0 引言

　　随着我国社会经济的快速发展，作为国民经济大动脉、国家重要基础设施和大众交通工具的铁路工程也迎来了建设黄金时期，“十三五”铁路规划的实施，西南山区将会建设大批高速铁路，且长大隧道占比高，其具有地质复杂、工期长、结构跨度大等诸多难点。目前我国山岭隧道建设普遍采用人工及简易机械配套，存在施工安全风险高、环境差、劳动强度大、质量难以保证、进度慢、效益低等缺点。运用先进的机械成套施工技术是确保隧道施工安全、质量和工期的关键，对施工经济性和安全性都有极大促进。在一定程度上，机械化的配置决定了隧道施工安全、质量和进度。

　　本文以国内某高铁隧道开挖和支护为背景，通过超前地质预报、监控量测^[1]、应力应变测试对围岩及掌子面稳定性进行分析，选取合理的加固参数对围岩进行加固，实现机械化全断面快速施工，对隧道机械化配套施工进行分析研究，总结软弱围岩机械化配套施工优缺点^[2,3]。

　　1 工程概况

　　向家湾隧道全长4 663m，为双线围岩隧道，最大埋深1 025m，设计纵坡为14‰，30‰的单面上坡。隧址区为中山地貌，地形切割深、起伏大、地层单斜、构造作用较弱，节理裂隙较发育，地质主要为页岩夹砂岩。隧道地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。

　　支护参数:(1)超前支护76mm管棚长20～30m，搭接3～5m,50根/循环;(2)初期支护I20b型钢钢拱架间距80cm,28cm厚C30喷射混凝土，系统锚杆长3～5m、拱部采用预应力锚杆，边墙采用砂浆锚杆;(3)二次衬砌50cm厚C35模筑混凝土。超前支护采用自进式管棚代替超前小导管;拱部系统锚杆采用DCP/YE锚杆(预应力锚杆)代替普通砂浆锚杆及组合中空锚杆。

　　2 施工工艺分析

　　目前对于隧道围岩较差地段主要以人工开挖、小型机械设备配合为主，采用分部开挖法，如CD法、CRD法、双侧壁导坑法、九部开挖法等^[4]。分部开挖对围岩存在多次扰动，围岩因反复扰动变形导致强度削弱、承载能力降低以至失稳垮塌。本案例通过强化超前及锚杆支护，采用机械化成套技术，实现了大断面软弱围岩隧道全断面开挖，减少了爆破扰动次数，确保了安全、提升了质量、加快了进度，其施工工序纵断面如图1所示。

　　图1 全断面法施工工序纵断面 

　　2.1 机械配备

　　现场机械按照“性能可靠、满足需要、技术先进、成本节约”的原则进行配备，形成开挖、装运、支护及二次衬砌等机械化平行流水作业线。针对各专业工序按专业化组织流水作业，以性能好、功效高的大型机械装备挖装运、锚喷、衬砌等作业线，实现各机械化作业线的紧密配合，确保隧道施工的快速、均衡^[5]。

　　该隧道钻孔采用全计算机三臂凿岩台车，拱架安装采用多功能半自动拱架安装台架，喷射混凝土采用湿喷机械手，仰拱施工采用桥模一体自行式仰拱栈桥，水沟电缆槽施工采用整体移动式沟槽模架。

　　2.2 优缺点分析

　　2.2.1 机械化配套设备及优点

　　1)三臂凿岩台车采用ZYS113型三臂凿岩台车:工作范围16.6m(宽)×12.65m(高)，钻孔速度1.5～2.5m/min，钻孔直径45～89mm，最大钻孔深度30m。凿岩台车采用全计算机自动精确定位钻孔，自动采集钻孔数据生成地质分析云图，开挖及初支断面三维自动扫描，进行超前管棚施工和超前地质钻探，配合注浆和装药。采用凿岩台车进行开挖钻孔施工，可以减少在掌子面附近施工人员的工时总数量，从而降低瓦斯突出、坍塌及突水突泥等意外事件对人员的损害，减少开挖过程中出现突发状况引起的群死群伤事件;此外，凿岩台车采用隔声驾驶室，能够降低噪声及粉尘危害，改善作业环境。三臂凿岩台车可实现三臂同时钻孔，设备利用率高，大量节约钻孔时间^[6]，比风动凿岩机钻孔效率提高56%～122%，总体施工循环作业时间比人工开挖节省37.3%。

　　2)湿喷机械手混凝土湿喷机械手长7.8m、宽2.53m、高3.28m，喷射垂直高度15m，水平宽度2×13m，深度8m,360°水平喷射，240°喷头旋转。现场采用湿喷机械手作业，较传统湿喷工艺更能保证施工人员安全，提高职业健康环境，降低劳动强度。机械手施工时，操作人员全部处于初期支护已经完成的区域，可避免传统湿喷工艺必须有人员手持喷嘴处于尚未支护的区域，从而减少坍塌及掉块的危害。传统湿喷工艺喷嘴周围粉尘及回弹易对人体造成伤害，混凝土喷射机械手可在较远处遥控喷头，大幅降低粉尘及回弹伤害。

　　采用湿喷机械手可提高混凝土质量，初期支护混凝土抗压和抗剪强度、密实度得到充分保证，避免传统人工喷射混凝土时强度不达标的问题，降低隧道后期的质量缺陷。湿喷机械手作业平均工效为20m³/h，最高能达到35m³/h，而传统人工喷射作业平均工效为4m³/h^[7]。采用湿喷机械手所需人工少、作业效率高，综合成本要小于小型湿喷机，同时降低作业人员劳动强度，提高工效。

　　3)多功能半自动拱架安装台架采用自主研制的多功能半自动拱架安装台架。台架尺寸为:6.67m(长)×6.8m(宽)×5.79m(高)，提升能力4t，提升高度2.926m，行走速度3m/min。其特点是可远程遥控操作，实现钢拱架安装自动提升、顶升与定位功能，大大降低劳动强度，保证钢架安装质量。顶部平台可存放5榀预拼装好的钢拱架，可实现钢拱架安装、锁脚锚管施工、网片铺设焊接、中部炮眼台车钻孔同步作业。

　　4)桥模一体自行式仰拱栈桥采用自主研制的桥模一体自行式仰拱栈桥。栈桥尺寸为:51.6m(长)×4.45m(宽)×3.7m(高)，有效工作长度36m，承载能力50t，如图2所示。其特点是为隧道仰拱施工提供充足的作业空间，可实现栈桥上车辆设备正常通行、掌子面施工与仰拱施工平行作业、互不干扰的效果。有效工作长度36m，可分为3个区域平行作业，实现仰拱初支、钢筋绑扎、混凝土施工等强多工序同步作业。同时，中心水沟模板、仰拱曲模与栈桥一体化^[8]，大大提高施工效率。端头模板配备止水带定位夹具，保证中埋止水带的安装质量。

　　图2 自行式仰拱栈桥  

　　2.2.2 普通钻爆法

　　普通钻爆法^[9]爆破孔主要依靠人工配合采用风动凿岩机、液压钻和简易的钻孔台架完成，存在掌子面人员多、安全风险高、效率低等缺点。锚杆施作主要采用人工手持风钻打孔，难以实现锚杆径向或近垂直岩面施作的要求。喷射混凝土作业主要采用干喷机、潮喷机和小型湿喷机，存在工效低、环境差等缺点。

　　2.3 技术要点

　　2.3.1 信息化施工动态设计

　　建立隧道监控量测信息化平台^[10]，设定围岩变形限值，当沉降量大于限值时，实施红色、黄色报警，及时采取相应措施，确保隧道施工安全。同时加强隧道沉降数据分析，为调整支护参数提供依据，进一步优化初支参数。

　　2.3.2 初支及时封闭

　　隧道机械化施工^[11]一般围岩优先采用全断面法开挖，其次采用台阶法开挖，不采用CD法，CRD法等多部复杂开挖方式。较差围岩通过加强超前支护或掌子面加固等措施提高围岩自稳能力，创造大断面开挖条件。全断面开挖时仰拱初支一次性开挖到位，台阶法开挖时仰拱初支随下台阶一次开挖成型，初支及时封闭，封闭时间一般不超过4d，通过初支及时封闭可大大降低拱顶沉降和周边收敛变形，有效确保施工安全。

　　3 工法应用效果

　　3.1 监测结果与分析

　　从围岩量测数据反映，一般拱顶沉降和周边收敛均在20mm以内，隧道最大拱顶沉降为32mm，收敛36mm，监控量测数据如表1所示。

　　表1 监控量测数据 

　　表1 监控量测数据

　　布设锚杆轴力、初支喷射混凝土应力、初支钢拱架应力、围岩与初支接触压力等应力应变测点，并按照每天1～2次的频率进行监测^[12]，监测数据如表2所示。

　　表2 围岩应力应变监测数据 

　　表2 围岩应力应变监测数据

　　由表2可知，总体变形值较小，软岩地段通过设计支护参数的调整，全断面开挖施工安全可控，工序简单，有利于围岩稳定，技术上可以实施。

　　3.2 安全质量控制效果

　　3.2.1 初支及二衬施工质量得到较好保障

　　1)喷射混凝土质量高湿喷机械手的应用大大提高了喷射混凝土质量，现场多次取芯抽检喷射混凝土强度，均满足设计要求。同时提高了喷射混凝土施工效率，改善作业环境。

　　2)锚杆、拱架安装质量较高利用凿岩台车施做系统锚杆孔，可有效改善拱部锚杆孔的钻孔角度，确保垂直于岩面，提高系统锚杆的施工质量;自动拱架安装台架^[13]实现钢拱架安装自动提升、顶升、定位功能，能提高安装精度，保证钢架安装质量。

　　3)仰拱质量高仰拱分段浇筑，实现仰拱初支、衬砌及填充分区域平行作业，保证了各工序的施工质量。

　　4)二衬混凝土质量高采用改进的衬砌模板台车，通过主料斗与主、分流槽结合的方式，实现二衬混凝土的逐窗浇筑^[14]。台车配置钢端模止水带夹具、拱顶灌注防空洞检测系统、端头合模压力检测系统、自动振捣系统等，有效提高了衬砌混凝土浇筑质量。

　　3.2.2 初支措施强化、质量可控，施工安全得到较好保障

　　超前管棚和预应力锚杆的应用，极大提高了隧道初支和周边围岩的承载力，较好落实了“新奥法”理念。同时采用全断面开挖，减少对围岩的扰动。如苏家岩隧道采用一次性初支封闭成环工法，仅3～5d就完成初支封闭，围岩变形控制到位。根据围岩监测情况可知，所有点的变形值均在允许范围内，未出现异常变形数据，苏家岩隧道一般变形值在10mm左右，向家湾1号隧道^[15]一般在20mm以内，最大收敛36mm，最大沉降32mm，施工安全可控。

　　3.3 部分工序效率

　　1)钻孔速度快利用凿岩台车钻孔深度4m，耗时不足2min，每循环较人工钻孔节约30～50min。

　　2)每循环进尺长采用全断面开挖，IV级围岩每循环进尺达到3～4m，较普通台阶法进尺1.6m长。

　　3)仰拱施工快采用加长型自行式仰拱栈桥^[16]，可实现仰拱衬砌及填充混凝土等强同步作业，加快仰拱施工进度。

　　该隧道IV级围岩平均进度110m/月，V级围岩平均进度75m/月，进度较快。Ⅳ级围岩每循环进尺4m，用时约18.8h;Ⅴ级围岩每循环进尺3.2m，用时约17h。随着作业人员对大型机械的熟练掌握运用，进度还有很大的提升空间。

　　4 结语

　　通过机械化成套工法在某隧道软弱围岩中的应用与研究，得出以下结论。

　　1)机械化成套工法质量可靠、安全可行，可以解决传统施工开挖炮眼精确定位、系统锚杆精准安装等施工难题，缩短各道工序的循环时间，部分工序效率得到了提高。

　　2)通过提高隧道施工机械化水平，能够提高初支及二衬施工质量，确保施工安全。

　　为更好发挥机械化施工优势，建议进一步开展以下研究:优化支护措施，在有超前管棚支护和型钢拱架支护的基础上，探讨取消或减少系统锚杆设置，进一步压缩成环时间，控制围岩变形，形成设计参数和大型机械作业有机配套;进一步改进国产凿岩台车钻臂结构功能，解决周边炮眼外插角过大等问题;进一步研发锚杆快速施工设备，以期降低施工成本，加快施工进度。