高速公路隧道機械開挖超欠原因及其控制對策

楊繼才

（四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

經濟水平的不斷提升對我國交通事業的發展也起到重要的推進作用，隨著我國高速公路隧道工程建設難度不斷增加和建設數量不斷增多，在高速公路隧道工程施工作業環節中，因機械開挖超欠誘發的圍巖變形、隧道坍塌事故不斷發生。國內學者的研究方向多以隧道支護、圍巖加固等為主，未針對地質結構不穩定的隧道工程項目展開深入研究。因此，文章以黃土隧道工程項目為例，對該隧道工程機械開挖作業過程中出現超欠開挖的原因以及具體的控制工藝展開分析，期望對全面提升高速公路隧道工程建設質量有所幫助。

1 工程概況

某高速公路隧道采用左線和右線分離設計模式，其中左線樁號ZK116+830—ZK117+931，長度1101m；右線樁號為K116+810—K117+905，長度1095m，隧道內設計車速為80km/h，采用I 類路面荷載，左、右兩側各設單行道。隧道的最大開挖高度為9m，寬度為11m，開挖面為108m2。工程場地地處黃土溝壑區，地形結構穩定性較其他區域偏弱，地質條件復雜。

2 隧道開挖方案確定

2.1 方案選擇

高速公路隧道開挖作業主要采用鉆爆法和機械開挖法。前者施工成本較低，但機械化程度不足，容易對隧道圍巖產生影響，無法保障隧道斷面成型質量；而后者則具有施工效率高、更具安全性等特征。地質結構不穩定、圍巖結構不穩定等因素均會對隧道工程開挖作業產生負面影響。

機械開挖作業過程中，土體會沿著節理松張或剪斷，加劇隧道坍塌風險。同時，受施工技術、測量工藝以及現場管控等因素影響，隧道也可能出現機械開挖超欠現象。由此可見，在高速公路隧道工程施工中，做好地質結構勘探以及提前預測工作非常關鍵，不僅可以顯著提升項目施工效率，還可以避免機械開挖超欠現象的出現。該隧道工程項目在開展施工作業前，施工現場安排專業技術人員進行隧道地質結構檢驗檢測工作。經過前期勘察檢驗以及土質取樣測試后發現，該隧道土體含水率在8.4%～9.9%，含水率較低，比較適合應用機械開挖法。機械開挖法又可以細分為懸臂掘進以及挖掘機開挖兩種，為提升隧道工程施工質量，減少掘進作業時間，避免隧道拱頂沉降和圍巖坍塌，該工程項目最終選用懸臂掘進機開挖方案。經過初步規劃，采用該作業方法針對隧道掌子面進行開挖時，僅需要2 人配合施工即可，不僅可以降低人工成本，還可以有效控制循環掘進作業時間，對比使用挖掘機作業可大幅度縮短作業時長，也可以有效預防機械開挖超欠，實現斷面一次成型[1]。懸臂掘進機作業方式產生的開挖面也比較平整，對周圍圍巖的影響較小，應用該作業方式能夠確保隧道開挖和支護工程的有效銜接，大幅度提升隧道工程項目施工的安全性。

2.2 機械化配套施工作業

結合隧道工程案例圍巖參數可知，為了持續提升隧道周圍土體結構的穩定性，施工現場可在參考支護作業、懸臂掘進機施工參數的前提下，針對不同區域采用不同的掘進作業方法。例如，對該隧道淺埋段正洞洞身進行開挖，可以使用中隔壁法；對深埋段區域進行開挖則可以采用三臺階施工技術，確保初支結構一次成型，進一步提升隧道工程項目的施工效率；為了增強隧道掌子面的結構穩定性，針對上臺階進行施工時，采取左右幅分別開挖的方式，此時懸臂掘進機僅需要移動一次，上臺階施工完成后再對下臺階進行開挖作業。

案例中的黃土隧道在進行機械開挖作業的過程中，經常出現各種各樣的問題，施工項目組通過調查同類型施工案例，并且結合該工程項目的地質結構特征、圍巖地質條件以及現場施工情況等要素，對三臺階施工工藝加以優化，采用兩臺階機械開挖作業方案，直接使用懸臂掘進機進行開挖作業，開展初支施工時，則采用配套機械設備進行施工。機械配套情況如表1 所示。

表1 機械配套情況表

3 機械開挖超欠的影響因素和控制技術分析

在進行高速公路隧道機械開挖作業時，必須考慮隧道周圍的圍巖地質條件，根據具體的施工參數做好超欠開挖控制工作，靈活調整施工方案。

3.1 機械開挖超欠現象的原因

結合大量施工案例可知，導致隧道工程出現超欠開挖的原因包括土體含水率、開挖循環進尺、臺階長度、預留變形量以及機械設備配置參數等。

3.1.1 土體含水率

土體含水率是導致超欠開挖現象出現的核心因素。如果隧道中土體含水率較高，不僅會削弱周圍圍巖結構承載力和穩定性，還會對施工方案設計產生影響。隧道土體含水率在15%～19%時，圍巖結構的脫水收縮率較低、穩定性較好，開挖作業工程中的坍方和掉塊概率相對較低，施工人員可以根據實際施工要求，靈活調整開挖進尺。隨著土體含水率增加，其穩定性也會降低，在開挖作業時，隧道拱頂和兩側的掉塊概率同樣會有所增加。當土體含水率超過23%，此時黃土的穩定性嚴重下降，開挖作業時非常容易出現坍方[2]。

3.1.2 開挖循環進尺

一般情況下，機械開挖作業時的循環進尺越大，對周圍圍巖結構的破壞也就越大，會嚴重降低圍巖穩定性，進而導致機械開挖超欠現象。

3.1.3 臺階長度

在隧道臺階施工作業過程中，如果臺階過長，會延長仰拱閉合時間，進而降低開挖面結構的穩定性。

3.1.4 預留變形量

在隧道施工作業中，如果施工區域地質條件穩定，那么預留形變量數值和機械開挖超欠現象發生率成正比。

3.1.5 施工管理因素

高速公路隧道開挖作業過程中，工程施工管理不佳也是導致機械開挖超欠現象發生的主要因素。隧道機械開挖超欠控制成效可以直接反映施工隊伍的管理水平，如果施工人員綜合素質低下或制訂的隧道施工方案不夠完善，都會誘發機械開挖超欠現象。例如，部分技術人員在隧道周圍打孔作業時，為了追趕施工進度，沒有及時將開挖輪廓線和周邊孔樣置于掌子面上，僅參考上一循環初支斷面進行打孔作業，會加劇隧道機械開挖超欠現象。再比如，如果施工現場不重視施工流程監督管理工作，就會加劇機械開挖超欠現象發生的概率[3]。在隧道工程項目施工中，個別技術人員缺乏隧道作業經驗，未嚴格按照施工流程進行施工，同樣會給高速公路隧道工程項目施工產生負面影響。

3.2 隧道機械開挖超欠控制技術分析

3.2.1 做好土體含水率監測工作

在高速公路隧道工程機械開挖作業中，需要綜合考慮施工場地的斷面特征及其土體含水量等，明確圍巖參數。對土體含水率進行合理的劃分，據此優化施工方案，確定臺階開挖長度和懸臂掘進機循環進尺參數，從而形成基于極限含水量的施工方案，實現對隧道機械開挖超欠的有效控制。對于存在嚴重機械開挖超欠現象的隧道掌子面區域，在開挖工作結束后，應采用鋼筋網材對其進行加固，然后根據施工作業要求完成混凝土噴射工作，架設鋼架作為初支。

3.2.2 合理控制開挖循環時長

隧洞開挖后，上部圍巖將產生一定的變形，并逐漸向塑性變形發展，進而引起上部結構的不穩定，故需對上部開挖及初期支護時間進行嚴格控制。該項目采用兩臺階機械開挖作業方式，盡管臺階長度為懸臂掘進機作業提供了足夠的空間，但也會影響挖掘表面的穩定度。因此，在進行噴漿前，機械手必須至少移動2 次，直到下臺階的混凝土噴完后，才能進入上臺階[4]。在施工環節，如果機械手混凝土噴射不連貫，可能導致管路堵塞，因此必須嚴格控制上下臺階混凝土噴射時間，最佳間隔時間在180min 以內，這樣可以有效降低堵管概率。同時，施工現場必須做好施工組織設計工作，在不影響工程進度和質量的前提下合理安排作業工序，減少機械開挖循環作業時長，減少掌子面暴露的時間，提升圍巖結構的穩定性。

3.2.3 優化臺階長度

在極限含水率施工作業方案下，施工現場必須根據圍巖結構參數對臺階長度進行優化，保障斷面穩定性。技術人員可以參照臺階長度對機械開挖超欠數值進行測算，然后靈活調整臺階長度。結合案例可知，隧道施工中使用的CTR300R 型懸臂式掘進機機械手的懸臂半徑為13m，據此能夠計算出上臺階為4m，中臺階為4.5m，下臺階為3m。為了減少挖掘周期，機械手的工作時間必須控制在120min 以內。

3.2.4 控制預留變形量

高速公路隧道開挖結束后，需要進行斷面測繪，掌握隧道頂部的沉降及圍巖的收縮狀態。根據這些數據，技術人員需要對預留的變形量進行靈活調節，防止出現預留變形量超出控制范圍造成的機械開挖超欠。此外，為了減小施工對周圍環境的影響，在開挖工作結束后，應留下30cm 寬的人工調節間距[5]。

3.2.5 機械開挖施工監測

為有效地控制機械開挖超欠現象，掌握其對圍巖結構的影響，保證后續施工的安全，該項目嚴格依照《公路隧道施工技術規范》（JTG/T 3660—2020）進行全程監控，監測隧道拱頂沉降和水平收斂，測點布設如圖1 所示。

圖1 拱頂沉降及水平收斂測點布置

參照預留初始沉降變形量，技術人員對不同圍巖類型的掌子面的實際沉降變形量進行測量，觀測時間如下：一是隧道開挖成型后12～24h 內；二是隧道二襯澆筑前沉降變形穩定20d 以后。經過一段時間的觀測，對得出的觀測數據（見表2）進行對比分析，最終確定不同類型圍巖的最終預留沉降變形量，并將觀測參數作為后續隧道工程施工的主要參考依據。

表2 最終實際預留沉降變形量統計表 單位：mm

3.2.6 做好施工組織管理工作，明確施工管理制度

確保施工質量是高速公路隧道工程建設的核心要求，也是施工企業必須遵循的原則。施工現場必須重視施工組織管理工作，健全施工管理方案，以保障隧道工程質量為核心。明確施工管理制度，優化施工流程，參考施工中的各項數據完善施工方案。技術人員要根據隧道工程項目施工進度，做好施工現場監督管理工作，用施工制度約束施工人員行為。施工人員也要充分掌握隧道開挖作業施工工藝，確保隧道工程順利開展。

4 結語

綜上所述，在高速公路隧道工程開挖作業施工時，采用懸臂掘進機掘進作業施工方式可顯著提升施工效率。在該工程案例中，開挖量可達到59m3/h，月進尺量高達101m，不僅保障了施工進度，還可以有效控制隧道機械開挖超欠現象。因此，在結構穩定性較差的隧道工程作業中，一定要采取各種方法保障掌子面圍巖結構的穩定性，靈活調整施工進度。隧道工程施工作業不僅要做好初支工作，還要做好掌子面的穩定性監測工作，借此有效控制隧道拱頂沉降和圍巖水平。