王志堅(jiān)

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430200)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路隧道施工技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。通過近年來(lái)不斷地探索和實(shí)踐，我國(guó)隧道建設(shè)從單一工序機(jī)械化施工[2-4]逐步轉(zhuǎn)向全工序機(jī)械化施工，機(jī)械化水平不斷提高，但目前其應(yīng)用范圍主要局限于Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖[5-6]，對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化配套條件下的全斷面施工。機(jī)械化施工能夠加快施工進(jìn)度、節(jié)約勞動(dòng)力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工條件、提高工程質(zhì)量、降低工程成本，因此，大型機(jī)械化施工是今后隧道施工的發(fā)展方向。然而，如果僅僅只是將傳統(tǒng)的人工模式換成機(jī)械模式，則難以最大限度地發(fā)揮機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)。為高效地進(jìn)行隧道機(jī)械化施工，必然要求隧道掌子面穩(wěn)定性控制措施、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工法工藝、機(jī)械化配套、施工信息化管理等環(huán)節(jié)緊密配合。

本文對(duì)鄭萬(wàn)高速鐵路湖北段隧道全斷面機(jī)械化施工探索過程中所面臨的主要問題進(jìn)行了總結(jié)，并采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、資料調(diào)研、理論分析等方法對(duì)掌子面穩(wěn)定性控制、支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機(jī)械化施工工法、機(jī)械化施工工藝參數(shù)、機(jī)械化施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行了探討，以期為大斷面機(jī)械化施工提供參考。

1 工程概況與機(jī)械化施工主要問題

1.1 工程概況

鄭萬(wàn)高速鐵路湖北段全長(zhǎng)約287 km，起于襄陽(yáng)，止于巴東，設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h。因香樹灣隧道跨湖北、重慶兩省省界，故湖北段共分布隧道32.5座，其中，長(zhǎng)度超過10 km的隧道有7座，隧道總長(zhǎng)167.619 km，約占湖北段線路總長(zhǎng)的58.4%，具有隧線比大的特點(diǎn)。隧道開挖采用2種主要工法，即全斷面法和微臺(tái)階法。開挖斷面面積約150 m2，跨度15 m，屬于單洞雙線特大跨度隧道。湖北段隧道軟弱圍巖段占比較大。圍巖級(jí)別占比見表1。

表1 圍巖級(jí)別占比

1.2 機(jī)械化配套施工概況及主要問題

與人工分部開挖法相比，機(jī)械化全斷面法施工質(zhì)量高、開挖次數(shù)少、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、初期支護(hù)封閉及時(shí)，更有利于控制圍巖的穩(wěn)定性，而目前所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工藝、管理措施大多是基于人工分部法的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，已難以適應(yīng)機(jī)械化全斷面法，主要可以歸結(jié)為以下4個(gè)問題。

1)掌子面穩(wěn)定性控制。全斷面法開挖面積大，掌子面擠出位移大，當(dāng)擠出位移達(dá)到一定限值時(shí)，掌子面即出現(xiàn)失穩(wěn)、坍塌，從而導(dǎo)致整條隧道的穩(wěn)定性受到極大影響。因此，控制掌子面的穩(wěn)定性是保證全斷面開挖隧道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵，需要對(duì)超前支護(hù)、掌子面加固參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。大量現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、位移測(cè)試結(jié)果表明圍巖壓力小于規(guī)范值，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間，有必要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3)機(jī)械化施工工法及施工工藝參數(shù)。機(jī)械化大斷面法主要依靠大型機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，這與傳統(tǒng)人工鉆爆法有很大的區(qū)別，沿用傳統(tǒng)人工鉆爆法的施工工藝流程和安全步距明顯是不合理的。因此，制定合理的施工流程和安全步距、充分利用大型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)是提高施工效率、降低施工成本的關(guān)鍵。

4)機(jī)械化施工信息化管理。目前，在隧道工程中，信息化管理比較落后，許多工作仍停留在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)甚至文件型數(shù)據(jù)的管理上。對(duì)于多樣的來(lái)源不能進(jìn)行有效的組織利用，這使得隧道勘察、施工、維護(hù)停留在一個(gè)比較低的水平，同時(shí)，大量的管理工作需要依靠人工，效率低且工作量大，而且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。因此，建立科學(xué)、及時(shí)、客觀、透明的信息化項(xiàng)目管理平臺(tái)，確保施工信息及時(shí)上傳、各方共享，是大斷面隧道安全快速標(biāo)準(zhǔn)化施工的前提。

2 掌子面穩(wěn)定性控制

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和調(diào)研鄭萬(wàn)高鐵其他隧道的掌子面穩(wěn)定狀態(tài)，建立了掌子面圍巖穩(wěn)定性分級(jí)方法,見表2。掌子面穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示。

表2 掌子面穩(wěn)定性分級(jí)

(a) 整體穩(wěn)定

(b) 局部不穩(wěn)定

(c) 上半斷面不穩(wěn)定

(d) 全斷面不穩(wěn)定

圖1掌子面穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)圖

Fig. 1 Field photos of tunnel face stability

根據(jù)鄭萬(wàn)高鐵隧道1 107份掌子面素描樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)所采用的掌子面支護(hù)措施和參數(shù)，提出了基于巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度、地下水3項(xiàng)指標(biāo)的掌子面穩(wěn)定性綜合分級(jí)方法(見表3)及穩(wěn)定性處理措施(見表4)。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖均為A級(jí)，未在表中單獨(dú)列出。

表3 掌子面穩(wěn)定性綜合分級(jí)

表4 掌子面穩(wěn)定性處理措施

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化內(nèi)容

鄭萬(wàn)高鐵隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化采用循序漸進(jìn)的方法。截至目前，鄭萬(wàn)高鐵隧道超前支護(hù)參數(shù)主要進(jìn)行了1次優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容及過程見表5；洞身支護(hù)參數(shù)主要進(jìn)行了4次優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容及過程見表6和表7。

表5 超前支護(hù)參數(shù)優(yōu)化內(nèi)容及過程

表6 I級(jí)機(jī)械化配套洞身支護(hù)優(yōu)化內(nèi)容及過程

Table 6 Optimization content and process of class I mechanized support

優(yōu)化過程設(shè)計(jì)圖版本優(yōu)化內(nèi)容通用設(shè)計(jì)圖A第1次優(yōu)化第1版設(shè)計(jì)圖B 施工工法由分部法優(yōu)化為全斷面法和微臺(tái)階法

表7 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套洞身支護(hù)優(yōu)化內(nèi)容及過程

Table 7 Optimization content and process of class Ⅱ mechanized support

優(yōu)化過程設(shè)計(jì)圖版本優(yōu)化內(nèi)容通用設(shè)計(jì)圖A第1次優(yōu)化第1版設(shè)計(jì)圖B 施工工法由分部法優(yōu)化為全斷面法和微臺(tái)階法第2次優(yōu)化第2版設(shè)計(jì)圖C 傳統(tǒng)砂漿錨桿優(yōu)化為低預(yù)應(yīng)力錨桿 鋼架由10單元分段優(yōu)化為8單元分段 拱架縱向連接筋由焊接優(yōu)化為套筒連接第3次優(yōu)化第3版設(shè)計(jì)圖D Ⅲ級(jí)圍巖錨桿環(huán)向間距增加0.3 m Ⅳ級(jí)圍巖錨桿間距增加0.3 m,拱架間距增加0.2 m第4次優(yōu)化第4版設(shè)計(jì)圖E 初期支護(hù)噴射混凝土由C25提高為C30 取消Ⅳ1級(jí)圍巖(穩(wěn)定性好的硬巖)格柵鋼架 Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌厚度減小5 cm,Ⅴ級(jí)圍巖二次襯砌厚度減小10 cm

第4版超前支護(hù)和洞身支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)分別見表8和表9。

表8第4版超前支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

Table 8 Design parameters of advance support in 4th edition

表9 第4版洞身支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)優(yōu)化后洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，在鄭萬(wàn)高鐵湖北段楊家坪隧道、古夫隧道出口等共計(jì)5個(gè)Ⅰ級(jí)工區(qū)以及高家坪隧道、保康1號(hào)橫洞、羅家山橫洞等共計(jì)15個(gè)Ⅱ級(jí)工區(qū)，開展了掌子面地質(zhì)素描、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試工作，共設(shè)初期支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面98個(gè)，二次襯砌監(jiān)測(cè)斷面34個(gè)，測(cè)試斷面統(tǒng)計(jì)見表10。

表10 測(cè)試斷面統(tǒng)計(jì)

3.2.1 Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)41個(gè)初期支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)分析可知，錨桿最大軸力為65.32 kN，鋼架最大應(yīng)力為159.4 MPa，初期支護(hù)最小安全系數(shù)為2.07，表明初期支護(hù)整體處于安全狀態(tài)。Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)初期支護(hù)安全性評(píng)價(jià)見表11。

基于Ⅰ級(jí)工區(qū)各種工況下14個(gè)二次襯砌監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，二次襯砌實(shí)測(cè)最小安全系數(shù)是規(guī)范值的3.2倍，表明二次襯砌整體處于安全狀態(tài)。 Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)二次襯砌安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表12。

表11 Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)初期支護(hù)安全性評(píng)價(jià)

表12 Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)二次襯砌安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 12 Statistical results of safety coefficient of secondary lining in class Ⅰ mechanized workshop area

圍巖級(jí)別埋深結(jié)構(gòu)安全系數(shù)比值(二次襯砌實(shí)測(cè)值/規(guī)范控制值)最大值最小值Ⅳ深埋9.253.2

3.2.2 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)各種工況下57個(gè)初期支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，錨桿最大軸力為58.06 kN，鋼架最大應(yīng)力為107.05 MPa，初期支護(hù)最小安全系數(shù)為2.26，均滿足規(guī)范要求，表明初期支護(hù)整體處于安全狀態(tài)。 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)初期支護(hù)安全性評(píng)價(jià)見表13。

表13 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)初期支護(hù)安全性評(píng)價(jià)

基于Ⅱ級(jí)工區(qū)各種工況下20個(gè)二次襯砌監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)結(jié)果分析，二次襯砌實(shí)測(cè)最小安全系數(shù)是規(guī)范值的2倍，表明二次襯砌整體處于安全狀態(tài)。Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)二次襯砌安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表14。

通過以上分析可知，Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)洞身段支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后，初期支護(hù)整體處于安全狀態(tài)；Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)洞身段支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后，初期支護(hù)及二次襯砌整體處于安全狀態(tài)。

表14 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套工區(qū)二次襯砌安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 14 Statistical results of safety coefficient of secondary lining in class Ⅱ mechanized workshop area

圍巖級(jí)別埋深結(jié)構(gòu)安全系數(shù)比值(實(shí)測(cè)值/規(guī)范控制值)最大值最小值Ⅳ深埋10.31 2 Ⅴ深埋8.68 4.94 淺埋13.03 10.58

4 機(jī)械化施工工法研究

4.1 開挖方法研究

在機(jī)械化配置條件下，鄭萬(wàn)高速鐵路隧道形成了2種主要工法，即全斷面法和微臺(tái)階法。全斷面法即含仰拱1次全環(huán)開挖，開挖完成后初期支護(hù)立即閉合成環(huán)；微臺(tái)階法分上下臺(tái)階、仰拱2次開挖，2次支護(hù)。2種工法的比較見表15。

4.1.1 全斷面法施工工序

全斷面法施工采用掌子面1次鉆眼爆破，全環(huán)1次支護(hù)，初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)。具體施工工序如圖2所示。

表15 全斷面法與微臺(tái)階法比較

圖2 全斷面法施工工序

4.1.2 微臺(tái)階Ⅰ法施工工序

微臺(tái)階Ⅰ法施工采用掌子面拱墻、仰拱2次鉆眼爆破，初期支護(hù)2次支護(hù)封閉成環(huán)。具體施工工序如圖3所示。

4.1.3 微臺(tái)階Ⅱ法施工工序

微臺(tái)階Ⅱ法施工采用掌子面上、下臺(tái)階(含仰拱)1次鉆眼爆破，1次施作本循環(huán)上臺(tái)階初期支護(hù)和上一循環(huán)下臺(tái)階(含仰拱)初期支護(hù)。上臺(tái)階長(zhǎng)度為2～3 m，初期支護(hù)封閉距離為2～3 m。具體施工工序如圖4所示。

4.2 循環(huán)進(jìn)尺

通過對(duì)鄭萬(wàn)高鐵隧道各工區(qū)不同圍巖級(jí)別、施工工法開挖循環(huán)進(jìn)尺與穩(wěn)定性之間的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，給出了各工況條件下適用的合理開挖循環(huán)進(jìn)尺，見表16。

圖3 微臺(tái)階Ⅰ法施工工序

圖4 微臺(tái)階Ⅱ法施工工序

Table 16 Reasonable excavation circulating footage under various working conditions

施工工法圍巖級(jí)別開挖循環(huán)進(jìn)尺/m全斷面法 Ⅲ5Ⅳ4Ⅴ3微臺(tái)階Ⅰ法Ⅲ5Ⅳ4Ⅴ3微臺(tái)階Ⅱ法Ⅴ3

4.3 支護(hù)封閉安全步距確定

在鄭萬(wàn)高鐵機(jī)械化隧道施工中發(fā)現(xiàn)，目前規(guī)范規(guī)定的安全步距(初期支護(hù)封閉安全步距Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖不得大于35 m；二次襯砌安全步距Ⅳ級(jí)圍巖不得大于90 m，Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖不得大于70 m)已難以滿足隧道機(jī)械化配套快速施工作業(yè)要求，制約了機(jī)械化配套施工工效的發(fā)揮。考慮到隧道機(jī)械化施工的要求，綜合隧道支護(hù)安全、爆破影響范圍、施工組織及大型機(jī)械擺放等因素，提出了適合機(jī)械化隧道施工的安全步距。

1) 綜合考慮隧道初期支護(hù)的安全性、爆破影響范圍、施工組織及大型機(jī)械擺放等因素，確定初期支護(hù)安全步距為70 m，具體見表17。

2) 綜合考慮隧道初期支護(hù)以及二次襯砌的安全性、爆破影響范圍、施工組織及大型機(jī)械擺放等因素，確定二次襯砌安全步距為200 m，具體見表18。

表17 初期支護(hù)安全步距

4.4 機(jī)械化配套

鄭萬(wàn)高鐵隧道機(jī)械化配套涵蓋超前支護(hù)、鉆爆開挖、初期支護(hù)、二次襯砌等4大作業(yè)工區(qū)主要工序，具有系統(tǒng)性強(qiáng)、規(guī)模大等特點(diǎn)。按照配置機(jī)械完備程度，分為Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套和Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套2種。Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套機(jī)械主要包括風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)、多功能鉆爆作業(yè)臺(tái)架、混凝土濕噴機(jī)、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車、整體移動(dòng)式溝槽模板等；Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套機(jī)械主要在Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套的基礎(chǔ)上增加以下大型機(jī)械： 2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車、1臺(tái)錨桿鉆注一體機(jī)、1臺(tái)自行式液壓拱架安裝臺(tái)車、1臺(tái)防水板作業(yè)臺(tái)車、1臺(tái)襯砌模板臺(tái)車、1臺(tái)移動(dòng)式混凝土養(yǎng)護(hù)臺(tái)架。其中，Ⅱ級(jí)機(jī)械配套承擔(dān)15座隧道的正洞施工任務(wù)，施工長(zhǎng)度約91.135 km；Ⅰ級(jí)機(jī)械配套承擔(dān)6座隧道的施工任務(wù)。Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套施工作業(yè)工區(qū)分別如圖5和圖6所示。

表18 二次襯砌安全步距

注： 部分隧道采用微臺(tái)階Ⅱ法施工中仰拱滯后掌子面施作。

圖5 Ⅰ級(jí)機(jī)械化配套施工作業(yè)工區(qū)

圖6 Ⅱ級(jí)機(jī)械化配套施工作業(yè)工區(qū)

5 機(jī)械化施工工藝參數(shù)確定

5.1 超挖控制

現(xiàn)場(chǎng)平均線性超挖量統(tǒng)計(jì)見表19。

表19各級(jí)圍巖平均線性超挖量

Table 19 Average linear over-excavation of each grade of surrounding rock

cm

為控制現(xiàn)場(chǎng)超挖量，采取了以下措施：

1)加強(qiáng)鉆爆設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化工作，特別是對(duì)周邊眼的間距裝藥結(jié)構(gòu)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2)在保證施工安全的情況下，掌子面預(yù)留約1榀鋼架的間距暫不立拱，以確保鉆臂能夠有效控制外插角。

3)采用雙層周邊長(zhǎng)、短眼相結(jié)合的方式控制超欠挖。炮孔布置如圖7所示，長(zhǎng)短炮孔示意圖如圖8所示。

4)對(duì)于穩(wěn)定性極差的圍巖，采用周邊短眼不裝藥、二圈長(zhǎng)眼按正常周邊眼藥量裝藥的手段能有效緩解對(duì)周邊圍巖的破壞。

圖7 炮孔布置圖 (單位： cm)

圖8 長(zhǎng)短炮孔示意圖 (單位： mm)

5.2 高壓劈裂注漿施工工藝

鑒于傳統(tǒng)的滲透注漿或壓密注漿對(duì)于滲透性較差的軟弱圍巖難以達(dá)到理想的注漿加固效果，鄭萬(wàn)高鐵隧道針對(duì)軟弱圍巖采用高壓劈裂注漿工藝，提升漿液的可灌性和擴(kuò)散距離，以達(dá)到理想的圍巖加固效果。傳統(tǒng)注漿與高壓劈裂注漿加固效果對(duì)比見表20。

表20傳統(tǒng)注漿與高壓劈裂注漿加固效果對(duì)比

Table 20 Comparison of reinforcement effect between traditional grouting and high pressure splitting grouting

5.2.1 施工工藝

高壓劈裂注漿流程和注漿參數(shù)分別如圖9和表21所示。

5.2.2 效果對(duì)比分析

通過對(duì)羅家山隧道傳統(tǒng)注漿與高壓劈裂注漿2種注漿方式下區(qū)段支護(hù)的變形測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知，高壓劈裂注漿區(qū)段較傳統(tǒng)注漿區(qū)段支護(hù)變形值減小約30%。高壓劈裂注漿前后拱頂下沉值對(duì)比如圖10所示。

5.3 低預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝

傳統(tǒng)錨桿對(duì)圍巖的加固屬于被動(dòng)型加固，加固效果不佳?；诖笮蜋C(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)，鄭萬(wàn)高鐵隧道采用低預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，通過旋緊桿體使錨桿前端漲殼頭張開，并通過旋緊安裝在孔口的螺母，使錨桿墊板與圍巖有效接觸，給錨桿施加一定的初錨力(預(yù)應(yīng)力)，促使圍巖及時(shí)形成壓力拱效應(yīng)，以達(dá)到主動(dòng)加固圍巖、提升圍巖自穩(wěn)性的效果。預(yù)應(yīng)力錨桿工作原理如圖11所示。低預(yù)應(yīng)力錨桿與傳統(tǒng)錨桿加固效果對(duì)比見表22。

5.3.1 施工工序

預(yù)應(yīng)力錨桿施工工序如圖12所示。

5.3.2 效果對(duì)比分析

在Ⅳ級(jí)深埋全斷面法條件下開展了砂漿錨桿、YE錨桿、DCP錨桿作用效果對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明： 3種錨桿均呈受拉狀態(tài)，YE錨桿和DCP錨桿軸力值提升了1.6～2.4倍?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見圖13。

(a) 循環(huán)式高壓注漿流程

(b) 超前小導(dǎo)管高壓注漿流程

圖9高壓劈裂注漿流程

Fig. 9 Flowchart of high pressure splitting grouting

表21 高壓劈裂注漿參數(shù)

圖10 高壓劈裂注漿前后拱頂下沉值對(duì)比

Fig. 10 Comparison of crown top settlement before and after high pressure splitting grouting

5.4 高強(qiáng)噴射混凝土

采用C30高強(qiáng)噴射混凝土代替C25噴射混凝土，并采用混凝土濕噴臺(tái)車施工，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，保障了噴射混凝土施工質(zhì)量。C25、C30噴射混凝土抗壓強(qiáng)度見表23。

(a) 預(yù)應(yīng)力施加原理

(b) 預(yù)應(yīng)力錨桿加固原理

表22 低預(yù)應(yīng)力錨桿與傳統(tǒng)錨桿加固效果對(duì)比

圖12 預(yù)應(yīng)力錨桿施工工序

為提高Ⅴ級(jí)圍巖初噴混凝土早期強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)開展了C40高強(qiáng)噴射混凝土早期強(qiáng)度試驗(yàn)。C40噴射混凝土抗壓強(qiáng)度如表24所示。

6 隧道信息化管理研究

6.1 項(xiàng)目管理信息平臺(tái)

武九公司項(xiàng)目管理信息平臺(tái)通過輕量化BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程的結(jié)構(gòu)分解，為項(xiàng)目管理提供了最小化、標(biāo)準(zhǔn)化、格式化的過程控制單元。其將過程控制單元與質(zhì)量檢驗(yàn)批、形象進(jìn)度、驗(yàn)工計(jì)價(jià)、安全風(fēng)險(xiǎn)等數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以驗(yàn)工計(jì)價(jià)資金支付為抓手，促進(jìn)施工單位主動(dòng)進(jìn)行工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度的過程控制，把傳統(tǒng)的結(jié)果管理推向了過程控制，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)字化、可視化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。項(xiàng)目管理信息平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖14所示。其中，隧道信息化管理是平臺(tái)中的一個(gè)重要功能模塊。

6.2 隧道信息化管理

為實(shí)時(shí)掌握隧道建設(shè)動(dòng)態(tài)、有效指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)與施工，在武九公司信息平臺(tái)上開發(fā)了隧道信息化管理模塊，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖變形量測(cè)、超欠挖分析、支護(hù)參數(shù)確定、進(jìn)度計(jì)劃編制、施工過程記錄等數(shù)據(jù)信息的采集、分析與應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道風(fēng)險(xiǎn)管控。隧道信息化管理平臺(tái)如圖15所示。

6.3 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管控方法

為全面管控隧道機(jī)械化施工風(fēng)險(xiǎn)，基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前預(yù)加固、超欠挖、初期支護(hù)質(zhì)量、監(jiān)控量測(cè)5項(xiàng)指標(biāo)信息，提出了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)3級(jí)管控方法，即將掌子面分為可控、基本可控和不可控3級(jí)，并相應(yīng)給出管控措施。施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)如圖16所示。

(a) 砂漿錨桿軸力時(shí)程曲線

(b) 砂漿錨桿軸力分布圖(最大軸力值7.4 kN)

(c) YE錨桿軸力時(shí)程曲線

(d) YE錨桿軸力分布圖(最大軸力值23.95 kN)

(e) DCP錨桿軸力時(shí)程曲線

(f) DCP錨桿軸力分布圖(最大軸力值22.95 kN)

Table 23 Compressive strength of C25 and C30 concrete MPa

噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)1 d早期強(qiáng)度28 d最終強(qiáng)度C251028C301533

表24 C40噴射混凝土抗壓強(qiáng)度

圖14 項(xiàng)目管理信息平臺(tái)

圖15 隧道信息化管理平臺(tái)

圖16 施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)

6.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)輸入

鄭萬(wàn)高鐵施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)主要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前預(yù)加固、超欠挖、初期支護(hù)質(zhì)量、監(jiān)控量測(cè)等5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行隧道作業(yè)面分類管控。其中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息、超前預(yù)加固信息、超欠挖信息、監(jiān)控量測(cè)信息來(lái)源于施工信息采集系統(tǒng)，初期支護(hù)信息來(lái)源于質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

6.3.2 指標(biāo)評(píng)估

5項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估主要根據(jù)設(shè)計(jì)資料、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]、TB 10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》、QCR 9604—2015《高速鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)程》、TB 10417—2003《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、TB 10753—2010《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用分級(jí)評(píng)估的方法進(jìn)行，具體評(píng)估方法見文獻(xiàn)[8]。

6.3.3 作業(yè)面分類及管控措施

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前預(yù)加固、超欠挖、初期支護(hù)質(zhì)量、監(jiān)控量測(cè)等5項(xiàng)分類指標(biāo)評(píng)估后，根據(jù)不可控、基本不可控指標(biāo)數(shù)量將作業(yè)面分為可控、基本不可控、不可控3類并給出相應(yīng)管控措施。具體分類標(biāo)準(zhǔn)及管控措施見表25。

7 隧道智能化技術(shù)應(yīng)用研究

在國(guó)家制造業(yè)和鐵路發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃指導(dǎo)下，高速鐵路隧道建設(shè)必須實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、信息化、智能化，從而成為鐵路建設(shè)率先實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。隨著機(jī)械化、信息化的深度融合，鄭萬(wàn)高速鐵路隧道已經(jīng)具備了智能化建造的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，其將先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析方法、人工智能技術(shù)與智能化隧道施工裝備及修建技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了隧道智能化設(shè)計(jì)、施工和管理。鄭萬(wàn)高鐵智能化建造總體技術(shù)路線見圖17。

表25 分類標(biāo)準(zhǔn)及管控措施

圖17 鄭萬(wàn)高鐵智能化建造總體技術(shù)路線

8 結(jié)論與展望

結(jié)合我國(guó)高速鐵路隧道機(jī)械化、信息化建設(shè)現(xiàn)狀，以鄭萬(wàn)高鐵湖北段為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、資料調(diào)研、理論分析等方法，對(duì)大斷面隧道機(jī)械化施工開展了研究，目前已取得以下成果：

1) 提出了掌子面穩(wěn)定性綜合分級(jí)方法及穩(wěn)定性控制措施；

2) 對(duì)超前支護(hù)、洞身支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；

3) 成功試驗(yàn)并推廣了全斷面法和微臺(tái)階法2種施工工法；

4) 解決了高壓劈裂注漿、低預(yù)應(yīng)力錨桿、超挖控制、高強(qiáng)度初噴混凝土等施工工藝問題；

5) 搭建了可自動(dòng)收集、分析與判識(shí)多指標(biāo)的信息化項(xiàng)目管理平臺(tái)，建立了基于施工動(dòng)態(tài)管理的隧道作業(yè)面分類管理方法。

目前這些研究成果已經(jīng)成功推廣到鄭萬(wàn)高鐵湖北段36個(gè)隧道工區(qū)，極大提高了鄭萬(wàn)高鐵湖北段隧道建設(shè)的機(jī)械化水平。在下一階段將繼續(xù)對(duì)大斷面隧道機(jī)械化施工方法進(jìn)行優(yōu)化和探索，實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)械化和智能化。