特大断面高铁隧道台阶法机械化施工参数优化研究
０ 引言
为支持西部大开发，落实交通强国战略，我国修建了大量的高速铁路和山岭隧道工程。钻爆法作为山岭隧道工程的主要施工方法之一，因其灵活多变、地质适应性强被一直沿用。山岭隧道开挖方法包括全断面法、台阶法、ＣＤ法、双侧壁导坑等，多年来应用环境变化不大，而钻爆法凿岩、出渣、支护等工序的机械配套却取得了长足发展。２０世纪６０年代我国隧道工程开始采用钻爆法施工，掌子面凿岩、出渣和支护主要依靠人海战术完成，每道施工工序作业人数通常在１０人以上，劳动力依赖性大、劳动强度高且危险性高。随着机械制造水平的提高，液压凿岩机、凿岩台车、拱架安装机、湿喷机、衬砌台车等先进装备逐步研发并应用，推动钻爆法隧道施工向机械化配套方向发展。万姜林等依托南昆铁路米花岭隧道分析了单线铁路隧道挖装运、锚喷和衬砌三条作业线的机械配置情况；李有兵依托贵广铁路天平山隧道分析从开挖、出渣、支护、衬砌浇筑等工序的机械配套情况；张勇、崔步云等依托郑万铁路苏家岩隧道分析全电脑三臂凿岩台车应用的优缺点，提出凿岩台车在全断面施工中能发挥更好的工作效率快，但成本较高。
目前以凿岩台车、开挖台车为代表的钻爆法机械化应用仍处于较低水平，除了机械功能集成和智能化程度不高外，更重要的是施工方法与机械开挖不匹配，施工参数设置不科学（如台阶高度、长度设置过于保守），钻爆法施工工序繁杂，工序转换会造成机械设备频繁进场和退场，耗费大量的时间，从而导致已配置凿岩、出渣、支护等先进装备的钻爆法施工效率不如集成度更高的ＴＢＭ和盾构隧道。本文依托渝昆高铁大房子隧道工程，研究与多功能开挖台车相适应的施工方法和参数，以求提高机械开挖作业的施工效率，推动钻爆法隧道施工由机械化向智能化方向迈进。
１ 工程简介
１．１ 隧道设计概况
新建重庆至昆明高速铁路（以下简称渝昆高铁），设计速度３５０ｋｍ／ｈ，隧道单洞双线电力牵引，正线线间距５.０ｍ。大房子隧道为渝昆高铁云贵段站前工程，位于云南省会泽县迤车镇，进口里程ＤＫ４８４＋０６０、出口里程ＤＫ４８９＋８７３，全长５８１３ｍ。隧道进口采用斜切式明洞门，接头道河双线大桥，出口采用无仰拱双耳墙式明洞门，接台子村１号跨渝昆高速双线大桥。
１．２ 工程水文地质条件
全隧设计为５.１‰的单面下坡，最大埋深为２８２ｍ。ＤＫ４８４＋０６０～ＤＫ４８９＋１９０（５１３０ｍ）洞身围岩以玄武岩夹凝灰岩为主，段内无不良地质及特殊岩土。玄武岩为块状构造，节理裂隙较发育，节理面呈铁锈色，岩体完整性稍好，局部较破碎，岩质坚硬，锤击声脆，锤击易碎；凝灰岩多呈夹层状分布，岩质较软。ＤＫ４８９＋１９０～ＤＫ４８９＋８７３（６８３ｍ）洞身围岩为灰岩，岩溶中等～强烈发育，呈厚层状构造，节理裂隙较发育，局部溶蚀现象明显，岩体较完整，岩质坚硬。全隧Ⅲ级围岩长度１３１５ｍ，占比２２.６％；Ⅳ级围岩长度３５５５ｍ，占比６１.２％；Ⅴ级围岩长度９４３ｍ，占比１６.２％。隧址区地下水主要为赋存于玄武岩中的基岩裂隙水和赋存于灰岩中的岩溶水。
２ 隧道施工原方案及方案优化
２．１ 原施工方案设计
隧道横断面开挖轮廓线宽１４.７ｍ、高１２.２３ｍ，采用钻爆法施工。Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，Ⅴ级围岩一般地段采用三台阶法施工。考虑维持掌子面稳定，控制围岩收敛变形，上台阶设计开挖高度为６ｍ，台阶长度不宜过长，宜控制在１倍开挖洞径以内。
Ⅳ、Ⅴ级围岩采用ϕ４２ｍｍ的钢花管作为超前支护。初期支护采用锚喷支护型式，即隧道径向采用全长粘结型系统锚杆（拱部采用ϕ２２ｍｍ组合中空锚杆，边墙采用ϕ２２ｍｍ普通砂浆锚杆），Ｃ２５喷射混凝土，Ⅳ、Ⅴ级围岩增加钢拱架和ϕ４２ｍｍ锁脚锚管；衬砌结构Ⅲ级围岩采用Ｃ３０模筑混凝土，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用Ｃ３５钢筋模筑混凝土，如表１所示。
２．２ 施工方案优化
为提升铁路隧道钻爆法机械化施工水平，施工单位对提供气腿式凿岩机作业平台的简易开挖台架进行了改造升级，增加了履带／轮胎自动行走、自动升降、拱架辅助安装、防爆破碎石崩伤挡板等功能，可实现三台阶、台阶法、全断面三种工法快速转换。
掌子面爆破出渣配备龙工８６３ｐｒｏ侧卸式装载机（整机长×宽×高：９.３７ｍ×３.２ｍ×３.５ｍ）和１５ｔ红岩金刚自卸车（长×宽×高＝８.５５ｍ×２.５ｍ×３.５ｍ）。按照台阶法钻爆施工设计方案，上台阶１倍开挖洞径（约１４ｍ）的长度限制，掌子面钻孔装药完成后，由装载机将简易开挖台阶搬运至下台阶，掌子面实施爆破，掌子面爆破后的碎石堆叠长度约２０ｍ，由装载机先将爆破碎石向掌子面方向集中，留出装载机和运渣车的作业空间，然后出渣车行至上台阶，配合装载机运渣。
受上台阶作业空间的限制，工序间隙过渡时间较长，机械钻爆出渣效率较低。新工装须配备新工法，才能极大发挥机械装备的作业效率，因此在保证掌子面稳定和隧道结构安全的前提下，对施工方案进行优化：
（１）将上台阶高度由６ｍ提升为８ｍ（即隧道开挖轮廓线最大宽度１４.７ｍ对应的掌子面高度）。首先，作业空间变大，可同时满足２台龙工８６３ｐｒｏ侧卸式装载机和１台１５ｔ运渣车并排作业，提高渣土装运速率；其次，仰拱栈桥坡度变缓，降低了运渣车爬坡能耗；最后，显著降低下台阶的爆破工作量，及早闭合初支。
（２）考虑上台阶掌子面爆破碎石堆叠长度、多功能开挖台车长度（９ｍ）、装载机／运渣车长度（８.９６ｍ），将上台阶长度延长至４０～４５ｍ。开挖台车无须运至下台阶，自行走后退至上台阶末端即可实施上台阶掌子面爆破作业，然后装载机与出渣车同时上场并排作业出渣，缩短上台阶出渣耗时（见表２）。
３ 台阶法施工参数优化围岩稳定性有限元分析
３．１ 模型建立
本计算模拟Ⅳ级围岩两种台阶施工参数的隧道施工力学效应，采用ＭＩＤＡＳ ＧＴＳＮＸ进行数值计算分析，考虑到施工过程中的空间效应，结合隧道结构尺寸大小，计算模型长取１２０ｍ，分别取宽１００ｍ、高１００ｍ。围岩采用实体单元，岩石本构使用摩尔－库伦模型；ϕ４２超前小导管加固区采用实体单元，本构使用弹性模型；初支采用板单元模拟，本构采用弹性模型。隧道埋深７０～２６５ｍ，取２００ｍ埋深在模型上表面施加均布荷载。计算模型如图１所示。
３．２ 计算参数选取
Ⅳ级围岩物理力学参数取自地勘报告，小导管注浆加固区采用等效刚度取值，初支为Ｃ２５喷射混凝土，厚度２５ｃｍ；Ⅰ１８型钢钢架，间距０.８～１.２ｍ／榀；衬砌为Ｃ３５钢筋混凝土，厚度４５ｃｍ。具体计算参数与工况设置如表３～表５所示。
３．３ 数值计算结果分析
以工况一为例分析隧道结构受力变形情况，如图２所示。
从图２中可以看出，隧道结构最大沉降为１２.４ｍｍ，最大隆起量为１６.２ｍｍ，隧道结构最大水平方向变形为６.５３ｍｍ，隧道结构变形在安全施工允许范围内。大房子隧道进口拱顶实测沉降变形为１.３１～２.４ｃｍ，数值计算结果在实测数据范围内，因此数值计算参数选取可靠，计算结果具有一定可信度。
以模型中间断面Ｙ＝６０ｍ为监测断面，两种开挖方法的沉降变形对比如图３、表６所示。工况一（上台阶高度８ｍ、长度４０ｍ）相比工况二（上台阶高度６ｍ、长度１５ｍ）隧道沉降和收敛变形都略有增大，但变形可控，围岩稳定。
４ 台阶法施工参数优化工效分析
现场采用优化后的参数（上台阶高度优化为８ｍ、台阶长度４０ｍ）进行施工，掌子面爆破出渣过程如图４所示。开挖台车后退至上台阶尾端后，实施掌子面爆破，爆破后上台阶掌子面渣石已崩溅至开挖台车附近。上台阶水平宽度可容纳２台装载机和１辆运渣车并行作业，先由２台装载机将渣石向前堆拢，清理出装载机和运渣车的作业空间，再进行出渣。据现场施工进度统计，适当增大台阶高度、延长上台阶长度，配合普通机械配套施工可大幅提高施工效率，大房子隧道Ⅳ级围岩平均月进度指标达到１０８.６ｍ，最快达到１４２ｍ，Ⅳ级业主计划进度为９０ｍ／月，施工进度最快提高了５７.８％。
５ 结论及建议
本文以大房子隧道为工程依托，对大断面高铁隧道机械施工方法进行研究，主要结论及建议如下：
（１）大房子隧道配备了用于钻爆法施工的新型开挖台车、装载机及运渣车。为发挥机械开挖效率，对施工方法及参数进行优化：Ⅳ级围岩台阶法施工，上台阶高度增至８ｍ，上台阶长度延长至４０ｍ，最大程度给足开挖台车、装载机及运渣车的作业空间。Ⅳ级围岩平均月进度达到１０８.６ｍ，最快达到１４２ｍ，Ⅳ级围岩业主计划进度为９０ｍ／月，施工进度最快提升５７.８％。
（２）上台阶开挖面积增大，因此钢拱架安装完成后，应严格控制锁脚锚管的施工质量，以限制初支沉降变形，维持围岩稳定。
（３）提升隧道施工机械化水平，除配置性能良好的“硬件”（三臂凿岩台车、开挖台车、装载机、自卸运渣车、自行走仰拱栈桥、衬砌台车等），还要辅以先进得当的“软件”：施工方法、参数应与时俱进，才能相辅相成，最大程度发挥机械施工效率，推动行业发展。