道往往是整个项目或全线的控制性工程，要求确保较快的施工速度。如何进行黄土隧道关键工序机械化配套从而实现快速施工，成为当前亟待解决的问题。

1 大断面黄土隧道机械化配套影响因素

根据日本隧协建议的标准，将隧道开挖断面为100～140 m2的定义为大断面隧道。我国大断面黄土隧道所采用的支护结构参数、施工工艺、管理措施大多是基于人工分部开挖法的研究成果和经验，已难以适应机械化大断面施工[4]，其表现主要归结为以下4个方面。

1.1 开挖面稳定性

为保证机械化施工必要的作业空间，大型机械化施工必须采用台阶法或全断面施工，而大断面隧道开挖断面面积大、掌子面挤出位移大，当挤出位移达到一定限制时，掌子面即出现失稳、坍塌，从而导致整条隧道的稳定性受到极大的影响[5]。另外含水量是影响大断面黄土隧道围岩及掌子面稳定性的主要因素，实践经验表明，大多数Q3砂质黄土的含水率在11.0%以下，当含水率大于11.0%之后其力学性质将会显著变差[6]，因此，如何在保证大断面黄土隧道开挖面稳定、拱顶下沉可控、初期支护及时可靠的前提下实现机械化配套施工是急需解决的技术难题。

1.2 锚杆支护匹配性

根据我国黄土隧道建设的工程经验，系统锚杆的力学机制和作用效果一直存在争议[7]，陈建勋等[8-9]通过对高速公路大断面黄土隧道开展理论计算与大量现场试验研究得出，黄土隧道拱顶锚杆以受压为主，有无系统锚杆对隧道结构稳定性影响不大，建议取消系统锚杆。《公路隧道设计规范》[10]中系统锚杆设计选型主要以中空注浆锚杆或水泥砂浆锚杆等为主，该类锚杆除施工工艺复杂、锚杆施工全程机械化难度大外，普遍存在锚杆与围岩匹配性差，锚杆与围岩支护结构不耦合，导致锚杆施工质量差、失效率较高等缺点。因此，如何改变设计理念，创新锚杆支护动态设计方法，是提升初期支护工序锚杆支护质量及实现机械化施工的先决条件。

1.3 开挖-初支工序时空效应

大断面黄土隧道采用钻爆法或分部开挖时，掌子面开挖后至完成初期支护关键工序(喷浆、打锚杆、立钢拱架)施作时空效应增长，围岩无支护状态持续越久，围岩塑性范围发生明显扩展并向拱腰及拱肩进一步发展，上部围岩开始产生变形并逐渐发展为较大的塑性变形，进而导致隧道失稳、坍塌。因此，采用机械化配套要尽可能缩短开挖后至初支的时间段，以尽可能小地减小围岩的变形扩展。初支关键工序人工作业图见图1。

图1 初支关键工序人工作业示意图

1.4 支护封闭安全步距

大断面黄土隧道采用钻爆法或分部开挖时，现行的安全步距(初期支护封闭安全步距V类围岩不得大于35 m，二次衬砌安全步距不得大于50 m)已难以满足隧道机械化配套快速施工作业要求，严重制约了机械化成套施工装备工效的发挥，因此在满足隧道施工安全前提下，制定合理安全步距，充分利用大型机械的优势是提高施工效率、降低施工成本的关键。

2 关键工序机械化配套

2.1 工程地质条件

定临高速黑庄坪隧道为左右行分离式双洞长隧道，右线长约1 651 m，左线长1 720 m，最大埋深约175 m，常规开挖断面面积104 m2，最大跨度12.6 m。隧道围岩为V类，主要采用台阶留核心土分部开挖和台阶法施工。隧址区位于缺水地区，勘察钻孔未揭露地下水，上覆地层为第四系上更新统风积成因(eolQ3)新黄土，下伏新近系临夏组(N2l4)泥质砂岩，其工程地质特征详细描述如下。

1) 新黄土(eolQ3)。黄褐色，稍密，稍湿，具大孔隙，含少量钙质结核，失陷等级IV(很严重)，土石等级为II级，孔隙比1.01，黏聚力23.9 kPa，内摩擦角23.7°，承载力容许值130 kPa，隧表广泛分布。

2) 泥质砂岩(N2l4)。棕红色，泥质结构，中厚层状结构，半成岩状，遇水易软化、崩解，失水易龟裂，属极软岩，单轴天然抗压强度2.1～11.4 MPa，平均5.9 MPa，分布于整个隧址区。

2.2 开挖方式确定

目前高速公路大断面黄土隧道开挖方法主要有钻爆法和非爆法开挖2种，其开挖方式各有优缺点。传统的钻爆法施工，具有灵活机动、前期投入小的优点，但存在机械化程度低，爆破对围岩扰动大，断面成型差，后续立钢拱架工序修边耗时长，用人多、安全性差等缺点，已不能满足大断面黄土隧道快速机械化施工要求。

黄土隧道对地下水和施工扰动较为敏感，通过对黑庄坪隧道现场土体含水率取样测试，土体含水率普遍在8.3%～10.1%之间，平均含水率9.2%，土体低含水率对非爆法开挖较为有利。非爆法施工开挖方式主要有挖掘机和悬臂掘进机2种，考虑开挖后及时施作初期支护，尽可能缩短开挖-初支工序时空效应，以达到控制拱顶下沉，防止围岩失稳、坍塌的目的，最终选择悬臂掘进机进行开挖施工，悬臂掘进机相比钻爆法、挖掘机开挖方式优势明显，主要体现在以下5个方面。

1) 悬臂掘进机开挖过程中作业人数少，每班掌子面开挖作业只需2人，降低了人工成本，防止掌子面重大安全事故，提高了安全性。

2) 施工工效高，可实现连续截割及出碴作业，该断面条件每循环掘进时间相比挖掘机掘进缩短8 h。

3) 超欠挖易控制，开挖面光滑平整，断面一次成型，节约后续初支混凝土喷浆量，降低了施工成本。

4) 掘进机在开挖过程中对围岩扰动小、损伤小，断面开挖成型后无需人工修边，钢拱架安装一步到位，开挖-初支工序衔接紧密，围岩受开挖-初支工序时空效应导致的变形扩容影响大幅降低。

5) 悬臂掘进机在特殊地质条件下适用性较好，开挖过程中将开挖的土体直接输送至自卸车，减少了机械二次倒运，降低成本，同时也减少了多机械配合作业产生的施工隐患。

2.3 关键工序及机械化配套方案

结合定临高速黑庄坪隧道围岩特征，充分考虑黄土自稳性，悬臂掘进机技术参数，初期支护、施工组织等综合因素，黑庄坪隧道采用两台阶施工，上台阶开挖高度6.2 m、长度30 m，下台阶开挖高度2.5 m、长度20 m，后序工序正常跟进。考虑掌子面开挖稳定性及悬臂掘进机自身特性，上台阶开挖采用左右分幅开挖，悬臂掘进机移机一次，上台阶开挖结束后，悬臂掘进机退行至下台阶完成下台阶开挖，两台阶开挖图见图2。

图2 两台阶开挖效果图

针对当前大断面黄土隧道关键工序机械化配套主要存在的问题，通过对国内外隧道施工机械化配套适用性的广泛调研，结合黑庄坪隧道围岩地质条件、现场实际情况、工期、进度、施工成本等因素，提出基于两台阶施工工法为主导的机械化配套方案，开挖采用悬臂掘进机，对机械化程度低、单位循环耗时长的初支各工序进行机械化配套，大断面黄土隧道机械化配套情况见表1。

表1 大断面黄土隧道机械化配套

悬臂掘进机主要技术参数见表2。

表2 悬臂掘进机主要技术参数表

3 关键技术措施

3.1 超前支护

由于黄土自身软弱松散、黏聚性差，环向密集施作超前小导管对掌子面上方拱顶土体扰动较为明显，若与之配套的注浆质量、注浆时长得不到保证，掌子面开挖过程或开挖后，拱顶超前小导管施作段上方掉块、脱落现象时有发生。因此，基于机械化配套模式下，采用集钻孔机注浆为一体的多功能钻机进行超前支护，从而实现快速有效稳定掌子面围岩的目的。

3.2 超欠挖控制

悬臂掘进机铣挖工艺的核心就是利用铣挖头进行隧道掌子面岩土体切削、铲运与出碴一体化作业，与钻爆法相比较，铣挖法破岩机理使围岩受力状态更为合理，扰动及变形较小。另外通过在悬臂掘进机后方稳定围岩周边布设9组激光导向定位仪，每班开挖前对激光导向定位仪进行校核，为开挖提供实时断面轮廓范围及边界参考，从而实现精准导向控制超欠挖，悬臂掘进机非爆法开挖效果见图3。

图3 悬臂掘进机非爆法开挖效果图

4 结论

1) 将悬臂掘进机首次应用于西北地区高速公路大断面黄土隧道施工，现场统计悬臂掘进机最大开挖量达61 m3/h，最大月掘进进尺达102 m，工效显著，开挖断面近乎实现零超挖，验证了悬臂掘进机应用于高速公路大断面黄土隧道施工良好的适应性及先进性。

2) 以悬臂掘进机为主导的大断面黄土隧道软岩成套机械化作业综合经济指标略高于人工钻爆法施工，但从施工安全性、减人化、围岩扰动、超欠挖、喷浆消耗量、初支工序衔接性、单位循环耗时、月进尺等综合指标来评价，悬臂掘进机软岩成套机械化配套优势明显，可通过缩短隧道建设周期获得良好的经济效益。

3) 大断面黄土隧道机械化施工的核心是维持掌子面围岩的稳定和保证施工进度，施工过程重视超前支护措施落实的同时，更要丰富对掌子面稳定性的判释方法和手段，尤其是要密切关注黄土隧道掌子面土体含水量的变化情况，加强掌子面稳定性监控量测，为安全高效施工提供现场依据。

4) 如何选择与地层相适宜的锚杆，并在此基础上将锚杆施工全工艺流程机械化，并做到施工质量有保证，需要业界人士进一步深入研究和创新。

5) 随着大断面黄土隧道机械化的应用，还应借助信息化手段进一步提升隧道施工整体水平，如利用大数据、智能化、5G通信等技术提升隧道施工信息管理系统及平台建设，实现在隧道施工过程中对机械化配套机群原始数据采集分析、远程指导及数字信息化实时管控。