長大隧道獨頭掘進高地應力施工技術(shù)研究

王 偉

(身份證號：130402198512031215；中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

長大隧道獨頭掘進高地應力施工技術(shù)研究

王 偉

(身份證號：130402198512031215；中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

本文首先對長大隧道獨頭掘進高地應力施工中需要主要的問題進行了介紹，然后介紹了長大隧道獨頭掘進高地應力施工技術(shù)。

長大隧道 獨頭掘進 高地應力 施工技術(shù)

1.前言

高速公路上長大隧道是控制工期的重點工程，隧道掘進工序的快慢直接影響著工程的總工期，因此，選擇合適的施工技術(shù)是保障施工進度的前提。

2.工程概況

中鐵十四局集團潮惠高速TJ17標承建的蓮花山2號隧道位于廣東省境內(nèi)，起于汕尾市海豐縣赤石鎮(zhèn)，止于惠州市惠東縣多祝鎮(zhèn)。起訖樁號為左線ZK200+365～ZK205+505，右線K200+337～K205+445。左線長5140米，右線長5108米，隧道雙線全長10248m，為全線控制性工程，隧道最大高差約578m，隧洞洞身段巖體處于高地應力區(qū)，巖體應力水平為中等～高應力水平。

3.長大隧道獨頭掘進高地應力施工中需要主要的問題

3.1 開挖運輸作業(yè)線

3.1.1開挖機械

隧道斷面凈空大，運距長，經(jīng)過詳細論證，認為采用2臺AtlasCopco三臂臺車進行全斷面開挖施工是合理的。該設備采用電力作為動力，由液壓動力機組驅(qū)動，配有先進的電子控制系統(tǒng)；臺車工作高度12m，工作寬度14m，一次可覆蓋面積168m2，鉆孔速度在普通巖層中可達2.5m/min，硬質(zhì)花崗巖中可達2.0m/min，最大鉆深5.24m，在潮濕、多塵的環(huán)境下均可正常工作。項目部采用全斷面光面爆破，現(xiàn)場實際統(tǒng)計平均線性超挖均能控制在10cm以內(nèi)。同時鑿巖臺車兼顧施鉆系統(tǒng)錨桿眼孔的任務，提高了初期支護的施工效率和質(zhì)量。

3.1.2裝碴設備

裝碴機械的選擇應使之能在開挖斷面內(nèi)高效作業(yè)，并和運輸機械相匹配，靈活方便，污染小，維修費用低。隧道運輸有3種方式：無軌運輸、有軌運輸、皮帶運輸。本工程經(jīng)研究決定采用有軌運輸方式。配備數(shù)量N根據(jù)需裝出的石碴數(shù)量V和循環(huán)時間要求的裝碴時間T及現(xiàn)場實際裝載生產(chǎn)率A確定，同時考慮備用量，一般為一臺。N=V/AT+n’。一次爆破循環(huán)的裝碴量V應考慮松散系數(shù)、超挖量。裝載設備的現(xiàn)場實際生產(chǎn)率A除考慮裝碴設備的本身能力外，還應考慮運輸車輛的外運能力。配備數(shù)量還受作業(yè)時工作面尺寸的限制。

蓮花山2號隧道進口用1臺斗容量1m3的PC220-6小松挖掘機進行裝碴，配合3臺梭式搭接有軌運輸?shù)V車，1臺ZLC40B型側(cè)卸式裝載機在棄碴場平整，4～6h可出完廢碴，進行下一個掘進循環(huán)。初襯支撐完后，進行仰拱施工仍然使用該挖掘機裝碴。

3.2 錨噴支護作業(yè)線

3.2.1錨噴機械

錨桿孔采用臺車鉆眼，多功能作業(yè)臺架掛網(wǎng)，擠壓式注漿泵注漿。噴射混凝土采用長沙科達KC30濕噴機械手，該設備可通過操作有線“遙控器”來控制噴射頭進行噴混凝土作業(yè)，噴料速度4～24m3/h，噴射頭上安裝有擺動馬達（可240°擺動）和回轉(zhuǎn)馬達（可360°回轉(zhuǎn)），且機械手的大臂、小臂均能通過液壓驅(qū)動后靈活的轉(zhuǎn)動，噴射范圍較大，施工中噴頭與噴射面之間的角度能夠始終保持在最佳角度。長沙科達KC30濕噴機采用液態(tài)添加劑計量輸送裝置，能夠精確地控制速凝劑用量，噴頭安裝紅外線距離感應器，保證了噴頭到噴射面始終控制在0.8米，有效保證了噴射混凝土質(zhì)量，減少噴射混凝土回彈量，混凝土的施工質(zhì)量也因此得以保證，成本也得以大幅度降低。

3.2.2仰拱施工機械

蓮花山2號隧道進口采用液壓移動仰拱棧橋，主橋38m，支點間跨度23m，一個循環(huán)最大施工長度20m，可橫向移動和縱向移動，施工方便。該棧橋主梁和橋面采用桁架式結(jié)構(gòu)，減少了自重和結(jié)構(gòu)高度，滿足了通行和橋下作業(yè)凈空要求，實現(xiàn)了仰拱全斷面作業(yè)。移動就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移動就位僅需1小時，提高了仰拱混凝土的施工速度。

4.長大隧道獨頭掘進高地應力施工技術(shù)

4.1 提高支護系統(tǒng)剛度與整體受力性能

4.1.1調(diào)整支護參數(shù)，提高支護系統(tǒng)剛度

原設計初期支護采用鋼架型號I16@1.0m（不成環(huán)），鋼架嚴重扭曲，拱部噴射混凝土產(chǎn)生裂縫并大面積掉落，初期支護發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，無法保證施工安全。后調(diào)整到成環(huán)I18@@0.6m，以提高支護剛度和強度，減小圍巖變形。

4.1.2根據(jù)新奧法原理，提高支護體系整體受力能力

隧道大變形支護系統(tǒng)是指支護結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的結(jié)合體,不僅指鋼架、噴混凝土等支護結(jié)構(gòu)本身，還包括錨桿、注漿等方式加強支護結(jié)構(gòu)與周邊圍巖的聯(lián)系，從而使支護結(jié)構(gòu)與圍巖形成整體支護體系，抵抗開挖后地層應力作用。具體措施主要有加強超前預支護（Φ42超前注漿小導管，長度4m）、鋼架間設置雙層連接鋼筋（Φ22螺紋鋼筋，內(nèi)外雙層布置，環(huán)向間距1.0m）、雙層鋼筋網(wǎng)（Φ8雙層鋼筋網(wǎng)）、錨桿采用中空注漿錨桿、初期支護后回填灌漿等。對于施工完畢未施作二襯處，發(fā)生大變形，通過設置套拱和拆換拱架提高支護強度，但對成本和進度有很大影響。

4.2 采用超短臺階法施工，初期支護快速封閉成環(huán)

大變形隧道在滿足施工開挖要求和臺階穩(wěn)定的情況下，盡可能縮短上臺階長度，可以盡快使支護結(jié)構(gòu)形式閉合成環(huán)，控制圍巖變形。

國內(nèi)外著名的大變形隧道工程實踐表明，長錨桿是控制軟巖大變形的重要手段之一。設計改進后，將原來3.5m系統(tǒng)錨桿加長，采用4.5m長，D25中空錨桿，以穿透軟弱圍巖塑性區(qū)，達到對圍巖加固的目的。D25中空錨在施工中要嚴格控制錨桿長度、角度、注漿壓力等工藝。

一方面隨著錨桿長度的增加，長錨桿施工難度大，對工藝要求嚴格，在具體實施過程中有許多技術(shù)要求和要點必須進行控制，否則難以達到預期效果；另一方面從工程造價角度講也是不科學的。因此，長錨桿控制變形是有很大作用的，但是不能一味的采用增加錨桿長度的辦法來控制洞室變形。針對不同的地質(zhì)條件，到底采用多長的系統(tǒng)錨桿才算是合理，既能有效控制大變形，又能達到經(jīng)濟合理是要解決的問題。

4.3 適時進行二次襯砌，是大變形控制的關(guān)鍵

對于大變形圍巖隧道，變形量大，收斂速度慢，遠未達到規(guī)范要求的的收斂變形速率時初期支護就已失穩(wěn)破壞，因此，確定合理的的二次襯砌施作時機對于大變形圍巖隧道至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)場變形檢測規(guī)律分析，蓮花山2號隧道軟巖地段變形速率小于1～2mm/d時，應施作45cm厚的鋼筋混凝土二次襯砌，距離掌子面70～80m左右，可有效控制大變形發(fā)展。這是軟巖大變形控制中“先放后抗”的原側(cè)。

以上措施在現(xiàn)場進行了實踐，根據(jù)監(jiān)控量測反饋的信息，對于變形控制較為有效，但仍需通過現(xiàn)場的不斷總結(jié)優(yōu)化，進一步提高其經(jīng)濟性和高效性。

4.4 監(jiān)控量測與信息化施工

加強現(xiàn)場監(jiān)控量測、重視地質(zhì)超前預報、動態(tài)控制軟弱圍巖大變形是隧道施工中的重要環(huán)節(jié)。蓮花山2號隧道施工過程中，采用TSP203plus地質(zhì)超前預報、地質(zhì)雷達、超前鉆孔等多種手段進行了綜合超前地質(zhì)預報，起到了及時掌握掌子面前方地質(zhì)情況，為提供相應的應對控制措施提供了依據(jù)。施工過程中對隧道拱頂下沉，周邊收斂進行連續(xù)監(jiān)控量測與數(shù)據(jù)分析，對圍巖壓力、鋼架應力、二次襯砌接觸壓力和混凝土應力等項目進行了系統(tǒng)的監(jiān)控量測，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過及時調(diào)整支護參數(shù)、預留變形量等，在保證預留得到有效控制的同時，避免或減小換拱對施工造成的不利影響，并指導下一步施工，達到信息化施工、動態(tài)控制的目的。

5.結(jié)束語

隨著我國鐵路、公路等基礎設施的不斷發(fā)展，長大隧道也越來越多。而長大隧道的施工質(zhì)量直接影響著工程的質(zhì)量，因此對于長大隧道的施工必須選擇科學合理的施工技術(shù)。

[1]陳炳祥,易國華. 長大隧道快速施工管理技術(shù)應用研究[J]. 鐵道工程學報, 2010, (03) .

[2]趙忠保. 青云山隧道施工方案研究[J]. 鐵道建筑, 2010, (03).

[3]王進志. 長大斜井快速施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2011, (02).

G322

B

1007-6344（2015）05-0298-01