超大断面扁平岩质隧道快速开挖支护技术研究

黄 江

（中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230000）

国内高速公路超大断面隧道不断涌现，但针对超大断面隧道开挖支护少有成熟的技术可借鉴，采用一般经验施工存在施工技术与大断面特点不匹配的情况，造成施工进度慢、成本高、安全风险高等问题。通过不断对施工影响因素进行研究，探索一套特大断面隧道快速开挖支护施工技术，实现了快速、安全、高效施工目标。

1 工程概况

京沪高速济南连接线浆水泉隧道全长3 101 m，开挖断面为219.8 m2，扁平率0.675，地质地貌复杂、施工难度大、风险高、工期紧，如果开挖支护技术不合理，工期、成本将无法保证。

2 技术原理

针对超大断面岩质隧道特点，结合上下台阶开挖工法，在采用光面爆破开挖技术的基础上，通过合理配置多功能组合设备型号及数量实现快速开挖出渣为目标。通过人工配合电动摇头吊装器安装拱架，大型湿喷机械手、三臂凿岩台车进行初期支护施工，实现高效施工。

3 操作要点

该技术在上下台阶施工时，上台阶各工序工作量比下台阶工作量大，下台阶采用上台阶配置人员设备紧跟上台阶施工即可，因此在人员机械配置方面重点考虑上台阶施工。

3.1 快速放样

模具拼装放点如图1所示。

图1 模具拼装放点

钻眼前，由2名专业测量人员采用模具放样，模具采用高强度、轻质塑胶板制作，宽6 cm、厚5 cm，分三个单元制作，每单元预留搭接长度10 cm。

（1）采用仪器放样出半边1、2、3、4号点位。

（2）利用制作好模具分段对准1、2、3、4号点位，利用模具上的定位孔标记其他点位。

（3）采用同样方法放出另一侧全部点位，时间为0.5 h。

3.2 钻孔

按照设计炮眼位置设计，加工组合分离式台架，钻眼施工前将台架采用装载机进行快速倒运组合，人员、风钻快速就位，分区进行钻眼，区域内钻眼人员可相互配合，钻眼人员21人，配备21台风钻，钻眼数量201个，钻眼时间为2 h。

钻眼施工布置如图2所示。

图2 钻眼施工布置

3.3 装药爆破

装药人员为原有钻眼人员，按照区域分配，区域内相互配合装药，装药结构、导爆索连接及爆破网络连接按照设计光爆要求进行施工即可，时间为1 h。

3.4 通风降尘

单洞采用1台高速SDF（C）-NO12.5轴流风机单向压入式通风，每次根据掌子面距离确定通风时间，不低于0.5 h。

3.5 出渣

上台阶断面171.4 m2，每循环出渣量约900 m3，为了加快出渣进度，上台采用2台50型侧翻装载机上料，根据洞口距渣场距离为500 m，配置6辆自卸汽车（标准容量18 m3），出渣时间为2.5 h。

3.6 找顶排险

出渣完成后、立架前，先采用1台200型挖机进行排险，台架就位后再进行人工排险，对表面松散石块进行清理，确保施工安全，作业时间为0.5 h。

3.7 初期支护

（1）立架及挂网施工。

每循环平均安装3.5榀拱架，工字钢集中在洞口附件钢筋棚加工好后运至掌子面，由4名施工人员拼装后采用1台五新双臂拱架安装机械手整体安装，随后进行挂网施工，作业施工为1.2 h。

（2）系统锚杆打设。

为了确保系统锚杆以及锁脚锚杆打设角度，采用2人配合1台阿特拉斯三臂凿岩台车，每循环27根系统锚杆和14根锁脚锚杆打设，每根3.5 m深系统锚杆的打设时间为3.5 min，后4人配合1台注浆机进行注浆施工，整体作业时间为1.63 h。

（3）湿喷混凝土施工。

上台阶每循环平均喷射35 m3混凝土，混凝土集中在洞口附件搅拌站加工完毕后，通过2辆罐车运输到掌子面，采用1台大型湿喷机械手（理论方量不低于27 m3）先墙后拱，自下而上，两侧对称进行喷射混凝土，机械手操作人员1名，配合人员1名，作业时间为3 h。

爆破参数如表1所示。

表1 上台阶爆破设计参数

4 施工效益分析

该技术实施中通过不断总结和优化，使其效果得以最大限度发挥。根据现场统计，Ⅲ级围岩进度指标由100 m/月提高至155 m/月，最终隧道提前8个月竣工，取得了良好的经济效益及进度效益。

4.1 凿岩台车与普通风钻开挖施工成本

三臂凿岩台车每台的价格为804万元，按设备折旧摊销10年计算，月摊销设备费6.7万元。

以单月开挖130 m记，三臂凿岩台车机械费用6.7万元，劳务费用3万元，材料消耗40.3万元，合计50万元。

普通风钻机械费用0.34万元，劳务费用17.5万元，材料消耗28.8万元，合计46.64万元。

4.2 湿喷机械手喷射砼与普通喷射机施工成本

湿喷机械手购置成本较高，约190万元，按设备折旧摊销十年计算，月摊销设备费1.6万元，以单月开挖130 m记。

大型湿喷机械手喷射砼机械1.6万元，劳务费用1.8万元，材料消耗102.4万元，合计105.8万元。

小型喷射机械费用0.3万元，劳务费用15万元，材料消耗117万元，合计132.3万元。

4.3 风钻结合湿喷机械手和凿岩台车结合小型湿喷机耗时

通过对本隧道采用的风钻钻爆结合湿喷机械手快速施工法和选用凿岩台车结合小型湿喷机施工法进行每循环耗时对比分析，按每循环进尺3.5 m，3台小型湿喷机和1台大型湿喷机械手，21台手风钻和1台凿岩台车分别对比分析。

快速施工法施工测量放线30 min，钻孔前准备20 min，钻孔100 min，装药爆破60 min，通风降尘30 min，出渣、排险180 min，拱架安装170 min，喷射混凝土240 min，合计耗时830 min。

普通工艺施工施工测量放线40 min，钻孔准备20 min，钻孔70 min，装药爆破90 min，通风降尘30 min，出渣、排险240 min，拱架安装200 min，喷射混凝土390 min，合计耗时1 070 min。

普通风钻相对较经济，但普通风钻在打设系统锚杆及缩脚锚杆时难以保证打设角度，因此系统锚杆及锁脚锚杆采用三臂凿岩台车较合理。采用大型湿喷机械手比小型湿喷机经济，并采用快速施工法每循环开挖支护节约4 h，具有明显的进度优势。

5 结语

以浆水泉隧道为工程背景，通过研究提出一套特大断面隧道快速开挖支护施工技术，该技术在采用光面爆破的基础上，不断对施工影响因素进行研究，达到了施工机械设备型号数量、施工人员数量及开挖支护技术合理配置选择，规避了工序衔接不顺畅、单工序作业耗时长、开挖支护技术不匹配等问题，节约了成本，加快了施工进度，可为后期施工同类型隧道提供借鉴。但施工中需要加强隧道内沉降观测工作，根据变形适当调整施工步距，确保施工安全。