长大隧道三臂凿岩台车开挖施工应用研究
一、引言
在隧道开挖过程中，需要对掌子面前方的围岩进行全面评估，以确定适宜的开挖方法，如全断面法或台阶法等。国内外专家针对不同的隧道开挖方法进行了大量的研究工作。吴耀宗等研究了隧道开挖过程中围岩的变形机理，并进行了数值模拟。张波利用跨孔声波法对隧道断面不同部位的围岩声波波速进行了测试，通过围岩损伤程度和损伤深度的关系得到台阶法的适用性。陶益盛等通过研究三台阶的施工流程，完善了台阶法在隧道施工中的施工规范。胡涛等提出了一种“分部台阶法”施工方法，即首先进行中央导洞的开挖，然后交替进行左、右侧导洞的开挖，这种方法已在实际工程中成功应用。王庆勇等采用数值模拟对三种不同的台阶开挖法进行模拟，研究开挖法对隧道的影响。张健研究了三臂凿岩台车在Ⅳ、Ⅴ级围岩中两台阶的应用情况。侯恒研究了三臂凿岩台车在大断面软围岩隧道进行台阶法的施工情况。李成臣等针对大断面隧道采用智能化机械配套微台阶施工并取得成效。李涛等针对隧道台阶法施工过程的支护时机进行研究，确保其支护结构的安全性和经济性。柯俊为提高隧道稳定性及安全性，对微台阶法进行了优化。杨泽平通过现场监测及理论分析，对隧道两台阶施工过程中的隧道变形量进行了监控预测。曹勇采用数值模拟和现场数据分析相结合的方法，研究了适用于断层角砾岩隧道开挖的优化台阶法。黄小明等将三台阶法和ＣＤ法在扁平特大断面隧道内的应用进行了对比。Ｚｏｕ等对利用人工智能模型对隧道及地下等各类工程用的混凝土坍落度和抗压强度进行预测。目前，对于开挖方式的研究更多的是现场单一开挖方式分析或数值模拟，缺乏多种开挖方式下三臂凿岩台车的适应性对比分析研究。
因此，文中以衢丽铁路枫树岭隧道某区段为背景，研究三臂凿岩台车全断面法、两台阶法和三台阶法三种开挖方式的应用并进行对比分析，提出长大隧道三臂凿岩台车施工台阶法最优设计方案，可为类似台阶法工程提供参考。
二、工程概况
新建衢州至丽水铁路松阳至丽水段ＱＬＴＬＳＬＤＳＧⅠ标段位于浙江省丽水市松阳县三都乡、莲都区丽新畲族乡境内。标段起讫里程ＤＫ１４＋０９５～ＤＫ２９＋２８０，全长１５，１８５ｍ，如图１所示。该工程主要施工任务：隧道主体、防护门、通风等（不含隧道照明，设备洞室防护门以内的箱变基础、铺沙、盖板等，不含消防水池泵房、斜井防护门和通风设备的供电及控制工程）；隧道内无砟道床铺设及ＣＰⅢ测量；站后预留工程（含综合洞室、沟槽、四电过轨、接触网槽道预留、综合接地等）；相关的大型临时设施工程；防灾疏散通道道路及场坪工程。
三、影响隧道开挖施工效率因素分析
（１）围岩构造：在衢丽铁路松丽段的隧道建设中，坡地出露的地层岩性主要为第四系残坡积土层和侏罗系上统磨石山群的多种岩石，如西山头组的凝灰岩、凝灰质砂岩，九里坪组下段���流纹岩和流纹质凝灰岩，以及大爽组上段和下段的流纹岩、凝灰岩和凝灰质砂岩等。该地区还发现有前中生代的花岗闪长碎裂岩和部分晚侏罗纪的潜火山相岩石。目标区域的围岩主要由凝灰岩组成，围岩级别从Ⅱ级到Ⅴ级不等，以Ⅱ级和Ⅲ级为主。隧道施工方法的选择将基于围岩级别、节理产状、节理间距、岩体强度以及地应力等因素。
（２）节理间距：节理间距对开挖台阶稳定性的影响也十分重要。相比完整岩石，含节理的岩体几乎没有抗拉强度，即使在节理面法向上出现很小的拉应力，也会导致岩体沿节理面开裂。节理的抗剪强度非常低，当沿节理面方向上的剪切应力超过其抗剪强度时，岩体就会沿着节理面发生滑移。节理间距与开挖台阶稳定性之间存在密切联系，若岩体节理较密集，可以采用全断面开挖法；若节理间距较大，则可采用适合洞室强度条件的台阶法开挖。
（３）岩体强度：岩体强度是影响开挖台阶稳定性的关键因素之一。在其他条件不变的情况下，开挖台阶的稳定性通常与岩体强度成正比关系。通常，岩体在最大剪应力面会发生破裂，这种破裂可以从岩体的节理强度和完整性两方面进行分析。
（４）地应力的影响：地应力对岩体的影响不容忽视。岩体的初始应力状态由构造应力和自重应力组成，其中自重应力源于岩体自身的重量，而构造应力主要由地质运动引起。对某些岩体来说，当面临较大的自重应力和地应力时，其力学性质可能会出现显著变化。在隧道挖掘过程中，失稳问题通常是由施工改变了应力分布引起的。这种应力分布的变化不仅会改变围岩的力学性质，也可能导致所采用的开挖方法发生变化。
四、不同开挖方式下凿岩台车适应性对比
在使用三臂凿岩台车对掌子面进行钻孔施工时，首先进行准备工作，然后根据爆破设计进行相应的钻孔任务。在钻孔过程中，严格遵循测量线进行炮眼布置，确保钻孔位置准确无误。采用楔形掏槽爆破方式，其中左右两个臂负责侧面钻孔，中间臂负责中间部分钻孔。以下是三种开挖方式的具体步骤：
１．全断面法
正洞Ⅱ级围岩段采用全断面开挖，Ⅲ级深埋围岩根据实际情况可使用全断面开挖，如图２所示为全断面开挖示意图。使用三臂凿岩台车进行钻孔作业，并实施光面爆破技术。随后，在钻孔中安装锚杆，并进行必要的锚固或注浆处理。施工过程中，采用湿喷机械臂进行喷砼作业，以增强结构稳定性。根据量测需求，合理布置量测点，并对收集到的数据进行及时分析，以反馈指导后续的施工过程。开挖、支护和出渣施工工序如图３。
２．台阶法（两台阶法）
在正洞Ⅲ级围岩深埋岩层和Ⅳ级围岩地段，采用台阶法进行开挖。为了减少对围岩的震动并控制成型，施工中采用光面爆破技术。在上台阶部分，使用三臂凿岩台车进行钻孔，随后利用挖掘机或挖装机将渣土转移至下断面。下台阶的钻孔工作也同样由三臂凿岩台车完成。出渣工序在下断面进行，配合装载机或挖装机以及自卸汽车进行材料的转运；在初期支护无钢拱架的下台阶区域，可以与上台阶同步施工。对于初期支护有钢拱架的区域，则应采取左右交错的施工方式。台阶法工序的横断面示意图见图４。
在实施两台阶法施工时，应注意以下几个关键点：
（１）施工中应依据围岩条件和施工机械的配备情况来合理确定台阶的长度和高度。台阶的各部分形状设计应既有利于保持围岩稳定，又便于机械作业。
（２）在岩体裂隙发育较多且围岩自稳性较差的地段，采取额外安全措施。在上半部分断面，增设钢架以增强稳定性，并扩大拱脚以分散荷载。此外，施作锁脚锚杆（管），进一步确保拱部不会发生下沉变形。
（３）根据围岩条件合理确定台阶长度，避免过长情况。通常，台阶长度被控制在洞径的一倍以内，以确保施工效率和安全性。同时，及时施作仰拱，确保支护能够尽快闭合成环，从而提供更稳定的支撑。
（４）在围岩整体性较差的情况下，采取措施以减少对上部围岩和支护的扰动。在下部断面的开挖过程中，采用两侧交错的方式进行，以减少对围岩的破坏。此外，确保在上部断面喷混凝土达到一定强度后才进行下部断面的开挖，以确保施工的安全和质量。
３．三台阶法
对于正洞Ⅴ级围岩的弱风化岩层、Ⅳ级围岩的弱风化岩层和硬质岩层、以及Ⅲ级围岩浅埋、偏压、水平岩层、掉块地段等情况，采用三台阶法进行开挖。三台阶法分为上、中、下三个台阶，施工时结合初期支护钢架使用，并根据围岩的完整性、地层的风化程度、地下水发育情况等因素进行选择。首先进行超前小导管支护，然后按顺序执行上部开挖及初期支护、中部开挖和边墙支护、下部和仰拱开挖与支护，随后进行仰拱及填充施工，最后完成二次衬砌的浇筑。上台阶和中台阶的钻孔由三臂凿岩台车完成，挖掘机将渣土转移到下断面，下台阶的钻孔也由凿岩台车完成。出渣工序在下断面进行，配合装载机或挖装机及自卸汽车进行材料的转运。通过以上步骤，能够有效地进行正洞Ⅴ级围岩的弱风化岩层、Ⅳ级围岩的岩弱风化岩层和硬质岩层、以及Ⅲ级围岩浅埋、偏压、水平岩层、掉块地段的开挖工作，确保施工质量和安全。三台阶开挖法的施工工序图详见图５。
在实施三台阶法开挖时，顺序如下：首先，利用上一循环架立的钢架进行超前支护；接着，依次进行上台阶的开挖和初期支护、中台阶的开挖及两侧初期支护、下台阶和仰拱的开挖及两侧和仰拱的初期支护；然后施作仰拱及填充。基于量测结果分析，待初期支护足够稳定后，使用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌（拱墙衬砌一次完成）。
施工注意事项包括：
（１）开挖时采用弱爆破技术，并严格控制炮眼深度及装药量。
（２）根据围岩条件合理确定台阶长度，控制在一倍洞径以内，并及时施作仰拱，使支护尽快闭合成环。
（３）根据现场情况，在临时仰拱中必要时增设钢架。
４．凿岩台车适应性对比
三臂凿岩台车在全断面法、二台阶法和三台阶法三种开挖法的适应性对比如下：
（１）全断面法中，三臂凿岩台车与其他机械设备同步施工，施工工序容易发生干扰，因此三臂凿岩台车的工作效率有待提高，施工程序需要优化，且需要关注施工安全问题。全断面法开挖中如需采用三臂凿岩台车，需进一步进行施工方案优化，以提高施工效率和安全性。
（２）两台阶法分部平行开挖法可以进行上下台阶同时钻凿炮眼，短台阶容易造成上下台阶工作扰动，长台阶可避免此问题，且上下台阶可以交替工作线，提高开挖支护效率。在两台阶法中采用三臂凿岩台车进行开挖，具有一定的优势。
（３）三台阶开挖法，由于三臂凿岩台车的施工空间不足，只能使用一台凿岩台车在下台阶进行施工，整体开挖效率欠佳，因此需要对施工工序和凿岩台车等进行优化改进。
五、结论
（１）围岩构造、节理间距、岩体强度和地应力影响隧道的施工效率，并对隧道台阶开挖稳定性产生影响；
（２）三臂凿岩台车在长大隧道施工中可用于全断面法、两台阶法和三台阶法开挖，但施工效率不同，在两台阶法中开挖效率较高。