大断面高速公路隧道机械化施工工法设计优化研究
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摘 要：文章分析了目前机械化施工的现状与问题，对适应机械化施工的台阶法台阶高度和安全步距进行了优化设计，并进行理论分析和数值模拟；提出了对隧道初期支护参数的优化，根据监控量测数据显示优化设计是合理可行的，为大断面隧道机械化施工提供了一定的参考。
关键词：机械化施工 台阶法 安全步距
隧道施工属于高风险工作，隧道坍塌安全事故仍多发。基于以上安全隐患，目前在国家和地方法律法规的要求下，在隧道施工中全面推行机械化施工已势在必行。机械化施工能够加快施工进度、节约劳动力、减轻劳动强度、改善施工条件、提高工程质量、降低工程成本，因此，大型机械化施工是今后隧道施工的发展方向。
1.工程概况
本文依托贵黄高速控制性工程之一的龙昌隧道，单洞长度2170m，隧道采用分离式设计，为双洞六车道，设计时速100km/h，隧道内轮廓净宽15.59m，净高8.0m，Ⅳ级围岩开挖断面平均151.2m3。隧道洞身穿越地层为奥陶系下统桐梓组（O1t）灰岩、寒武系中上统娄山关群（∈2～3ls）白云岩。Ⅴ级围岩340m，占总长7.8%，Ⅳ级围岩4000m，占总长的92.2%。Ⅳ级围岩隧道设计开挖工法采用上下断面环向开挖预留核心土法和三台阶法。
2.机械化施工面临的现状与问题
（1）目前隧道机械化施工现状。目前国内隧道施工在大面积推行机械化施工，但在许多隧道施工中，施工单位迫于推行机械化施工的压力，配备了各种大型设备，但受到安全步距、开挖工法等影响，造成大型机械设备无法充分发挥自身优势、效率低下、形同摆设，并未真真正正的运用到隧道施工中。
（2）施工工法存在问题剖析。目前国内按相关规范设计的台阶法，上台阶高度一般为5～6m，无法满足大型机械设备施工空间要求，如三臂凿岩台车长17.362m×宽3m×高3.664m（作业时高5.5m），按照设计的上下台阶预留核心土工法，三臂凿岩台车无法进行钻爆作业，如按照常规的上下台阶法，掌子面只能供一台凿岩机施展，且三个机械臂不能覆盖全部掌子面，需要移动位置（重新放样供凿岩台车定位），相比人工打眼功效较低，用时较长；为了能发挥大型机械设备的功效，在保证安全条件下，需要适当增大台阶高度。
（3）安全步距存在问题剖析。仰拱采用自行式液压栈桥，配套仰拱模板，液压仰拱栈桥行走灵活，施工方便快捷，有效利用长度为24m；仰拱弧形模板可使仰拱整体一次成型，避免了多次接缝，确保仰拱整体受力，而且可同时浇筑仰拱回填和下一模的仰拱，形成流水作业，加快施工进度。但液压栈桥自身长度44m，仰拱距下台阶长度需30m，下台阶左右两侧需错开10m，上台阶至少需35m才能供两台凿岩台车同时进行施工。但国内施工安全步距要求，四级围岩掌子面距仰拱仅50m，严重制约机械化施工。
综上所述，隧道机械化施工的推行，受到安全步距和开挖工法的影响，高成本投入，起不到良好的效果，比起传统人工施工，机械化功效的优势并未体现，已进入瓶颈阶段，因此迫切需要进行一些尝试，从设计方面寻求理论支持，从其他方面增加安全保障措施，以破解目前推行机械化施工面临的困局。
3.机械化施工工法优化
3.1台阶法理论分析
台阶法是新奥法中适用性最广的施工方法，多适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩中。它将断面分成上半断面和下半断面两部分分别进行开挖。针对三车道大跨度断面的公路隧道而言，国内规范中，也明确了全断面法适用于I-II级、岩质较完整的硬质围岩中，而台阶法适用于III-V级围岩。随着台阶长度的调整，它几乎可适用于所有的地层。因此龙昌隧道采用台阶法是合适的，不适合采用全断面法开挖。
台阶法优点：开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度，有利于稳定，上部开挖支护后，下部作业较安全。缺点：上下部作业互相干扰，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。
台阶的具体高度在规范中未有明确指定，可根据围岩情况、掌子面附近的水文地质条件等情况具体而定。
3.2施工工法优化设计
（1）开挖方法调整。由原设计的上下台阶环形留核心土法开挖调整为上下台阶法开挖，同时尽量加大上台阶高度。开挖、支护顺序说明：①拱部超前小导管注浆预支护；②上台阶开挖；③上半断面初期支护；④下半断面左侧开挖；⑤下半断面左侧初期支护；⑥下半断面右侧开挖；⑦下半断面右侧初期支护；⑧浇注仰拱；⑨敷设防水板，采用模板台车全断面一次模筑二次衬砌混凝土。
（2）安全步距调整。根据机械化配套施工作业面展开距离需要，Ⅳ级围岩仰拱与掌子面距离按不超过80m。
3.3施工工法优化数值模拟计算
3.3.1台阶法安全性数值模拟计算
（1）开挖臺阶高度调整计算。采用平面应变模型对隧道的台阶开挖高度展开研究，当台阶分界线比设计标高高1m时，最高作业空间达7.8m，根据隧道初期支护结构有限元计算，隧道初期支护结构的最小抗压安全系数为2.4，最小抗拉安全系数为4.6，满足规范要求。
3.3.2安全步距调整计算
（1）安全步距调整计算。安全步距适当拉大，掌子面距离仰拱开挖由原设计的50m，拟适当增大到80m。
（2）三维模型计算。通过分析，发现当开挖步距为80m时，拱顶最大沉降为7.26mm，围岩塑性区和喷射混凝土的拉应力增长比较快，拱腰部位的塑性区区域超过了锚杆的长度，锚杆可能发挥不了作用；掌子面后岩体的塑性区也有小幅度增长，应做好掌子面附近的支护与排水工作；喷射混凝土抗拉安全系数为1.2，安全富余量不大。
当开挖步距为90m时，拱顶最大沉降为7.39mm，掌子面后塑性区急剧发展，喷射混凝土抗拉强度接近C25混凝土极限抗拉强度，基本没有安全富余度。
综上所述，建议本隧道IV级围岩段掌子面距仰拱不超过80m，并在拱腰部位塑性区增设钢架锁脚锚杆并加长锁脚锚杆长度。隧道施工中应结合现场监测数据、地质情况实时调整。
3.4支护参数设计优化
机械化施工所需要的台阶高度和安全步距均较人工开挖法大，对初期支护安全稳定系数要求更高。为保证施工安全和洞室稳定，应保证初期支护的施工质量。新奥法设计中初期支护采用锚网喷结构。对于龙昌隧道白云岩地段，应加强锚杆的作用和增加钢架的安全稳定措施。初期支护结构优化设计在原设计基础上增设了钢拱架锁脚锚杆数量，初期支护采用SN锚杆设计，锚杆注浆采用稠度更大的净浆浆液，锚杆安装12h后，用已标定的转矩扳手拧紧螺母，锚垫板持力达到约20kN。类似施加预应力的效果，能更好地发挥锚杆的锚固作用。
4.优化试验段监控量测及建议
4.1监控量测
对于施工工法台阶高度和安全步距的调整，在龙昌隧道Ⅳ级围岩段进行试验段研究测试，根据隧道多个断面的工程实测拱顶沉降和周边收敛数据来看，优化后的开挖方法引起的变形在正常范围内，从实际效果证明了优化方案的可行性。
4.2施工建议
（1）台阶高度优化：加大上台阶高度至7.8m、上下台阶法开挖。
（2）安全步距调整：建议掌子面距离仰拱开挖按75m控制并不超过80m。
（3）初期支护调整：锚杆采用带锚杆垫板的SN锚杆，加长和增设钢架锁脚锚杆。
5.结语
对于三车道大断面隧道机械化施工时，施工工法采用上下台阶法是可行的。上台阶高度可达7.8m。施工中应根据监控量测结果及时调整开挖进尺及上台阶高度，确保施工安全。在初期支护稳定的前提下，掌子面距离仰拱开挖安全步距可适当放宽至不超过80m。
参考文献：
[1]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].北京：人民交通出版社，2010.
[2]JTG F90-2015，公路工程施工安全技术规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
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