隧道全断面带仰拱一次性开挖技术应用
０ 引言
目前公路、铁路隧道全断面开挖过程中，一般采用仰拱单独开挖方式，没有随全断面一次开挖成型。掌子面开挖一段距离后，单独二次开挖施工仰拱。初支封闭成环与掌子面距离较大，尤其在软弱围岩隧道中，不利于初支尽早封闭成环；多次开挖，工序繁琐，火工品单耗增高，影响施工进度；高海拔地区单独配备设备人员，造成资源浪费。本文通过在高海拔软弱围岩隧道中，研究全断面带仰拱一次性开挖施工工艺，对隧道安全高效施工具有重要意义。
１ 工程概况
某高原铁路项目某隧道２＃斜井工区起讫里程ＤＫ９８３＋４１８～ＤＫ９８９＋２７０，全长５８５２ｍ，隧道设计为两座单线铁路隧道，断面尺寸７.５ｍ×６.９ｍ（长×宽），开挖断面约８０ｍ²（图１）。
隧道围岩主要为古近系宗白群砂岩夹泥岩，岩质较软，节理裂隙较发育，围岩整体较破碎、掌子面存在线状出水，遇水有软化现象，围岩级别为Ⅳ级，隧道采用全断面法进行施工作业，大型机械化配套施工。
隧道前期在采用仰拱以上部分一次开挖、仰拱部分二次开挖的工艺，但仰拱二次开挖不仅会增加开挖工序时间、仰拱进尺缓慢、导致安全步距存在超标隐患，也会影响隧道的整体施工组织。针对上述问题，项目基于大型机械化配套优势，针对Ⅳ级软弱围岩开展了爆破设计、优化炮孔设计、装药参数等工作，研究了隧道正洞全断面带仰拱一次性开挖施工工艺。
２ 施工工艺
２．１ 全断面带仰拱一次性开挖工艺介绍
全断面带仰拱一次型开挖采用铁建重工三臂凿岩台车爆破钻孔。钻孔前掌子面后方７ｍ长度范围仰拱高度需预留台车钻臂空间，凿岩台车支立于距掌子面８ｍ位置，轨面以上部分与仰拱同时钻孔，钻孔完成后采用装药台车进行装药，整体一次性起爆，全断面成型，实现真正意义上的全断面开挖。出渣同时预留７ｍ长度台车钻臂空间，拱墙和仰拱初期支护同步施作，依次循环作业，缩短工序时间，加快施工进度。
２．２ 全断面带仰拱一次性开挖工艺流程
２．２．１ 场地平整
三臂凿岩台车就位前，采用挖掘机对场地进行平整，确保场地满足大机行走以及支腿平稳固定，形成推进梁钻孔的作业空间。
２．２．２ 凿岩台车定位及钻孔
现场依据测量控制点进行初次定位，定位后系统根据隧道中线及开挖轮廓线对炮孔位置实现精确定位，钻孔施工时，将数字化爆破设计图导入台车控制系统，控制中心准确，严格控制作业臂钻孔角度进行钻孔。
２．２．３ 装药爆破
三臂凿岩台车完成钻孔作业退出后，装药台车就位，组织装药作业，周边光爆孔采用纵向间隔装药，为更好的控制装药比例与装药距离，在炸药安装前，逐孔量测周边眼深度，将药卷绑扎在竹片上保证装药间距（图２、图３）。
每个孔内采用导爆管进行连接，确保完整的起爆网络，孔口设置水袋进行堵塞，堵塞长度不小于５０ｃｍ，确保周边孔良好的爆破效果。
２．２．４ 出渣作业
爆破完成后及时进行通风，安全员按照规定检查完毕后，采用装载机配合自卸车进行出渣作业，洞渣清理完毕后，再采用挖掘机进行找顶和排险。
２．２．５ 测量及欠挖处理
测量人员使用３Ｄ扫描仪对本循环进行全断面扫描，对欠挖位置进行标记，根据欠挖面积、程度选择铣挖或补炮进行欠挖处理。
２．２．６ 隧道初喷作业
找顶排险完成后，对场地再次进行平整，清理完成后，采用湿喷机械手进行初喷作业。
２．２．７ 初支及复喷作业
初喷完成后，按照设计图纸支护参数要求，进行钢架安装、锚杆打设、挂设钢筋网片等支护作业，最后再采用湿喷机械手进行复喷作业。
２．２．８ 仰拱回填及场地平整
复喷作业完成后，将已开挖仰拱按要求坡度进行回填，确保下循环凿岩台车、装药台车等大型机械有合适的作业空间。
２．３ 全断面带仰拱一次性开挖爆破设计
正洞Ⅳ级围岩拱架间距１.２ｍ／榀，一次爆破进尺２.４ｍ，全断面不带仰拱一次开挖设计炮孔数量１６６个（图４（ａ）），开挖断面６９ｍ³，炸药单耗量１.１ｋｇ／ｍ³。全断面带仰拱一次开挖设计炮孔数量１８０个（图４（ｂ）），开挖断面７７ｍ³，炸药单耗量１.０２ｋｇ／ｍ³。
３ 全断面带仰拱一次性开挖实施效果分析
全断面带仰拱一次性开挖施工工艺已在高原铁路２＃斜井全面推广（图５），已累计施工１３００ｍ，根据现场实施情况来看，单线隧道全断面带仰拱一次开挖法实施效果总体可行，一定程度上减少了仰拱开挖工序时间，且能够加快仰拱循环，优化整体施工组织。
３．１ 工序时间分析
单线隧道全断面带仰拱一次开挖比全断面不带仰拱工序时间减少２.５ｈ，按照每循环开挖进尺２.４ｍ计算，３天可施工４循环，每３天减少开挖时间１０ｈ，每月可减少１００ｈ，月平均开挖进尺增加１３ｍ，两种开挖工艺对比下，全断面带仰拱一次开挖对进尺帮助较大，保障了施工工期（表１）。
３．２ 优缺点分析
３．２．１ 全断面带仰拱一次开挖优势分析
（１）全断面带仰拱一次开挖避免了仰拱部位二次爆破对围岩、初支的扰动，有利于围岩和初支结构稳定性。
（２）全断面带仰拱一次开挖可实现全断面机械化钻孔，避免了原仰拱单独开挖需要人工钻孔的情况，机械化钻孔提高了仰拱炮孔精度，提高仰拱开挖成形质量，并减少了超欠挖情况，线性超挖较人工开挖明显减少。
（３）仰拱二次开挖因受场地条件限制只能使用人工钻爆，而人工钻爆需从洞外另接风管，导致仰拱开挖工序时间长，开挖过程中会不同程度影响掌子面进度，同时仰拱单独开挖爆破飞石易造成风带以及浇筑后仰拱填充面受损；采用带仰拱一次全断面开挖法可有效避免上述问题。
（４）全断面带仰拱一次开挖，将仰拱开挖工序前置，避免了在栈桥前进行爆破工序，有利于加快仰拱循环，实现３～４天施工一模仰拱。
（５）初支可以尽早封闭成环，相对于二次开挖仰拱，初支沉降量明显减小。
（６）仰拱施工进度加快，安全步距可控，保障了掌子面施工进度，安全高效。
３．２．２ 全断面带仰拱一次开挖的注意事项
（１）由于钻孔需要预留仰拱空间，在掌子面形成了低洼“集水坑”，钻孔用水及围岩渗水均流入已开挖仰拱内，易形成仰拱泡水情况，仰拱长时间泡水造成基底软化近而易造成超挖，需要配专人采用水泵进行及时抽排。
（２）拱脚开挖需控制好装药量，避免出现围岩因爆破造成超挖，如有超挖拱脚需进行效支垫，不得悬空。
（３）仰拱初支完成后，回填保护，避免机械扰动破坏。
（４）仰拱衬砌施作前，机械开挖应留有一定保护层厚度，人工清渣避免机械开挖破坏仰拱初支。
４ 结束语
本文针对２＃斜井工区软弱围岩及三臂凿岩台车机械特点，开展全断面含仰拱一次开挖工艺研究，相比较仰拱二次开挖工艺，减少了隧道仰拱二次开挖的作业时间，加快了仰拱施工进度，保证了安全步距处于规定范围内，通过凿岩台车光面爆破技术优化，减少了隧道爆破火工品单耗，加快了施工进度，安全步距可控，目前２＃斜井工区三个工作面已全部应用此工艺，实现了每月的计划施工目标。全断面带仰拱一次开挖技术的应用，优化隧道整体工序施工组织，缩短了隧道整体工期，为实现高原铁路隧道建设的快速发展提供技术参考和实践经验，对隧道行业内的科技创新起到了借鉴作用，推动施工领域高质量发展。