機械化快速施工技術在曼木樹隧道出口中的應用

牛瑞強，吳世友

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連116011；2.遼寧地礦井巷建筑工程有限責任公司，遼寧 朝陽122000）

1 工程概況

新建玉磨鐵路（玉溪—磨憨）作為泛亞鐵路中線中國境內部分，起于云南省玉溪市，途經普洱市、景洪市，止于磨憨口岸。曼木樹隧道出口工作區位于梭羅河—關累區間，為時速160 km/h 單線隧道（洞口70 m 為雙線車站），工作區起止里程DK431+574～DK429+600。隧道出口段右側存在順層偏壓；隧道出口右側路塹邊坡存在順層問題。DK430+265～DK430+500段洞身穿越侏羅系中統和平鄉組（J2h）頁巖夾泥巖、砂巖、炭質頁巖、炭質板巖[1]。

地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。第四系孔隙潛水不甚發育，水量較小，僅碎石中含量豐富；下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水發育；和平鄉組（J2h）有泥灰巖夾層，巖溶弱發育，巖溶裂隙發育巖溶水；地下水主要由大氣降水及地表水補給。圍巖遇水易軟化崩解現象較常見。隧道開挖后，拱頂易掉塊，掌子面圍巖易發生正面擠出或溜塌，側壁有時失去穩定。完成初期支護后，沉降及收斂變形較大，且變形持續時間長。

2 設備選型及參數

除采用傳統開挖、運輸設備挖掘機、側卸裝載機、自卸汽車外，考慮到曼木樹隧道圍巖較差，變形較大，為滿足隧道的施工安全性、減少危險工作面的工作人員、提高施工效率、達到圍巖“快封閉”的目的等方面要求，本工程采用了機械化程度較高的設備（見表1），分述如下：

1）三臂鑿巖臺車的采用，實現了管棚鉆孔和爆破鉆孔一體化，加強了預支護強度。同時，由于智能化程度高，管棚孔和爆破孔精度高，實現了預支護和開挖斷面的有效結合，并大大提升了施工速度，降低了人力成本。

2）多功能臺車可以在危險面下作業，明顯降低了人員操作的危險性，解放了體力勞動，工作效率明顯提升。

3）錨桿臺車完全解決了系統錨桿和鎖腳錨管的鉆孔角度和鉆孔精度的問題，解決了初期支護系統性和整體性，有效提升了初期支護的可靠性。

4）濕噴車采用濕噴工藝，降低了勞動強度，改善了作業環境，提高了質量，大大縮短了工序時間。

5）自行式仰拱棧橋能夠實現仰拱開挖和仰拱襯砌平行作業的問題，縮短了工序時間，解決了仰拱填充的養護問題。

6）防水板鋼筋臺車、智能襯砌臺車、電纜溝槽臺車對隧道施工進度沒有直接影響，但涉及隧道快封閉和工程安全，與開挖段的機械化形成有機結合，實現了安全、高效的作業線[2]。

表1 設備選型及功能

3 施工流程

為了實現快速施工、提高專有選型機械設備的利用效率、保證設計和規范要求以及達到預期目標，確定施工流程及配套機械設備如下（括號中為配套設備）[3]：

超前支護（三臂鑿巖臺車）→開挖爆破（三臂鑿巖臺車）→出渣運輸（挖掘機、裝載機、自卸車）→拱架安裝（拱架臺車）→網片鋪設、安裝（拱架臺車）→系統錨桿、鎖腳錨管（錨桿臺車）→噴射混凝土（濕噴車）→仰拱施工（自行式仰拱棧橋）→防水板鋪設、鋼筋安裝（防水板、鋼筋臺車）→二次襯砌（智能化二襯臺車）→電纜溝槽（電纜溝槽臺車）。

4 工序時間及工效對比

機械化配套施工采用全斷面法或微臺階法開挖，Ⅳ級、V 級圍巖管棚施工時，每進尺15 m、12 m（管棚長20 m、15 m，搭接5 m、3 m）施作一次，工效分析時，折算到每循環進尺里。常規工法施工采取正臺階法，開挖設備采用常規氣腿式鑿巖機鉆爆破孔、超前小導管孔、錨桿孔和鎖腳錨管孔，挖掘機、裝載機、自卸車清底出渣，普通小型濕噴機噴護。

根據2 種方法在不同圍巖中的應用，采用機械化施工時，IV 級圍巖循環進尺4.8 m，V 級圍巖循環進尺2.4 m，而采用常規施工方法是，IV 級圍巖循環進尺2.4 m，V 級圍巖循環進尺1.2 m（圍巖非常差時0.6 m）。

經折算后，根據實際施工各工序用時，Ⅳ級圍巖循環時間由2 370 min 減少到1 680 min，V 級圍巖循環時間由1 610 min減少到1 010 min。以Ⅳ級圍巖為例，施工工序時間對比如表2所示。

表2 Ⅳ級圍巖機械化施工工序時間表

Ⅳ級圍巖機械化施工工效提高（2 370-1 680）÷2 370×100%=29.11%。

通過比較可知，采用機械化施工，隧道開挖和初期支護工效明顯提高，為快速開挖和初期支護封閉奠定了基礎，有利于控制圍巖變現。同時，由于開挖和初期支護階段提高了施工速度，為后面的仰拱施工和二次襯砌施工快速跟進提供了有利條件。采用自行式仰拱棧橋、半自動防水板鋼筋臺車和智能襯砌臺車，也可以形成作業時間和進度上的配套。通過與同標段其他相似圍巖隧道統計對比，曼木樹隧道采用機械化施工月進尺有大幅提高，Ⅳ級圍巖達到122 m/月（常規施工81 m/月），Ⅴ級圍巖機達到75 m/月（常規施工55 m/月）[4]。

5 需解決的重點問題

1）采用機械化配套施工后，通過全斷面開挖及一次封閉成環使安全得到了保證。因大型設備在原設計安全步距下難以施展、制約較多，所有工裝設備(輪胎式)施工完畢后均開出洞外或者輔助坑道處，仰拱棧橋有效搭接長度按照25 m算，設備錯車區30 m、共計55 m（考慮出渣及錯車的空間），設備作業區按25 m 計算，因此，仰拱安全步距調整為80 m，二襯臺車長12 m，自行式防水板鋪掛臺車6 m，考慮到出渣車上棧橋的距離7 m 及設備安全距離5 m，結合TB 10304—2018《鐵路 隧道工程施工安全技術規程》相關要求，針對本線實際情況，根據《滇南鐵路建設指揮部關于印發<玉磨鐵路隧道施工步距及施工工法指導意見試行的通知>》（滇南指工〔2018〕148號）的要求，調整Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱安全步距到70 m，二襯安全步距110 m。

2）按隧道的設計斷面尺寸完成錯車段設計，鑿巖臺車、拱架臺車等大型設備需要退出到洞外。因此，開挖距離超過150 m后，快速施工會受到一定程度影響。鑒于此，施工過程中，采取分段設置避車洞和停車帶。曼木樹隧道采取每隔300 m 設置1 個避車洞，與停車帶設置在同一洞段。該洞段二次襯砌暫時不施工，長度預留36 m，中部一側設置避車洞。如圖1 所示。

圖1 錯車段設置圖

6 取得的成果

通過總結機械化配套施工參數，形成了一套完整的隧道機械化施工管理模式，發揮機械化配套施工優勢，達到工管中心工效指標（Ⅴ級圍巖45 m/月、Ⅳ級圍巖65 m/月、Ⅲ級圍巖100 m/月），并取得了以下成果：

1）達到了快速施工的預期目的。通過對機械設備的合理組合選型、采用有效的技術方案和措施，并進行科學的組織和管理，IV 級、V 級圍巖的進尺分別達到了122 m/月和75 m/月，與常規施工方法相比，月進尺分別提高了41 m 和20 m。

2）施工安全性大大提升。開挖掌子面每循環都有強大的預支護（管棚），圍巖坍塌和失穩現象極少發生，可以實現快速封閉。從開挖到形成初期支護，IV 級、V 級圍巖每循環時間分別減少330 min 和420 min。

3）提升了管理水平。熟練掌握機械化配套設備的性能及使用，結合機械化施工的特點，優化工序銜接，合理組織施工，發揮機械化施工安全、高質、高效的特點。為配套的機械化設備配備專職人員和材料，既滿足快速施工要求，又不至于浪費資源。根據隧道機械化施工特點，對施工工藝參數、工效指標、工序銜接、配置標準及成本測算等方面進行總結并形成系統性成果推廣。