双线高铁隧道全断面机械化施工技术研究

李维雍

（中电建铁路建设投资集团重庆有限公司，重庆 401120）

1 引言

现阶段，我国学者对大断面隧道全断面机械化施工技术的研究已经取得了一定的积极成果。学者刘建国团队[1]以地层情况为软弱围岩条件的苏家岩隧道项目为研究背景，通过理论研究与现场施工实践相结合的方法，确定了一套科学可行的软弱围岩条件下的隧道全断面施工优化方案。该方案指出软弱围岩条件下的隧道全断面机械化施工进尺的安全距离为4.2 m，也就是单次进尺在4.2 m以内，软弱围岩条件下的隧道全断面机械化施工是安全可靠的。学者黄维科团队[2]以龙昌隧道施工项目为研究背景，根据该隧道采用大断面机械施工的实际情况提出了著名的“9+N”隧道大断面机械化施工技术方案。并成功地将“9+N”隧道大断面机械化施工技术方案进行了实际推广。

本文以斗篷山3号隧道工程为研究背景，根据工程施工现场实际情况与现有理论总结了全断面机械化施工技术双线高铁隧道施工中的具体应用。通过对现场施工过程中的实时监控数据对隧道围岩的稳定性进行科学验证分析，验证了全断面机械化施工技术的可靠性。

2 工程概况

斗篷山3号隧道位于贵州省贵定县—都匀东车站区间，设计时速350 km，单洞双线，进口里程DK53+320，出口里程DK58+255，全长4 935 m，其中，Ⅳ级围岩长度4 445 m，占隧道总长的90.1%；Ⅴ级围岩长度406 m，占隧道总长的8.2%，隧道进口为29 m加强型单压式明洞，洞门采用加强型单压式明洞门。隧道出口为55 m路堑式明洞，洞门采用路堑式明洞门。斗篷山隧道属高原侵蚀、剥蚀中低山地貌，最大埋深约330 m。不良地质为顺层、岩堆、危岩落石。隧址区上覆第四系全新统崩坡积层（Q4col）碎石土、块石土，坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土，下伏基岩为泥盆系中统鸡窝寨段、鸡泡段（D2d1+2）石英砂岩夹泥质灰岩、页岩偶夹赤铁矿。

3 双线高铁隧道全断面机械化施工技术

斗篷山3号隧道施工采用全断面机械化施工，施工现场配置三臂凿岩台车1辆，布置了湿喷台车作业线、防水板安装定位台架、钢筋安装定位台架、液压式仰拱栈桥作业线、沟槽滑膜台车作业线、液压式衬砌台车作业线。

3.1 超前地质预报

斗篷山3号隧道开挖过程中大部分采用全断面光面爆破施工，由于光面爆破施工技术对隧道地质情况要求较为严格，为了确保大断面隧道机械化施工作业环境安全可靠，必须对隧道进行光面爆破前进行超前地质预报。斗篷山3号隧道超前地质预报检测采用的TRT6000超前地质预报系统，该系统灵敏性和可靠性均位居世界前列。施工项目部根据隧道现场实际施工情况，制定了切实可行的超前地质预报计划量工作表，为确保隧道全断面机械化施工的顺利进行夯实了基础。

3.2 光面爆破施工

斗篷山3号隧道Ⅳ级围岩长度4 445 m，占隧道总长的90.1%；在隧道整个Ⅳ级围岩区域采用全面断机械化光面爆破施工技术，施工过程中采用北京雷图激光断面检测仪来控制隧道掘进过程中不出现超挖或者欠挖的不利情形。为了顺应施工过程中隧道地质情况的变化，在施工过程中根据现场施工遇到的实际情况对光面钻爆方案进行实时动态调整。隧道大断面机械化施工钻孔采用三臂凿岩台车来实现，隧道周围孔眼成孔采用光面爆破来实现。爆破设计方案如下：根据隧道地质情况特点和整体施工方案要求，光面爆破的炸药种类采用岩石乳化爆破炸药，光面爆破的方法选择微差爆破方法；为有效减小周边眼的起爆时差，周边眼的爆破选择导爆索起爆。根据隧道地质情况特点和整体施工方案要求，光面爆破的炸药种类采用岩石乳化爆破炸药，光面爆破的方法选择微差爆破方法；为有效减小周边眼的起爆时差，周边眼的爆破选择导爆索起爆，光面爆破施工工艺流程，如图1所示。

图1 隧道光面爆破流程图

3.3 初期支护施工

3.3.1 超前管棚施工

隧道洞口处采用超前管棚做支撑，管棚采用钢管制作，钢管直径为89 mm、钢管壁厚5 mm，钢管根数48根，钢管一次非搭接循环长度为12 m，相邻两循环钢管搭接长度为3 m，钢管环向间距为0.4 m。

3.3.2 锚杆施工

隧道初期支护的部位主要是隧道拱部以及隧道边墙部分，该部分支护采用低预应力锚杆支护技术，锚杆采用直径为25 mm的钢筋，锚杆成孔设备采用三臂凿岩台，考虑道成孔直径因留出锚杆施工间隙，再加上地层特点，成孔钻头直径确定为0.05m，利用三臂凿岩台车和现场施工人员接力配合的策略完成现场施工中的锚杆推送环节，锚杆推送环节的工作应该在锚杆钻孔完成并验收通过后立即进行，目的是尽最大可能避免孔内沉渣的增加。三臂凿岩台车依靠其强大的自动控制能力，在锚杆施工环节仅需要1名检查锚杆孔位位置和锚杆倾斜角度的施工人员、2名安装锚杆的施工人员，解放了大量的劳动力，也大大提升了隧道施工作业环境的安全可靠性。

3.3.3 钢架安装

对到初期支护钢架型号采用I20的工字钢，工字钢的纵向间距1.0 m，钢架型号的架设和拼装作业应在隧道开挖首喷5 cm后立即进行。初期支护钢架安装完成后在隧道拱脚处施打锁脚锚管，锁脚锚管的型号应符合设计规范要求。

3.4 防水板和钢筋施工

由于隧道施工作业环境的特殊性，隧道施工中的防水卷材和钢筋施工作业环节具有举足轻重的地位。而该环节在大部分传统隧道施工过程均是大量劳动力配合简易台架进行安装作业，不但施工进度缓慢而且危险系数较高。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，无论是施工作业进度还是施工安全性较传统施工方法均具有显著提高。

3.5 二次衬砌施工

隧道拱墙二次衬砌的钢筋混凝土设计厚度为0.5 m，混凝土型号为C35，钢筋主筋直径为22 mm，钢筋主筋间距为0.2 m，钢筋保护层厚度为0.05 m。二次衬砌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[3]。仰拱施工要求：仰拱开挖严格控制超欠挖，且线性平顺。仰拱设计为钢筋混凝土设计厚度为0.7 m，混凝土型号为C35，钢筋主筋直径为22 mm，钢筋主筋间距为0.2 m，钢筋保护层厚度为0.05 m，采用C20混凝土进行仰拱填充施工。

4 隧道全断面机械化施工现场数据监测

在对隧道施工质量进行实时监控测量过程中，在现场实地测量中较为容易测到的指标是隧道拱顶沉降指标和水平收敛指标，这两个指标也是直接反应隧道是否处于安全状态的最直接的指标[4]。基于此，本文对大断面隧道全断面机械化施工后隧道围岩稳定性评价的基础主要依据隧道拱顶沉降指标、隧道水平收敛指标、初期支护以及围岩压力的监测数据来分析判断。现场监测内容主要为隧道拱顶沉降监测、隧道水平位收敛监测以及初期支护及围岩压力监测，围岩等级为Ⅳ级。

4.1 隧道拱顶沉降量监测

通过对隧道拱顶沉降量的监测数据进行分析可知，隧道拱顶的沉降值在隧道开挖初期处于持续增加状态，在第47 d时隧道拱顶出现最大沉降量为8.28 mm，之后开始趋于稳定，在前47 d内隧道拱顶沉降量虽然有小幅度波动，但是整体处于增加状态，最终拱顶沉降量达到8.57 mm后趋于稳定，Ⅳ级围岩的安全位移是小于50 mm，该拱顶沉降量处于安全位移范畴内。

4.2 隧道水平收敛监测

通过对隧道水平收敛的监测数据进行分析可知，隧道水平收敛值在隧道开挖当天至开挖后的49 d内持续增加，其中最大水平收敛值出现在第49 d，最大水平收敛值为3.98 mm，从第49 d开始，隧道水平收敛值的增长速率开始下降并最终趋于稳定，测得隧道趋于稳定后的水平收敛最大值为4.77 mm，Ⅳ级围岩的安全位移是小于50 mm，该隧道水平收敛数值小于基准值。隧道水平收敛数率从49 d前的大于0.2 mm/d，逐渐变化为49 d后的小于0.2 mm/d，这表明隧道水平收敛数值已基本趋于稳定。

4.3 初期支护与围岩间的压力数值监测

隧道初期支护与围岩间的压力监测采用压力盒进行监测，在实时监测之前需要确定各个测量点的压力盒均处于受力状态。通过监测数据可知，所有的压力盒测试点处的围岩压力在隧道开挖后的28 d内持续增加，但当隧道初期支护后的影响逐渐加强后，各个压力盒处的围岩压力值开始降低并逐渐趋于稳定。当围岩压力趋于稳定后测得压力数值为0.32 MPa，这也是测得的最大围岩压力。

5 结语

本文对斗篷山3号隧道全断面机械化施工经验的总结是基于隧道施工和隧道施工现场实施监测两方面来进行的。斗篷山3号隧道施工大体上实现了大断面机械化配套施工，相比传统的人工钻孔难以保证钻孔角度、精度、深度，超欠挖差异大，围岩光爆效果不佳等不利情况来说，三臂凿岩台车采用自动定位系统和重型铝合金推进梁刚性好，抗弯及抗扭强度高，能够有效保障钻孔角度、精度、深度，成孔质量高，这充分说明全断面机械化施工具有超前的建设施工优势。通过对现场监测数据的分析，特别是对隧道围岩拱顶沉降监测数据、隧道水平收敛监测数据、隧道初期支护以及围岩压力监测数据的分析，可以确定全断面机械化施工后的双线高铁隧道围岩稳定性符合规范设计要求。