刘 光

(中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

随着国内高速公路网快速完善，超大断面公路隧道不断涌现。超大断面隧道的施工中，由于受到构造应力及施工开挖方式的因素的影响，隧道失稳的可能性较大，普遍认为硬质岩的稳定性要好于软弱围岩的，因此当前大量的研究主要集中在软弱围岩方面[1,2]。但目前针对超大断面隧道开挖支护很少有成熟的技术可借鉴，一般的施工方法均为钻爆分部开挖台阶法，初支紧跟掌子面，在爆破方面存在光面爆破施工工艺落后，不能发挥光面爆破的优势；在支护方面主要采取紧跟掌子面施工，造成钻孔外插角过大，形成超挖量过大，补喷、运渣量增大，工序时间延长；另在机械设备、人员配置方面基本延续传统小型机械设备配合人工作业，施工工效低，与大断面隧道特点不匹配，造成施工进度慢、成本高、安全风险高等问题，针对此情况，通过在施工中不断地对施工影响因素进行研究，探索出了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 依托工程

浆水泉特长隧道为京沪高速济南连接线工程的控制工程，设计为双向八车道，左线长3 101 m；隧道右线长3 085.4 m。隧址区出露地层为奥陶系和寒武系灰岩、白云质灰岩及生物碎屑灰岩，局部沟谷地段上覆上更新统粉质黏土。受区域地质构造活动影响，隧址区局部节理密集带或构造断裂带。浆水泉隧道整个洞身范围内Ⅲ级围岩占48%，Ⅳ级围岩占37.5%，Ⅴ级围岩占14.5%。Ⅲ级围岩采用台阶法开挖，Ⅳ级Ⅴ级围岩使用分部开挖。Ⅲ级围岩段的衬砌断面如图1所示。

图1 Ⅲ级围岩衬砌及开挖方法图

在设计中，开挖方法采用台阶法，要求“随爆随支”，也就是爆破一环支护一环，初期支护要紧跟掌子面，从现场的操作情况来看，支护完成后再进行下一循环的钻眼工序中，特别是周边眼的精度将会受到初期支护的较大影响，如图2所示。

图2 周边眼施工示意图

从图2中可以看出，由于初期支护有一定的厚度，而钻孔作业也需要一定的操作空间，且钻杆需要一定的外插角，这就会造成一个循环范围内，开挖线在纵向上就有一定的欠挖和超挖，为了减少欠挖，那么超挖量就较大。

2 岩质隧道快速开挖技术

2.1 技术原理

针对超大断面岩质隧道特点，充分利用新奥法原理，发挥围岩的自稳性，调整支护时机，减小钻机外插角，减少超挖量，减少喷射混凝土量，加快出渣、喷射混凝土速度，同时对光面爆破施工工艺进行改进，在快速放样、打眼、装药及连续等方面采用辅助措施加快爆破工序施工速度，另通过合理配置机械设备型号、数量，人员数量、工种实现资源最优配置，最终实现超大断面隧道快速施工。

2.2 支护时机的选择

根据浆水泉隧道的实际情况，采用FLAC3D模拟浆水泉隧道Ⅲ级围岩测试断面，通过表1和如图3所示的不同支护时机的工况计算，得出测试断面初期支护结构内力随时间和掌子面变化规律，以及二次衬砌安全系数的分布情况。计算的材料参数见表2。

表1 数值模拟计算工况选择

表2 数值模拟的材料参数表

图3 F-1～F-3工况计算模型

通过对三种工况的计算，得到了如图4所示的初期支护竖向及水平向的最大应力值(均为受压)，可见随着支护时间越晚，初期支护的应力是越来越小的，且整体上都未超过初期支护的强度设计值，结构是安全的。

图4 初期支护最大应力规律图

提取二次衬砌拱顶和边墙部位的应力情况，可以通过文献[3]中的相关条文计算得到其安全系数的情况，如图5所示。从图5中也可以看出，初期支护的时间越晚，二次衬砌结构的安全系数是在逐渐增加的。

图5 二次衬砌拱顶和边墙的安全系数图

从计算的结果可以看出，支护时间越晚，初期支护受到的力越小，二次衬砌的安全系数也越高，这是符合围岩特征曲线法的相关规律的。然而在实际施工过程中，由于施工会对未支护围岩产生扰动，为预防掉块和保证施工的安全，因此在施工过程中推荐采用“两掘一支”。

2.3 光面爆破施工工艺

操作要点:

(1)快速放样。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，具体如图6所示。第一步：采用仪器放样一侧1、2、3、4号点位；第二步：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；第三步：采用同样的方法放出另一侧全部点位。放样时间为0.5 h。

图6 模具拼装放点图

(2)钻孔。按照设计炮眼位置采用三臂凿岩台车进行钻眼，钻眼深度按照爆破设计参数进行，平均单个眼钻眼时间为90 s，三臂同时施工，钻眼数量为201个，钻眼时间约为2 h。

(3)装药爆破。装药人员按照区域分配，区域内相互配合装药，周边眼装药结构采用不耦合间隔装药，一般市场上普遍采用的直径为32 mm、长300 mm成品药卷，每卷0.3 kg,周边眼装药前，将药卷均匀切割成4段,再按照线性装药密度进行均匀间隔装药，小药卷之间采用导爆索连接即可，不采用竹片连接，可有效减少工作量，节约成本，最底端药卷导爆索反插绑扎即可，周边眼导爆索之间连接采用导爆索“T”型连接，其他爆破孔采用集中装药，导爆管起爆，爆破网络连接按照设计段别要求连接即可，时间为1 h，爆破设计如图7、图8所示，周边眼装药结构如图9所示，导爆索之间连接如图10所示，爆破参数见表3、表4。

图7 上台阶炮眼布置图

图8 下台阶炮眼布置图

图9 周边眼间隔装药示意图

图10 “T”形连接示意图

表3 上台阶爆破设计参数表

表4 下台阶光面爆破参数表炮孔

按照设计参数爆破后，能够实现在中硬岩开挖中以较小单耗药量确保爆破残眼率能达到95%以上，且表面光滑平整，无过剩爆能损伤围岩产生裂缝情况，现场爆破效果如图11所示。

图11 拱部开挖后的炮眼图

2.4 初期支护施作

2.4.1 立架及挂网施工

首次开挖两循环支护一次，后开挖一循环支护一循环，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名施工人员拼装完毕后采用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。

2.4.2 系统锚杆打设

为了确保系统锚杆及缩脚锚杆打设角度，采用2人配合1台三臂凿岩台车进行每循环27根系统锚杆和14根缩脚锚杆打设，每根3.5 m深系统锚杆打设时间为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。

2.4.3 湿喷混凝土施工

上台阶每循环平均喷射35 m3混凝土，混凝土集中在洞口搅拌站加工，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30 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。

2.5 资源配置

2.5.1 劳动力组织

该技术单洞施工作业所需作业人员配置见表5。

表5 劳动力组织表

2.5.2 主要设备配置

该工法单洞施工中设备主要材料见表6。

表6 主要机械设备计划表

3 施工效益分析

该技术在施工进度和成本方面有较大优势。根据现场统计，Ⅲ级围岩进度指标由原来100 m/月提高到155 m/月，最终隧道提前8个月竣工，取得良好进度效益及经济效益，具体从三个方面比较如下：一是凿岩台车与普通风钻开挖施工成本对比。三臂凿岩台车单台价格为804万，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计，经统计采用凿岩台车费用为50万元，普通风钻为46.6万元，明显凿岩台车费用较小；二是大型湿喷机械手喷射混凝土与普通喷射机施工成本对比。大型湿喷机械手购置成本较高，约为190.0万元，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130.0 m计，经统计大型湿喷机械手成本为105.8万元，小型喷射机成本为132.3万元,前者明显费用小；三是通过对本隧道采用的凿岩台车钻爆结合湿喷机械手快速施工法和选用风钻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,1台大型湿喷机械手和3台小型湿喷机，1台凿岩台车和21台手风钻分别对比分析，经统计采用大型凿岩台车结合大型湿喷机械手每循。

4 结 论

以浆水泉隧道为工程背景，通过研究， 提出了一套特大断面隧道快速开挖支护施工技术,该技术在充分利用新奥法原理基础上，通过“两掘一支”进行开挖支护时机选择，实现减小外插角，减少超挖量，加快喷射速度，在保证安全的情况下加快了施工速度，说明支护时机是可以滞后的。同时滞后的距离受围岩自身稳定性和扰动影响较直接，在围岩条件一定情况下，采用较好光面爆破工艺减少围岩损伤范围是非常有必要的；另在施工中通过合理配置机械设备型号、数量，人员数量、工种等资源也是对隧道施工速度影响的关键因素之一。