楊繼才

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升對(duì)我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展也起到重要的推進(jìn)作用，隨著我國(guó)高速公路隧道工程建設(shè)難度不斷增加和建設(shè)數(shù)量不斷增多，在高速公路隧道工程施工作業(yè)環(huán)節(jié)中，因機(jī)械開(kāi)挖超欠誘發(fā)的圍巖變形、隧道坍塌事故不斷發(fā)生。國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究方向多以隧道支護(hù)、圍巖加固等為主，未針對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的隧道工程項(xiàng)目展開(kāi)深入研究。因此，文章以黃土隧道工程項(xiàng)目為例，對(duì)該隧道工程機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)超欠開(kāi)挖的原因以及具體的控制工藝展開(kāi)分析，期望對(duì)全面提升高速公路隧道工程建設(shè)質(zhì)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(shè)計(jì)模式，其中左線樁號(hào)ZK116+830—ZK117+931，長(zhǎng)度1101m；右線樁號(hào)為K116+810—K117+905，長(zhǎng)度1095m，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)速為80km/h，采用I 類路面荷載，左、右兩側(cè)各設(shè)單行道。隧道的最大開(kāi)挖高度為9m，寬度為11m，開(kāi)挖面為108m2。工程場(chǎng)地地處黃土溝壑區(qū)，地形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較其他區(qū)域偏弱，地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 隧道開(kāi)挖方案確定

2.1 方案選擇

高速公路隧道開(kāi)挖作業(yè)主要采用鉆爆法和機(jī)械開(kāi)挖法。前者施工成本較低，但機(jī)械化程度不足，容易對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生影響，無(wú)法保障隧道斷面成型質(zhì)量；而后者則具有施工效率高、更具安全性等特征。地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等因素均會(huì)對(duì)隧道工程開(kāi)挖作業(yè)產(chǎn)生負(fù)面影響。

機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中，土體會(huì)沿著節(jié)理松張或剪斷，加劇隧道坍塌風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，受施工技術(shù)、測(cè)量工藝以及現(xiàn)場(chǎng)管控等因素影響，隧道也可能出現(xiàn)機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，在高速公路隧道工程施工中，做好地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探以及提前預(yù)測(cè)工作非常關(guān)鍵，不僅可以顯著提升項(xiàng)目施工效率，還可以避免機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象的出現(xiàn)。該隧道工程項(xiàng)目在開(kāi)展施工作業(yè)前，施工現(xiàn)場(chǎng)安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)檢測(cè)工作。經(jīng)過(guò)前期勘察檢驗(yàn)以及土質(zhì)取樣測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，該隧道土體含水率在8.4%～9.9%，含水率較低，比較適合應(yīng)用機(jī)械開(kāi)挖法。機(jī)械開(kāi)挖法又可以細(xì)分為懸臂掘進(jìn)以及挖掘機(jī)開(kāi)挖兩種，為提升隧道工程施工質(zhì)量，減少掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間，避免隧道拱頂沉降和圍巖坍塌，該工程項(xiàng)目最終選用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖方案。經(jīng)過(guò)初步規(guī)劃，采用該作業(yè)方法針對(duì)隧道掌子面進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，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(huán)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間，對(duì)比使用挖掘機(jī)作業(yè)可大幅度縮短作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，也可以有效預(yù)防機(jī)械開(kāi)挖超欠，實(shí)現(xiàn)斷面一次成型[1]。懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)方式產(chǎn)生的開(kāi)挖面也比較平整，對(duì)周?chē)鷩鷰r的影響較小，應(yīng)用該作業(yè)方式能夠確保隧道開(kāi)挖和支護(hù)工程的有效銜接，大幅度提升隧道工程項(xiàng)目施工的安全性。

2.2 機(jī)械化配套施工作業(yè)

結(jié)合隧道工程案例圍巖參數(shù)可知，為了持續(xù)提升隧道周?chē)馏w結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，施工現(xiàn)場(chǎng)可在參考支護(hù)作業(yè)、懸臂掘進(jìn)機(jī)施工參數(shù)的前提下，針對(duì)不同區(qū)域采用不同的掘進(jìn)作業(yè)方法。例如，對(duì)該隧道淺埋段正洞洞身進(jìn)行開(kāi)挖，可以使用中隔壁法；對(duì)深埋段區(qū)域進(jìn)行開(kāi)挖則可以采用三臺(tái)階施工技術(shù)，確保初支結(jié)構(gòu)一次成型，進(jìn)一步提升隧道工程項(xiàng)目的施工效率；為了增強(qiáng)隧道掌子面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，針對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行施工時(shí)，采取左右幅分別開(kāi)挖的方式，此時(shí)懸臂掘進(jìn)機(jī)僅需要移動(dòng)一次，上臺(tái)階施工完成后再對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

案例中的黃土隧道在進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，施工項(xiàng)目組通過(guò)調(diào)查同類型施工案例，并且結(jié)合該工程項(xiàng)目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、圍巖地質(zhì)條件以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況等要素，對(duì)三臺(tái)階施工工藝加以優(yōu)化，采用兩臺(tái)階機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)方案，直接使用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，開(kāi)展初支施工時(shí)，則采用配套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工。機(jī)械配套情況如表1 所示。

表1 機(jī)械配套情況表

3 機(jī)械開(kāi)挖超欠的影響因素和控制技術(shù)分析

在進(jìn)行高速公路隧道機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，必須考慮隧道周?chē)膰鷰r地質(zhì)條件，根據(jù)具體的施工參數(shù)做好超欠開(kāi)挖控制工作，靈活調(diào)整施工方案。

3.1 機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象的原因

結(jié)合大量施工案例可知，導(dǎo)致隧道工程出現(xiàn)超欠開(kāi)挖的原因包括土體含水率、開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺、臺(tái)階長(zhǎng)度、預(yù)留變形量以及機(jī)械設(shè)備配置參數(shù)等。

3.1.1 土體含水率

土體含水率是導(dǎo)致超欠開(kāi)挖現(xiàn)象出現(xiàn)的核心因素。如果隧道中土體含水率較高，不僅會(huì)削弱周?chē)鷩鷰r結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)施工方案設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。隧道土體含水率在15%～19%時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)的脫水收縮率較低、穩(wěn)定性較好，開(kāi)挖作業(yè)工程中的坍方和掉塊概率相對(duì)較低，施工人員可以根據(jù)實(shí)際施工要求，靈活調(diào)整開(kāi)挖進(jìn)尺。隨著土體含水率增加，其穩(wěn)定性也會(huì)降低，在開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，隧道拱頂和兩側(cè)的掉塊概率同樣會(huì)有所增加。當(dāng)土體含水率超過(guò)23%，此時(shí)黃土的穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，開(kāi)挖作業(yè)時(shí)非常容易出現(xiàn)坍方[2]。

3.1.2 開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺

一般情況下，機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)時(shí)的循環(huán)進(jìn)尺越大，對(duì)周?chē)鷩鷰r結(jié)構(gòu)的破壞也就越大，會(huì)嚴(yán)重降低圍巖穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象。

3.1.3 臺(tái)階長(zhǎng)度

在隧道臺(tái)階施工作業(yè)過(guò)程中，如果臺(tái)階過(guò)長(zhǎng)，會(huì)延長(zhǎng)仰拱閉合時(shí)間，進(jìn)而降低開(kāi)挖面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.1.4 預(yù)留變形量

在隧道施工作業(yè)中，如果施工區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定，那么預(yù)留形變量數(shù)值和機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象發(fā)生率成正比。

3.1.5 施工管理因素

高速公路隧道開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中，工程施工管理不佳也是導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象發(fā)生的主要因素。隧道機(jī)械開(kāi)挖超欠控制成效可以直接反映施工隊(duì)伍的管理水平，如果施工人員綜合素質(zhì)低下或制訂的隧道施工方案不夠完善，都會(huì)誘發(fā)機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象。例如，部分技術(shù)人員在隧道周?chē)蚩鬃鳂I(yè)時(shí)，為了追趕施工進(jìn)度，沒(méi)有及時(shí)將開(kāi)挖輪廓線和周邊孔樣置于掌子面上，僅參考上一循環(huán)初支斷面進(jìn)行打孔作業(yè)，會(huì)加劇隧道機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象。再比如，如果施工現(xiàn)場(chǎng)不重視施工流程監(jiān)督管理工作，就會(huì)加劇機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象發(fā)生的概率[3]。在隧道工程項(xiàng)目施工中，個(gè)別技術(shù)人員缺乏隧道作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，未嚴(yán)格按照施工流程進(jìn)行施工，同樣會(huì)給高速公路隧道工程項(xiàng)目施工產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.2 隧道機(jī)械開(kāi)挖超欠控制技術(shù)分析

3.2.1 做好土體含水率監(jiān)測(cè)工作

在高速公路隧道工程機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)中，需要綜合考慮施工場(chǎng)地的斷面特征及其土體含水量等，明確圍巖參數(shù)。對(duì)土體含水率進(jìn)行合理的劃分，據(jù)此優(yōu)化施工方案，確定臺(tái)階開(kāi)挖長(zhǎng)度和懸臂掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺參數(shù)，從而形成基于極限含水量的施工方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道機(jī)械開(kāi)挖超欠的有效控制。對(duì)于存在嚴(yán)重機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象的隧道掌子面區(qū)域，在開(kāi)挖工作結(jié)束后，應(yīng)采用鋼筋網(wǎng)材對(duì)其進(jìn)行加固，然后根據(jù)施工作業(yè)要求完成混凝土噴射工作，架設(shè)鋼架作為初支。

3.2.2 合理控制開(kāi)挖循環(huán)時(shí)長(zhǎng)

隧洞開(kāi)挖后，上部圍巖將產(chǎn)生一定的變形，并逐漸向塑性變形發(fā)展，進(jìn)而引起上部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，故需對(duì)上部開(kāi)挖及初期支護(hù)時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制。該項(xiàng)目采用兩臺(tái)階機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)方式，盡管臺(tái)階長(zhǎng)度為懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)提供了足夠的空間，但也會(huì)影響挖掘表面的穩(wěn)定度。因此，在進(jìn)行噴漿前，機(jī)械手必須至少移動(dòng)2 次，直到下臺(tái)階的混凝土噴完后，才能進(jìn)入上臺(tái)階[4]。在施工環(huán)節(jié)，如果機(jī)械手混凝土噴射不連貫，可能導(dǎo)致管路堵塞，因此必須嚴(yán)格控制上下臺(tái)階混凝土噴射時(shí)間，最佳間隔時(shí)間在180min 以內(nèi)，這樣可以有效降低堵管概率。同時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)必須做好施工組織設(shè)計(jì)工作，在不影響工程進(jìn)度和質(zhì)量的前提下合理安排作業(yè)工序，減少機(jī)械開(kāi)挖循環(huán)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，減少掌子面暴露的時(shí)間，提升圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.3 優(yōu)化臺(tái)階長(zhǎng)度

在極限含水率施工作業(yè)方案下，施工現(xiàn)場(chǎng)必須根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，保障斷面穩(wěn)定性。技術(shù)人員可以參照臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)機(jī)械開(kāi)挖超欠數(shù)值進(jìn)行測(cè)算，然后靈活調(diào)整臺(tái)階長(zhǎng)度。結(jié)合案例可知，隧道施工中使用的CTR300R 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械手的懸臂半徑為13m，據(jù)此能夠計(jì)算出上臺(tái)階為4m，中臺(tái)階為4.5m，下臺(tái)階為3m。為了減少挖掘周期，機(jī)械手的工作時(shí)間必須控制在120min 以內(nèi)。

3.2.4 控制預(yù)留變形量

高速公路隧道開(kāi)挖結(jié)束后，需要進(jìn)行斷面測(cè)繪，掌握隧道頂部的沉降及圍巖的收縮狀態(tài)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，技術(shù)人員需要對(duì)預(yù)留的變形量進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)預(yù)留變形量超出控制范圍造成的機(jī)械開(kāi)挖超欠。此外，為了減小施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，在開(kāi)挖工作結(jié)束后，應(yīng)留下30cm 寬的人工調(diào)節(jié)間距[5]。

3.2.5 機(jī)械開(kāi)挖施工監(jiān)測(cè)

為有效地控制機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象，掌握其對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響，保證后續(xù)施工的安全，該項(xiàng)目嚴(yán)格依照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3660—2020）進(jìn)行全程監(jiān)控，監(jiān)測(cè)隧道拱頂沉降和水平收斂，測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1 所示。

圖1 拱頂沉降及水平收斂測(cè)點(diǎn)布置

參照預(yù)留初始沉降變形量，技術(shù)人員對(duì)不同圍巖類型的掌子面的實(shí)際沉降變形量進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)時(shí)間如下：一是隧道開(kāi)挖成型后12～24h 內(nèi)；二是隧道二襯澆筑前沉降變形穩(wěn)定20d 以后。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)，對(duì)得出的觀測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定不同類型圍巖的最終預(yù)留沉降變形量，并將觀測(cè)參數(shù)作為后續(xù)隧道工程施工的主要參考依據(jù)。

表2 最終實(shí)際預(yù)留沉降變形量統(tǒng)計(jì)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(zhì)量是高速公路隧道工程建設(shè)的核心要求，也是施工企業(yè)必須遵循的原則。施工現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)量為核心。明確施工管理制度，優(yōu)化施工流程，參考施工中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)完善施工方案。技術(shù)人員要根據(jù)隧道工程項(xiàng)目施工進(jìn)度，做好施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)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(kāi)挖作業(yè)施工工藝，確保隧道工程順利開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高速公路隧道工程開(kāi)挖作業(yè)施工時(shí)，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)施工方式可顯著提升施工效率。在該工程案例中，開(kāi)挖量可達(dá)到59m3/h，月進(jìn)尺量高達(dá)101m，不僅保障了施工進(jìn)度，還可以有效控制隧道機(jī)械開(kāi)挖超欠現(xiàn)象。因此，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的隧道工程作業(yè)中，一定要采取各種方法保障掌子面圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，靈活調(diào)整施工進(jìn)度。隧道工程施工作業(yè)不僅要做好初支工作，還要做好掌子面的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)工作，借此有效控制隧道拱頂沉降和圍巖水平。