軟巖大跨度特長隧道快速施工中的機械化配套技術研究

王學軍（中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原030000）

1 引言

軟巖大跨度特長隧道快速施工中的機械化配套技術是一項重要的研究課題。技術裝備能力是企業展示自己的重要手段，同時，也是企業對外形象的體現。在特長隧道施工中，應結合隧道地質條件，合理配置機械設備，以滿足施工需要；使施工機械與施工條件、施工工藝相配套；根據地質及工期要求，進行比選，確定切合實際的機械化配套技術方案。同時，應充分考慮各工序間施工機械的配合及人的協調工作能力及企業的發展戰略要求。

2 工程概況

大理大南高速深長村隧道位于大理州下關鎮與巍山縣交界位置，穿大理市下關鎮與巍山縣交界的者摩山，有國道和施工便道通往隧址區進出口附近，交通條件一般。隧道設計為分離式雙向6車道，隧道全長右幅5 440 m（左幅5 460 m），最大埋深582.34 m，隧道凈空（寬×高）為1 400 cm×400 cm。隧道左幅Ⅴ級圍巖1 770 m，占比32.4%；Ⅳ級圍巖3 690 m，占比67.6%；隧道右幅Ⅴ級圍巖1 745 m，占比32.2%；Ⅳ級圍巖3 680 m，占比67.8%。本隧道為3車道大跨度隧道，拱頂矢跨比僅為0.21，自身受力結構差。隧道地質條件復雜，不良地質較多，存在穿越斷層破碎帶、軟巖大變形、高地應力、滑坡、基底承載力不足、涌水等問題。巖體破碎，主要為強風化泥質砂巖，沉降變形量大，施工組織難度大，資源要素投入大。施工過程中，應根據特長隧道的特點合理地進行機械設備配置，加強現場施工的組織安排，最大限度地利用和發揮機械設備工作效率高的特點，隧道快速施工貫通，以確保總工期目標實現[1]。

3 軟巖大跨度特長隧道快速施工中的機械化配套技術及施工組織管理

機械化配套技術可以提高隧道各施工工序的工效，使施工效率得到大幅度提升，實現對隧道工程施工中的突發安全事故起到預防作用，減少了隧道施工中不確定危險源對人身造成的傷害，有利于隧道施工中的安全防范與安全管理，實現施工質量管理從管理人員操作到直接管理機械設備操作的過渡[2]。機械化施工還減少了洞內施工人員的數量，降低了作業人員的勞動強度，有效保護從業人員的職業健康。

3.1 超前水平鉆探測指導施工

為了進一步探明隧道開挖工作面前方的不良地質構造，指導現場施工的順利進行，并且根據相關要求，采用意大利卡薩C6-2全液壓鉆機在掌子面進行鉆孔。卡薩C6-2全液壓鉆機配備有超前地質探測分析系統，其鉆孔最大深度為150 m。利用超前水平鉆可以有效降低地質災害發生的概率和危害程度，為工程設計優化提供地質資料。

3.2 技術要求

1）在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、重大物探異常區等地質條件復雜地段必須采用超前地質鉆探法；

2）超前取芯鉆較為耗時，預報時應以超前沖擊鉆為主，二者應合理搭配使用。取芯鉆一般需在精確判定圍巖物理力學性質及分布的情況下進行，如含煤巖層取芯、溶洞及斷層破碎帶物質成分的鑒定、巖土強度試驗取芯等。

3.3 鉆孔布置

除以下一般技術原則外，鉆孔布置還需結合項目部要求、勘察資料及物探預報結果進行最終確定。（1）孔數。為較全面地揭示掌子面前方圍巖情況，每循環一般布置3~5個孔，呈正立三角或沿隧道輪廓線呈弧形排列。（2）對于用其他方法預測出的含不良地質體的區域，應適當布置鉆孔。（3）斷層、節理密集帶或其他破碎富水地層等位置、規模等明確時，每循環可只鉆1孔；相反則應加密鉆孔，以確定以上不良體發育情況。（4）富水巖溶發育區每循環可適當增加孔數，以揭示巖溶發育程度，以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則。

3.4 孔深

鉆孔深度的控制，應遵循以下原則：（1）進行連續鉆探時，一般每循環可鉆30~50 m；遇重大危巖段可實施中、長距離鉆探（50~150 m）；連續預報時鉆進里程應重疊5~10 m；（2）不同地段不同目的的鉆孔應采用不同的鉆孔深度，如以排水為主可適當縮減鉆深；（3）鉆探過程中應進行動態控制和管理，根據鉆孔情況可適時調整鉆孔深度，以達到預報目的為原則[3]。

3.5 孔徑

鉆孔直徑的控制，應遵循以下原則：（1）鉆孔直徑應綜合考慮效率及預報精度選取；一般采用φ65 mm鉆頭；若采用空壓機進行排渣，則應考慮更換為φ90 mm鉆頭；（2）遇富水地層，應適當加大孔徑；（3）若進行超前取芯鉆，則需滿足鉆探取芯、取樣和孔內測試的孔徑要求，且應符合相關勘察規范的規定。

3.6 角度

鉆探角度的控制，應遵循以下原則：（1）無特殊要求則鉆孔方向為水平向前且左右無偏轉；（2）對于深長鉆孔（＞50 m），考慮鉆桿自重及動力衰減，應適當向上調整角度；（3）富水地區超前鉆探應終孔于隧道開挖輪廓線以外5~10 m；偏轉角度為15°~45°。

3.7 排渣

排渣過程中，應注意以下要點：（1）無特殊情況時，應采用循環水排渣，以保證鉆孔效率及預報精度并減小鉆具損耗；（2）若巖層為遇水軟化巖層如膨脹土層、泥質巖層等，則應調低循環水壓或改為用空壓機排渣，實施干鉆；（3）若巖層中含易燃易爆氣體，如瓦斯、天然氣等，則應采用水循環排渣，嚴禁干鉆。

根據超前水平鉆芯取樣情況綜合分析，根據圍巖的巖性鉆探數據（鉆進速度、推進力、扭矩、旋轉速度）進行分析，結合深長村隧道勘察設計資料、鉆孔排渣、排水情況及掌子面地質觀測的信息，綜合分析，推測前方的地質情況及富水情況，預測前方圍巖級別是否與設計相符，指導后續施工。

3.8 監控量測

深長村隧道圍巖以粉砂質泥巖為主，裂隙較發育，沉降量大，根據設計預留變形量很容易導致初支侵限，根據深長村隧道的沉降變形情況，分析數據，合理預留變形量，最大段落預留量達到150 mm，沉降量達到約130 mm。

拱頂下沉點與周邊收斂測點布設在同一斷面內，分別在拱頂及兩側拱腰附近布設7個測點。根據拱頂下沉速率-時間曲線圖及下沉位移-時間曲線圖，綜合分析，對后續施工預留變形量的具體數值進行調整，并對初支參數進行調整，并且確定襯砌施工時間，根據不同的情況做出相應的調整，對于大變形段落，仰拱、襯砌及時跟進，早日閉合成環。確保安全快速的通過該段落。

3.9 濕噴機械手

隧道噴射混凝土采用濕噴機，通過操作有線“遙控器”來控制噴射頭噴混作業，噴射頭可進行240°擺動和360°回轉，其最大噴射高度16.8 m，寬度30 m，最遠噴射距離15 m，噴料速度為4～30 m3/h。該設備具有先進的自動控制系統，到達現場后能快速調整機位，無須接送風水管，混凝土運輸到現場后即可直接進行噴射作業，且實際的噴料速度比2臺（9 m3/h）的濕噴機快2倍。

3.10 改裝自行式液壓二襯臺車

二襯采用襯砌邊墻溜槽逐窗入模澆筑，從上至下分別通過主料斗—分流槽—三通分流槽—分流串筒—入窗分流槽，抽插閥門，控制混凝土流向各級工作窗口，最終實現混凝土逐窗入模，有效解決隧道襯砌邊墻混凝土不密實、強度不足、外觀缺陷、冷縫等質量問題。

二襯臺車沿隧道中線方向設置一定數量的注漿孔，并安裝固定法蘭，在混凝土澆筑前預埋注漿管（RPC），待混凝土澆筑完成后及時進行注漿。

隧道二襯臺車長12 m，臺車加工時在拱頂位置設計4個注漿孔，主注漿孔距離側端模為50~100 cm。端模排氣孔（也作為注漿孔）距端模邊緣100~150 cm。中間排氣孔（注漿孔）安置在混凝土灌注口之間平均分布。在初始設計注漿孔位置時，當設計位置與臺車鋼梁位置有沖突時，可將注漿孔位置進行適當調整。

隧道二襯防頂裂裝置通過運用三組微動開關、3套聲光報警器以及1臺小型變壓器（輸出電壓為36 V安全電壓）組成。在拱頂和邊墻兩側分別安裝微動開關（連接聲光報警器），當臺車模板接觸混凝土面后微動開關與混凝土面接觸即證明臺車模板已充分支撐到位，微動開關接通報警裝置即會自動報警。通過該設備可有效避免因臺車頂升過量造成混凝土遭受破壞，發生質量缺陷[4]。

3.11 巷道式通風保證措施

合理的通風方案要求通風系統設計的合理性，風機和風管要相匹配。如果片面追求大風量風機，而風管直徑小；或者風管直徑大，風機風量小，都難以保證良好的通風效果。

3.11.1 風機

根據計算風機應提供的風量和風壓及現有設備選型。自進出口各自2個橫通道貫通后，開始使用巷道式通風。以進口為例，進行設備配置，采用發電機功率為2×110 kW的軸流風機2臺（左洞內1臺，橫通道內1臺），其額定風量為2 500 m3/min，全壓4 200Pa。而計算所需風量為2 252 m3/min，因此，滿足巷道式通風需求。

3.11.2 風筒

一般情況下，風筒過風面積取開挖面積的1/25～1/20。A過風=（1/25～1/20）×A開挖=150.74×（1/25～1/20）=6.03～7.54 m2式中，A過風為過風面積；A開挖為開挖面積。

若風筒直徑采用φ1 500 mm，則過風面積A′過風為：

因此，采用直徑φ1 500 mm風筒滿足要求。

3.11.3 通風方式選擇與確定

第一階段采用壓入式通風，就是采用大功率通風機將新鮮空氣壓送到掌子面，然后將廢氣從里往外擠出。這種通風方式適用于下坡短隧道，所以，進出口在第二個橫通道未貫通前都采用壓入式通風。

第二階段采用巷道式通風。

3.11.4 施工通風管理

通風是隧道施工中至關重要的一道工序，直接關系到隧道的快速施工。因此，應制訂科學合理的通風方案和切實可行的保障措施。

1）施工通風要點

安裝風機：洞口風機距洞口30 m以外安裝，支架穩固避免運轉時振動搖晃，風機上方設防雨遮板。風機出口設置剛性風管連接，風機和風筒接口處法蘭間加密封墊。

安裝風管：風管使用前進行外觀檢查，保證無損壞，黏結縫牢固平順，接頭完好嚴密；掛設風管要平、順、直，沿拱頂中線位置，每隔5 m打眼安裝高強膨脹螺栓，布φ6 mm鋼筋拉線，用緊線器拉緊，并設φ10 mm尼龍繩掛圈；使用PVC高強雙拉鏈風管，必須使其內反邊保持同風向一致。風管懸吊要穩固，懸掛高度一致。風管拉緊后除去多余部分，增設鋼圈接頭，捆綁牢固。風管末端安裝長60 m舊風管，風管出口距工作面30～50 m。

2）通風系統的維護

通風機設專人維護，按規程要求操作風機，如實填寫各種記錄。風機盡量減少停機次數，發揮風機連續運轉性能。定期對全部風管進行檢查，發現破損等情況及時處理。風管內積水，每月排水一次。

3.12 噴淋養護車

隧道噴淋養護車，能夠快速高效地實現隧道混凝土養護。其特點有：

1）全面養護，灑水全覆蓋、無死角；

2）專人駕駛，專人養護。

4 結論

本項目研究對施工大跨度大變形特長隧道過程中存在的一些常見的質量問題進行分析和研究，并提出相應的控制措施，以提高隧道施工中混凝土的質量，為隧道安全、優質、高效、按期建成提供理論支持及技術保證，完善和發展我國大斷面隧道施工理論及施工技術，形成較為系統的大斷面長大公路隧道施工綜合技術，促進公路隧道的安全、穩定的建設和發展。