长胜特长隧道快速施工技术研究

张潘

（四川公路桥梁建设集团有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）

1 工程概况

长胜隧道地处巴中市通江县九龙村。该隧道属于分离式隧洞，右侧沿线总长度为3.532km，起止桩号为K91+882—K95+414，其中Ⅳ级围岩长度设计为2.320km，V级围岩长度设计为1.212km；左侧沿线总长度为3.540km，起止桩号为ZK91+875—ZK95+415，其中Ⅳ级围岩长度设计为2.390km，V级围岩长度设计为1.150km。

2 工程重难点

长胜特长隧道全长3.540km，掘进工期10个月，作为全线主要控制性工程，采取进出口双向掘进，同时设置两个施工横洞辅助正洞开挖。

2.1 工程重点

（1）隧道区域内的地址结构组成比较复杂，为近水平砂泥岩互层，在施工过程中必须保证仰拱施工质量，防止水平岩层仰拱隆起。

（2）因工期紧，V级围岩占比大，循环进尺短，施工时要保证超前支护施工质量符合规范要求，防止水平岩层掉块（坍塌）伤人。

2.2 工程难点及对策

（1）工程难点：工期短，作业面多，水平岩层掉块、坍塌、水平岩层仰拱隆起。

（2）对策：①提高施工效率：微创新超前支护系统展开作业，V级围岩超前支护系统采用8mφ51自进式锚杆，并应用锚喷台车钻孔喷浆，在围岩表面喷射高强度混凝土，以保证施工人员的安全，缩短循环作业的时间；②仰拱施工建议：施工前对施工班组进行技术交底，加大质量管控的力度，当仰拱开挖施工完成后复核开挖断面，确保符合设计要求；③洞身开挖建议：因隧道开挖跨径约14m，水平层理对其影响大，水平岩层在拱顶的梁式效应将减弱，施工过程中加强超前支护，合理调整施工工序，避免过分找顶，及时进行初喷封闭，优化爆破设计。

3 特长隧道快速施工技术

长胜隧道快速施工技术主要从机械化施工和主动支护体系两方面进行研究。根据围岩变形特点，如何高效控制未支护段围岩的早期变形，达到“快挖、快支”的目的，是本隧道施工研究的关键技术。

3.1 超前支护

采用机械化快速施工时，掌子面的稳定性控制是重点。因此，采用以“超长自进式锚杆群”的超前支护，对稳定性较差的掌子面围岩进行提前干预、加固，保障其长时间内或“两炮一支护”循环时间内掌子面围岩保持稳定，为大型机械设备提供作业空间的同时，节省支护作业时间，确保掌子面附近作业人员的安全，达到安全、快速施工的目的。

结合近水平砂泥岩互层围岩的结构特征，隧道开挖后，水平岩层在拱顶的梁式效应将减弱，在节理的影响下容易断裂，同时受开挖轮廓线的切割，极易形成拱顶掉块甚至坍塌，因此“超长自进式锚杆群”充分发挥了支撑围岩、加固围岩及“组合梁”“悬吊”的作用。

“超长自进式锚杆群”主要采用大倾角（10～15°）和小倾角（5～10°）相结合的方式交错打设8mφ51自进式锚杆，为确保施工过程中“两炮一支护”的安全，采用极限平衡法分析确定超前支护措施参数，引用掌子面稳定系数K作为评判标准，使用拟定的支护参数计算K，根据计算结果与掌子面设计稳定系数[K]=1.15比较，判定超前支护措施是否满足掌子面稳定性要求。掌子面稳定系数K按式（1）～式（5）计算：

式（1）～（5）中：K为掌子面稳定系数；P1为掌子面锚杆支护合力（kN）；β1、β2、β3为与φ相关的系数；α1为自进式锚杆支护下掌子面前方扰动段竖向形变压力折减系数；α2为掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数；FW为掌子面滑移体自重（N）；FC为掌子面滑移面黏聚力合力（kN）；Fq为掌子面滑移体上方竖向形变压力合力；θ0为掌子面破坏角（°），θ0=( )π/4+φ/2；φ为围岩内摩擦角，按规范选取；c为围岩黏聚力；B为掌子面跨度；D为掌子面上台阶高度。

P1为掌子面自进式锚杆支护合力，并按式（6）计算：

式（6）中：P1i为第i排掌子面锚杆支护合力（kN），按式（7）～式（12）计算：

式（7）～（12）中：mbi为第i排掌子面锚杆横向排数；P11i为第一种破坏模式对应的第i排锚杆锚固力（kN），P12i、P13i、P14i、P15i符号同理；db为掌子面锚杆直径（m）；fb为掌子面自进式锚杆抗拉强度（MPa）；lIi为第i排掌子面锚杆在非锚固区中的长度（m）；ft为掌子面锚杆浆体抗拉强度设计值（MPa）；dh为掌子面锚杆钻孔直径（m）；λ为围岩侧压力系数；α0为掌子面滑移体上方竖向变形压力折减系数，可取1.0；q为围岩压力（Pa）；lIIi为第i排掌子面锚杆在锚固区中的长度（m）。

在近水平砂泥岩互层围岩情况下，α1、α2取值见表1和表2。

表1 φ51mm自进式锚杆支护下掌子面前方扰动段竖向形变压力折减系数α1取值

表2 掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数α2取值

通过以上计算分析，长胜特长隧道采取“两炮一支护”工艺，每炮进尺3m，完成开挖6m后再进行支护作业，极大地缩短了作业时间。超前支护采用φ51自进式锚杆，设计参数见表3。

表3 设计参数

3.2 自进式锚杆施工方法

（1）利用红外线全站仪放线出锚杆的具体位置，严格控制自进式锚杆外插角度，并将锚杆钻机准备就绪。自进式锚杆布置及构造如图1、图2所示。

图1 自进式锚杆布置图

图2 自进式锚杆构造图

（2）自进式锚杆安装：自进式锚杆自带合金钻头，因此施工过程中将自进式锚杆安装在锚杆钻机上，自进式锚杆分段长度为4m，采用锚杆钻机按放样的点位进行钻孔，当第一节自进式锚杆钻进剩余50cm时，采用连接套安装第二节自进式锚杆（4m），安装完成后继续钻进直至设计长度。

（3）注浆：将注浆接头安装在锚杆端部的旋转装置上，然后连接注浆管道，按照前期试验确定的浆液配比配置浆液，开始注浆，注浆量根据围岩情况确定。

3.3 洞身开挖

结合“新奥法”的基本要求，在自进式超前锚杆群的保护作用下采取“两炮一支护”工艺，因此在开挖隧道时应降低机械施工对周围岩体的影响，确保周围的岩体具有足够的稳定性，不会出现崩塌事故。所以，在钻爆作业时应使用光面爆破技术，结合水平砂泥岩互层岩层特性，采用公司自主研发的光面爆破设计软件进行爆破参数设计，结合勘察数据对爆破技术参数进行调整，从而达到最佳爆破效果。

钻爆作业控制关键点：（1）炮孔的深度、直径、间距必须符合设计要求；（2）掏槽眼的间距误差、辅助眼的行距误差、周边眼在断面轮廓线上的误差均控制在5cm以内，眼底的断面轮廓线不得超过10cm；（3）钻眼布设完成后，结合布置图检查钻眼的质量并形成完整的检查记录，对检查不合格的炮眼应返工处理；（4）装药之前将炮眼清理干净，确保炮眼内不存在泥浆、石屑等杂物，装药完成后对炮眼顶部做封堵处理，封堵的厚度不得低于20cm；（5）爆破作业之前，施工现场所有人员必须撤离至安全区域，爆破后由技术人员对洞内的有害气体进行检测，检测合格才可以进行后续施工[1-2]。

3.4 喷射混凝土施工

在爆破开挖后，拱顶下沉变形速率和水平收敛速率相对较大，虽然通过超前支护抑制了围岩的变形，但为进一步确保施工安全，必须在完成一炮开挖作业后及时封闭周边围岩；为缩短作业时间，初喷混凝土厚度不低于5cm，采用湿喷机械手作业，喷射混凝土采用强度等级不低于C30的喷射混凝土，8h、24h龄期强度达到10MPa、15MPa。

3.5 二衬及仰拱施工

（1）二次衬砌。当围岩与初期支护趋向于稳定，达到设计要求后进行二次衬砌施工，主洞二次衬砌模板台车采用12m步履式二衬台车，加宽带衬砌施工使用10m步履式可伸缩衬砌台车，所有衬砌台车均加装布料系统和电缆沟边模。该设备的作业效率非常高，不但避免了传统施工中加宽段台车的二次装拆，而且缩短了工期，确保了二衬混凝土的外观质量。

（2）仰拱施工。仰拱、先拱墙进行二次衬砌时，在支护体系完成后立即开挖仰拱部分的土方并浇筑混凝土，促使初期支护在短时间实现闭合，为后续施工提供便捷[3]。由于水平砂泥岩互层最大的质量通病是后期仰拱出现隆起现象，因此，在施工仰拱过程中一定要严格按照设计要求进行开挖，并在浇筑混凝土之前将隧道内的杂物、积水清理干净。超挖部分使用混凝土回填，浇筑过程中由中间向两侧进行，确保混凝土振捣密实。仰拱的单次施工长度保持在6m，因渣土运出与仰拱施工之间会相互干扰，为节省作业时间，施工使用20m的自行式仰拱栈桥，栈桥不但可以纵向移动，还能横向移动。

3.6 机械化设备配套

为缩短工期，达到机械减人、机械化换人的目的，长胜特长隧道结合开挖断面尺寸、围岩特性等，优化设备配置，大幅提升了隧道施工安全、效率和质量。长胜隧道机械化施工各工序主要装备配置表见表4。

表4 长胜隧道机械化施工各工序主要装备配置表

4 施工效果

长胜特长隧道使用“超前预支护+光面爆破+早期喷射混凝土+机械配套施工”工艺具有良好的施工效果。基于施工人员的数量来看，降低了掌子面施工人员的数量，同时降低了防水板施工人员的工作强度；基于施工环境来看，该施工模式可以改善隧道内部的环境，降低施工过程中的噪声量，不会对隧道内部的环境造成污染，且能够保证施工人员的个人安全；基于施工质量层面来看，混凝土喷射机械手可以保证混凝土浇筑后的密度，施工质量显著提升。二次衬砌台车可以实现带膜注浆，避免出现拱顶空洞现象，保证施工质量。

5 结语

特长隧道施工是高速公路修建过程中面临的施工难题之一，快速掘进设备的出现能够弥补现有的施工技术。本文对特长隧道中采用的超前支护工艺、快速掘进施工设备进行分析，验证出这种快速施工技术具备良好的应用效果，使3.5km隧道在10个月完成开挖，希望能为同类项目提供参考。