基于全断面机械化施工的双线高铁隧道施工技术研究

李赵九 （中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

近年来，技术经济的日益发展，隧道建设对质量的要求愈发提高。随着对于隧道工程建设的进一步深入研究及相应施工工艺的提高，一定程度上改善了工程作业条件及环境，施工进度得到了进一步加快，使得隧道施工技术得到了不断的发展。基于全电脑三臂凿岩台车的超大断面隧道机械化配套施工方法，在日后隧道建设中的作用将越发重要。全断面机械化配套施工技术以“机械化配套施工”为技术核心，采用凿岩台车，湿喷台车、液压式仰拱栈桥、防水板及钢筋安装定位台架、液压式衬砌台车、沟槽滑膜台车、衬砌养护台车等六条机械化的作业线，通过超前地质预报及监控量测结果的综合分析，对其开挖工法与支护参数可以进行动态的调整；机械化施工不仅能够提升工程质量、满足工程要求，而且能够节省劳动力、节约施工成本，与以往的施工技术相比，具有明显的优势。

日前，对于超大断面隧道全断面施工的研究，相关学者已取得一些成果。刘建国以苏家岩隧道为工程背景，通过现场实践，总结出软弱围岩条件下全断面机械化施工方案，并对其进行一定的优化，提出全断面开挖进尺可采用4.2m，能够保证施工安全。黄维科等以龙昌隧道采用大断面法施工为例，总结提出“9+N”大断面机械化施工技术，并成功应用于实际工程，具有一定的推广价值。郑静等以乐天山隧道IV级围岩为依托工程，通过现场试验测试分析，对大断面隧道全断面开挖技术进行研究，得出安全快速的施工方法。

本文依托黄黄铁路3标刘元隧道工程，依据工程实际应用情况，总结出基于全断面机械化施工的双线高铁隧道快速施工技术，并通过现场监测数据进行围岩稳定性分析，验证该施工技术的可行性。

1 工程概况

黄（冈）黄（梅）铁路HHZQ-3标项目经理部二分部，位移湖北省武穴市境内。隧道共6座，总长度3233.42m，其中刘元隧道为双线高铁隧道，如图1所示，全长763.46m，进出口分界里程分别为 DK89+505、DK90+268.46。隧道埋深最大为89m，开挖跨度14.7m，断面面积约145m。隧道开挖采用基于三臂凿岩台车的机械化配套施工，主要采用全断面施工，围岩级别为III、IV、V级，各级围岩占比情况如表1所示。

图1 刘元隧道现场图

刘元隧道各级围岩占比情况 表1

其中，在IV级围岩段落内，隧道开挖采用全断面法机械化施工，开挖断面示意图如图2所示，相应的支护参数见表2。

图2 隧道全断面开挖断面示意图（单位：m）

隧道支护参数表（单位：m） 表2

2 双线高铁隧道全断面机械化施工技术

刘元隧道施工采用全断面机械化施工，配置凿岩台车，湿喷台车、液压式仰拱栈桥、防水板及钢筋安装定位台架、液压式衬砌台车、沟槽滑膜台车、衬砌养护台车等六条机械化的作业线。针对本工程机械化施工的特点，总结出基于全断面机械化施工的双线高铁隧道全套施工技术。

2.1 超前地质预报

为保证超大断面隧道机械化施工的安全性，当隧道开挖采用全断面光面爆破施工时，应将超前地质预报工作列入隧道施工中必不可少的环节。本工程施工里程段落超前地质预报TSP检测采用TSP 303Plus超前地质预报系统，如图3所示。

图3 TSP 303Plus超前地质预报系统

结合本隧道工程现场实际情况，制定超前地质预报工作计划表，见表3。

刘元隧道超前地质预报工作量表（单位：m） 表3

2.2 光面爆破施工

本工程在IV级围岩段落，采用全断面机械化光面爆破施工，为控制隧道超欠挖情况，采用激光断面仪，在施工过程中随时调整钻爆方案。全断面施工利用三臂凿岩台车钻孔，周边眼采用光面爆破，现场施作情况如图4所示。

图4 三臂凿岩台车全断面现场施作图

2.2.1 全断面机械化开挖爆破设计

本工程光面爆破选用2号岩石乳化爆破炸药，采用微差方式进行爆破，周边眼均采用导爆索起爆，以达到减小起爆时差的效果。炮眼布置图如图5所示，爆破参数见表4。

图5 全断面机械化施工炮眼布置图

全断面机械化施工爆破参数表 表4

隧道允许超挖值（单位：cm） 表5

2.2.2 爆破作业施工工艺

施工工艺流程按图6所示进行施工。

图6 爆破工艺流程图

2.3 初期支护施工

2.3.1 超前管棚施工

洞内管棚采用φ89×5mm钢管，一循环长10m，搭接3m，环向间距40cm，共45根。管棚布置图如图9所示。管棚采用三臂凿岩台车进行钻孔，孔深及孔径应达到设计要求。管棚现场施作如图10所示。

图7 全断面光面爆破图

图8 全断面光面爆破效果图

图9 管棚布置示意图

图10 管棚现场施作图

2.3.2 锚杆施工

隧道初期支护拱部及边墙采用φ25低预应力锚杆，锚杆采用三臂凿岩台车进行钻孔，钻头直径50mm，杆体推送工作采用三臂凿岩台车结合人工配合的方式完成，应在钻孔后立即开始。凿岩台车配备工作人员3～4名，其中2名施工人员安装锚杆，1名检查钻孔位置及方向，并通过风炮施加锁紧力。锚杆现场施作如图11所示。

图11 三臂凿岩台车锚杆钻孔施工

2.3.3 钢架安装

初支钢架型号采用I18，纵向间距1.0m，在开挖初喷4cm后架设、拼装。钢架安装完成后在拱脚处打好锁脚锚管，每侧拱脚锁脚锚管为2φ50L=5m。钢架现场安装如图12所示。

图12 钢架现场安装图

2.4 防水板施工

防水卷材施工和钢筋作业是隧道施工中的关键环节，目前国内隧道施工中多使用人工配合简易台架进行安装，机械化程度较低。本工程现场施工采用铁路隧道大断面钢筋挂布防水板一体台车，相较于一般的简易焊接台架更加安全、方便、快捷，应用优势明显。

图13 钢筋挂布防水板一体台车

2.5 二次衬砌施工

2.5.1 拱墙二衬作业

隧道拱墙二次衬砌采用45cm厚的C35钢筋混凝土，主筋为φ22钢筋，间距20cm，钢架净保护层5cm。采用自动布料衬砌台车浇筑衬砌，自动布料分层逐仓浇筑系统主要由布料小车、管路系统、伸缩旋转装置、对位装置等组成。二次衬砌现场浇筑如图14所示。

图14 二次衬砌现场浇筑图

2.5.2 仰拱及填充施工

隧道仰拱施工采用自行式液压仰拱栈桥，如图15所示。仰拱施工要求：仰拱开挖严格控制超欠挖，且线性平顺。仰拱采用C35钢筋混凝土厚65cm，主筋采用φ22钢筋间距20cm，钢筋净保护层50mm，采用C20混凝土进行仰拱填充施工。

图15 自行式液压仰拱栈桥

3 全断面机械化施工现场监测

隧道施工监控量测时，拱顶沉降及水平收敛指标便于现场量测，同时也是隧道安全与否的直观反映。因此，本文通过对双线高铁隧道全断面机械化施工DK90+140里程段拱顶沉降、水平收敛、初支及围岩间压力等进行现场监测，分析隧道围岩的变形特征，进而评价围岩的稳定性。

3.1 监测内容

刘元隧道现场采用全断面机械化施工，DK90+140里程段为IV级围岩，埋深20m，确定现场监测内容见表6，位移管理等级见表7。

现场监测项目表 表6

位移管理等级（单位：mm） 表7

3.2 拱顶沉降监测

DK90+140里程段拱顶沉降测试结果见图16。

图16 拱顶沉降时程曲线

由图16可知，自隧道监测工作开始之日起，受隧道的开挖条件影响，拱顶沉降值在0～45d内持续增长，并且伴随着小幅的波动，最大沉降值为8.35mm，前45d累计沉降量占总沉降量的90.70%，第45d后沉降值开始增长缓慢，并趋于稳定，最终沉降值达到了8.60mm，小于IV级围岩位移控制基准。拱顶沉降速率在前45d内波动比较大，45d后的沉降速率均小于0.15mm/d，拱顶沉降值达到稳定。

3.3 水平收敛监测

DK90+140里程段水平收敛测试结果见图17。

图17 水平收敛时程曲线

由图17可知，自隧道监测工作开始之日起，受隧道的开挖影响，水平收敛值在0～50d内迅速地增长，之后伴随小幅波动，最大收敛值为4.00mm，前50d累计收敛量占总量的83.33%，第50d后收敛值增长缓慢，并趋于稳定，最终水平收敛值为4.80mm，小于IV级围岩位移控制基准。水平收敛速率在0～45d内波动较大，变形的速率均大于0.2mm/d，45d后收敛速率基本稳定，且均小于0.2mm/d，水平收敛值达到稳定。

3.4 初支与围岩间压力监测

DK90+140里程段初期支护与围岩间压力采用压力盒量测，监测结果见图18。

图18 初支与围岩间压力时程曲线

由图18可知，各测点初支与围岩间的压力盒均为受压状态，各测点处围岩压力值在0～27d内增长较快，随着初支逐渐发挥作用，27d后各测点围岩压力的变化趋于稳定。稳定后拱顶处受到的围岩压力最大，值为0.344MPa，左拱腰处次之，值为0.132MPa，其余测点围岩压力相差不大，分别为左边墙0.029 MPa，右边墙 0.017 MPa，右拱腰 0.013 MPa。

4 结语

本文从双线高铁隧道全断面机械化施工技术、现场监测两方面总结了黄黄铁路刘元隧道全断面机械化建设的经验，该工程的建设基本实现了全断面、全工序机械化配套施工，相比传统工程施工已具备一定的建设优势。经现场监测数据分析，验证了机械化施工条件下隧道围岩的稳定性，确保了工程施工安全，对今后隧道全断面机械化的建设提供借鉴。