郭鴻雁，張曉龍，蘇軍偉，3，李 科

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067； 2.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，昆明 650501;3.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

近年來，我國在鉆爆法隧道機(jī)械化全斷面施工技術(shù)及相關(guān)研究方面取得了一定的成果。關(guān)寶樹[1-2]提出在礦山隧道盡可能選擇全斷面施工方法，目前圍巖補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展和大型機(jī)械的應(yīng)用使得全段面施工成為可能；胡亞峰、洪開榮等[3-4]提出通過補(bǔ)強(qiáng)措施來增強(qiáng)掌子面的強(qiáng)度，以避免因全斷面開挖造成圍巖失穩(wěn)的問題；王明年等[5]基于經(jīng)典楔形體模型，以鄭萬高速鐵路榮家灣隧道為背景，為軟弱圍巖隧道超前支護(hù)體系設(shè)計、優(yōu)化提供理論支撐；黃維科等[6]以貴黃高速龍昌隧道施工為例，提出9種專用隧道施工機(jī)械設(shè)備搭配，采用相應(yīng)機(jī)械化施工技術(shù)，提高了隧道施工的機(jī)械化程度、工作效率、安全性；李俊均[7]以林山隧道工程為依托，基于實際應(yīng)用，就鑿巖臺車的適用性、供配電要求、影響作業(yè)效率、開挖炸藥單耗情況、超欠挖控制等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析研究；鮮國[8]在已有成果基礎(chǔ)上，以躍龍門隧道依托，對隧道在施工過程中動態(tài)施工組織管理進(jìn)行研究，并在實施過程中不斷完善和優(yōu)化，使得工程進(jìn)展可控有效；許冬蓮等[9]結(jié)合博深高速公路石鼓隧道施工實踐，介紹配套設(shè)施建設(shè)、人員與機(jī)械設(shè)備配置、施工工藝及前期右線人工施工和左線機(jī)械化施工比較,從而得出隧道機(jī)械化施工具有明顯的社會效益和環(huán)保效益的結(jié)論；林毅、萬姜林、殷立軍等[10-12]對圍巖隧道機(jī)械化施工的開挖方法、支護(hù)方式、施工安全控制、機(jī)械配套與施工工藝開展了系列研究，形成了成套的施工技術(shù)；趙勇[13]提出控制開挖進(jìn)尺、各施工步距、提高初期支護(hù)強(qiáng)度等措施來控制隧道圍巖變形；王志龍等[14]采用有限元數(shù)值分析與實測數(shù)據(jù)回歸分析等方法，建立了確定二次襯砌支護(hù)時距掌子面距離的理論計算方法；王海周[15]以隧道安全步距為焦點，探求不同圍巖及支護(hù)條件下的安全步距理論值。

總結(jié)分析目前隧道機(jī)械化施工現(xiàn)狀及相關(guān)研究成果，有以下幾點認(rèn)識：1) 隧道機(jī)械化施工多應(yīng)用于Ⅰ～Ⅲ級圍巖，Ⅳ、Ⅴ圍巖的應(yīng)用案例較少，多處于應(yīng)用研究與試驗段測試階段；2) 隧道機(jī)械化施工方面的研究多集中于施工開挖方法、支護(hù)理論、輔助加固措施、施工機(jī)械配套與施工組織管理等方面；3) 目前關(guān)于傳統(tǒng)鉆爆法分步開挖的安全步距研究有所涉及，但缺乏Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下隧道機(jī)械化全斷面施工安全控制步距的相關(guān)研究。為此，本文在已有研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合依托工程的實際情況，通過三維數(shù)值仿真分析與現(xiàn)場試驗段測試等方法，針對公路隧道Ⅳ級圍巖段機(jī)械化全斷面施工步距控制開展了相關(guān)研究工作，提出適用于公路隧道Ⅳ級圍巖段鉆爆法機(jī)械化全斷面施工開挖方法與施工安全控制步距。

1 工程概況

云南某新建特長隧道單洞長約8 200 m，最大埋深737 m，主線隧道洞身段穿越地層主要以砂巖、礫巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖、板巖為主，局部可能夾煤線。圍巖完整程度呈一般破碎-較完整，基巖裂隙水較發(fā)育，預(yù)估呈點滴狀出水，局部淋雨狀，隧道全線Ⅳ級圍巖約占60%，隧道進(jìn)洞初期采用傳統(tǒng)的人工鉆爆法施工，施工方法主要為臺階法，后為提高施工效率，縮短施工工期，擬采用機(jī)械化全斷面施工，為確保掌子面穩(wěn)定，掌子面開挖前采用Φ60中管棚(長度20 m@40 cm)進(jìn)行預(yù)加固。

2 基于圍巖穩(wěn)定性分析的施工控制步距研究

2.1 計算模型建立與參數(shù)選取

結(jié)合該隧道的實際施工情況，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三維數(shù)值仿真分析模型。為消除邊界效應(yīng)影響，模型邊界按照3～5倍洞徑進(jìn)行取值，考慮到二襯步距的研究，模型的縱向尺寸宜大于200 m，本次模型尺寸取120 m×120 m×240 m(高×寬×長)；位移邊界條件為：頂部為自由邊界，底部和左右邊界為固定邊界。為保持與實際工程施工情況一致，本次模擬開挖考慮了由臺階法變?yōu)槿珨嗝娣ǖ氖┕すば蜣D(zhuǎn)換過程，計算分析模型如圖1所示。

圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值，其中圍巖力學(xué)參數(shù)取規(guī)范建議取值范圍的中值，見表1。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值

2.2 計算結(jié)果分析

1) 二襯與掌子面距離

本次仿真模擬了隧道從上下兩臺階法施工轉(zhuǎn)換為全斷面施工的全過程，掌子面總掘進(jìn)長度240 m，共設(shè)置8個監(jiān)測斷面，其中前3個斷面(K0+8、K0+46與K0+62)位于兩臺階法施工段，中間1個斷面(K0+94)位于工序轉(zhuǎn)換段，后4個斷面(K0+106、K0+118、K0+130、K0+142)位于全斷面施工段。提取隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨施工開挖步變化規(guī)律以及沉降變形的空間分布規(guī)律，分析合理的施工安全控制步距與二襯結(jié)構(gòu)施作時機(jī)。隧道拱頂沉降隨施工開挖步變化規(guī)律如圖2所示，隧道拱頂沉降縱向分布規(guī)律如圖3所示。

在實際研究調(diào)查期間，主要對問卷檢測方法進(jìn)行使用，其中對縣級、市級以及農(nóng)村地區(qū)各層次學(xué)生對于初中數(shù)學(xué)函數(shù)知識掌握情況進(jìn)行了解與掌握，其主要目的在于真正發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)函數(shù)知識對于動點問題產(chǎn)生的各種影響。

圖2 隧道拱頂沉降隨施工開挖步變化規(guī)律

圖3 隧道拱頂沉降縱向分布規(guī)律

由圖2可知，隧道施工過程中，圍巖與初期支護(hù)變形分為3個階段：1) 掌子面開挖前的緩慢預(yù)變形段(約占5%)；2) 掌子面施工過程中變形增長段(約占80%)；3) 仰拱施工后的變形收斂穩(wěn)定段(約占15%)。由圖3可知，隧道采用全斷面施工時，因掌子面一次性開挖，臨空面較大，使得隧道圍巖穩(wěn)定性較臺階法施工差，且對掌子面前后方圍巖穩(wěn)定性的影響范圍更大；當(dāng)采用上下兩臺階法施工時，掌子面前后方圍巖變形影響范圍分別約為15 m和50 m；而采用全斷面施工時，掌子面前后方圍巖變形影響范圍分別約為20 m和60 m。

綜上分析，對于Ⅳ級圍段，采用全斷面施工時，隧道初支完成后，距掌子面后方60 m的圍巖與支護(hù)趨于穩(wěn)定，即當(dāng)二次襯砌步距大于60 m后，對圍巖穩(wěn)定性的影響較小，因此二次襯砌步距可根據(jù)施工組織需要確定。

2) 仰拱與掌子面距離

本次模擬分析了隧道仰拱開挖及仰拱步距對圍巖穩(wěn)定性的影響。隧道拱頂沉降隨施工步序、仰拱步距變化規(guī)律分別如圖4、圖5所示。

圖4 隧道拱頂沉降隨施工工序變化規(guī)律

由圖4可知，隧道仰拱開挖引起的圍巖變形較小，約占累計沉降量的2.2%，且仰拱施工完成后，迅速趨于穩(wěn)定。由圖5可知，圍巖變形隨仰拱步距的增大，變化很小，當(dāng)仰拱步距由50 m變?yōu)?0 m，拱頂沉降增量僅為0.1 mm，約占累計沉降量的1.4%。

圖5 隧道拱頂沉降隨仰拱步距變化規(guī)律

基于圍巖穩(wěn)定性分析的施工步距研究結(jié)果表明：對于該隧道，當(dāng)Ⅳ級圍巖段采用全段面機(jī)械化施工時，掌子面施工對掌子面后方影響的距離約為60 m，超出影響范圍外的路段，圍巖基本趨于穩(wěn)定，即二襯跟進(jìn)步距不是影響圍巖穩(wěn)定的主控因素，同時仰拱開挖引起的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小，且變形隨著仰拱步距的增加變化很小，因此二襯與仰拱的施工控制步距可根據(jù)施工組織方案確定。

3 基于機(jī)械化施工組織的施工控制步距研究

隧道施工過程中，仰拱與二襯的施工步距除需滿足圍巖穩(wěn)定與施工安全要求外，還需為設(shè)備提供足夠的作業(yè)空間，當(dāng)存在多設(shè)備配合作業(yè)時，同時還需提供一定設(shè)備行走交織作業(yè)空間，確保各設(shè)備間協(xié)同作業(yè)的緊湊有序，這樣才能最大限度地發(fā)揮機(jī)械施工效率。通過對比分析隧道施工過程中各道工序的機(jī)械配套情況，以獲得滿足機(jī)械化施工組織的施工控制步距。

3.1 仰拱與掌子面距離

仰拱與掌子面間的控制距離需滿足鉆爆、出渣、錨噴、鋼架安裝以及復(fù)噴等施工作業(yè)要求。其中各道工序縱向最小作業(yè)距離為：

1) 鉆爆作業(yè)。三臂鑿巖臺車(18 m)+作業(yè)臺車(10 m)=28 m。

2) 出渣作業(yè)。渣土(10 m)+出渣作業(yè)(20 m)+作業(yè)臺車(10 m)=40 m。

3) 噴錨作業(yè)?；炷翝駠娕_車(10 m)+堆料區(qū)域(10 m)+作業(yè)臺車(10 m)=30 m。

4) 拱架安裝。作業(yè)臺車(10 m)+裝載機(jī)送拱架(10 m)=20 m。

5) 復(fù)噴作業(yè)?；炷翝駠娕_車(10 m)+堆料區(qū)域(10 m)+作業(yè)臺車(10 m)=30 m。

為確保隧道施工效率的最大化，建議工序交織區(qū)預(yù)留距離20 m～30 m，因此建議仰拱距掌子面距離不小于60 m～70 m，建議按70 m進(jìn)行控制。

3.2 二襯與掌子面距離

根據(jù)施工組織需要，二襯與掌子面距離需要考慮以下幾個因素：1) 仰拱距掌子面70 m；2) 仰拱開挖與支護(hù)段落相距(仰拱棧橋式)60 m；3) 鋼筋或防水板鋪掛臺車工作長度10 m；4) 二襯臺車工作長度10 m；5) 工序交織預(yù)留距離15 m。因此，建議二襯與掌子面距離按200 m進(jìn)行控制。

基于機(jī)械化施工組織的施工控制步距研究結(jié)果表明：為滿足施工組織需要，提高機(jī)械化作業(yè)施工效率，建議該隧道Ⅳ級圍巖段仰拱與掌子面間距按照70 m進(jìn)行控制，二襯距掌子面距離按照200 m進(jìn)行控制。

4 試驗段現(xiàn)場實測分析與驗證

在理論分析研究的基礎(chǔ)上，該隧道設(shè)置了200 m試驗段(ZK71+930～ZK72+130)進(jìn)行試驗驗證。根據(jù)施工進(jìn)度，試驗段布置了17個監(jiān)測斷面，實時監(jiān)測預(yù)警，動態(tài)調(diào)整支護(hù)方案，同時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對隧道機(jī)械化全斷面施工過程中圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行對比分析與驗證。典型斷面拱頂沉降隨時間的變化規(guī)律如圖6所示，掌子面后方拱頂沉降縱向分布規(guī)律如圖7所示。

圖6 典型斷面拱頂沉降隨時間的變化規(guī)律

圖7 掌子面后方拱頂沉降縱向分布規(guī)律

由圖6可知，當(dāng)采用機(jī)械化全斷面施工時，隧道掌子面開挖完成后，圍巖沉降變形隨著時間的增長而逐漸增大，變形速率(曲線斜率)隨著時間增大而逐漸減小。監(jiān)測7 d～10 d后，累計變形逐漸趨于收斂，圍巖趨于穩(wěn)定。試驗段施工進(jìn)度約為6 m/d，即距離掌子面42 m～60 m后，圍巖逐步趨于穩(wěn)定。由圖7可知，掌子面掘進(jìn)對掌子面后方50 m范圍內(nèi)的圍巖變形影響較大，距掌子面50 m后圍巖逐步趨于穩(wěn)定，以上分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

現(xiàn)場200 m試驗段施工結(jié)果表明：對于該隧道Ⅳ級圍巖段，在推薦的施工開挖方法、支護(hù)參數(shù)以及施工步距控制條件下，采用機(jī)械化全斷面施工是可行的。

5 結(jié)論

1) 當(dāng)該隧道Ⅳ級圍巖段采用全段面機(jī)械化施工時，掌子面施工對掌子面后方影響距離約為60 m，即二襯跟進(jìn)步距不是影響圍巖穩(wěn)定的主控因素，同時仰拱開挖對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響較小，因此二次襯砌與仰拱的施工控制步距可根據(jù)施工組織方案確定。

2) 綜合考慮隧道圍巖穩(wěn)定與現(xiàn)場施工組織優(yōu)化，對于該隧道Ⅳ級圍巖段采用機(jī)械化全斷面施工時，建議仰拱與掌子面的施工步距按70 m控制，二襯與掌子面距離按200 m控制。

3) 現(xiàn)場200 m試驗段施工結(jié)果表明，對于該隧道Ⅳ級圍巖段，在推薦的施工開挖方法、支護(hù)參數(shù)以及施工步距控制條件下，采用機(jī)械化全斷面施工是可行的。

4) 通過數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗段實測的方法，提出了該隧道Ⅳ級圍巖條件下隧道機(jī)械化全斷面施工步距控制的建議標(biāo)準(zhǔn)，但因隧道地質(zhì)情況差異大，不能包括所有實際隧道工程情況，對類似工程僅供參考。