山岭大断面隧道机械施工工艺及其适应性研究
０ 引言
随着我国交通基建深入推进，高速公路改扩建面临诸多技术难题。Ｇ１５沈海高速改扩建相见岭隧道为国内罕见的特大断面扁平隧道，开挖跨度２２.８ｍ、高度１４.９ｍ，传统人工密集及小型机具施工存在工序繁、进度慢、安全风险高、支护质量不均等问题，难以满足高品质工程建设要求；亟须高效、安全、精准的全工序机械化施工模式破解传统施工的瓶颈制约，实现施工效能与工程质量的双重提升。
隧道全工序机械化施工技术最早在铁路隧道领域开展应用与探索，经过多年实践已积累了一定的工程经验，尽管Ｑ／ＣＲ９５７５-２０２１《铁路隧道机械化全断面设计施工指南》已于２０２１年发布，但传统设计施工方法仍占据主导地位。传统手持风钻开挖工艺成孔速度慢，施工工效低，风钻钻孔时对围岩稳定性造成较大扰动，而高压风、高压水易产生高分贝的噪声，会对施工员的身体造成伤害，不符合绿色施工与职业健康保护的发展理念。
为破解传统施工难题，行业内逐步开展机械化装备的应用研究；李钊等研究凿岩台车、多功能拱架安装车等７种配套设备在隧道施工中的应用，施工过程中能降低劳动强度，降低施工风险，加快进度，但对全工序机械化施工带来的设计阶段调整未做研究；伴随郑万高铁、西昆高铁等项目在全工序机械化设计施工方面积累丰富经验，Ｑ／ＣＲ９２６５-２０２５《铁路隧道全工序机械化设计施工技术规程》于２０２５年正式发布，意味着铁路隧道全工序机械化设计施工迎来全面推行阶段。施工运用全工序机械化的全断面或短台阶快速封闭工法，作业人员少，且施工质量水平很高。
然而，高速公路四车道单洞扁平隧道与铁路隧道相比，在断面尺寸、轮廓形态、受力特征等方面存在显著差异，铁路隧道机械化施工经验难以直接照搬应用。相见岭隧道作为特大断面扁平隧道，其断面跨度大、扁平率高，且隧道穿越段存在软弱围岩地质条件，需采用分部开挖工法控制围岩变形，这进一步增加了机械化装备的适配难度，导致大型机械化装备与软弱围岩传统分部开挖工法之间存在明显的空间适配矛盾，装备效能无法充分发挥，制约了全工序机械化技术在该类隧道中的应用。
因此，针对相见岭隧道特大断面扁平、软弱围岩的工程特点，破解机械化装备与传统分部开挖工法的适配难题，实现全工序机械化施工的高效推进，成为当前该项目建设的核心任务。本文基于相见岭隧道工程实际，引入“九台套”全工序机械化装备，针对大型机械与软弱围岩传统分部开挖工法存在的空间适配矛盾，结合工程实践开展工艺创新与工法改良，优化机械化装备作业流程，调整施工参数，形成适配大断面扁平隧道的机械化施工标准，有效解决装备与工法匹配难题，显著提升施工效能与工程质量，同时为国内同类大跨度、扁平、软弱围岩隧道的智能建造提供可借鉴的技术参考和工程范例。
１ 工程地质与设计特征
相见岭隧道为分道双向八车道隧道，左洞全长２２４４ｍ，右洞全长２２１５ｍ。隧道穿越地层地质条件复杂��主要是强～中风化晶屑凝灰岩，岩体节理裂隙发育，局部有断层破碎带。围岩级别在Ⅲ～Ⅴ级之间，进口段受偏压及高压铁塔影响，稳定性不好。隧道衬砌设计类型多样，Ⅴ级围岩段主要用Ｓ５ＪＱ复合式衬砌，预留变形量达１８ｃｍ；Ⅳ级围岩段用Ｓ４ＪＱ衬砌，预留变形量为１５ｃｍ。原设计方案中Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法，Ⅳ级围岩采用双侧壁或中隔壁法（ＣＤ法）。原设计工法把断面分割得太细，严重影响了大型机械设备的效率发挥，必须进行适应性调整。
２ “九台套”全工序机械化配置体系
为推动隧道施工实现工业化升级，项目部以“流水线作业”为指导思想，构建了以隧道掌子面为核心、由内向外有序铺展、协同联动的“九台套”全工序机械化装备体系。
如图１所示，掌子面最前端智能多臂凿岩台车凭借钻孔定位导航系统精准钻设炮孔、施工锚杆与超前小导管，通过精确控制周边眼外插角，有效解决人工手持风钻钻孔角度偏差大造成的超欠挖难题。
如图２所示，智能拱架安装台车搭配作业吊篮精准安装重型型钢拱架，把高空、重体力作业转化为机械辅助作业。
如图３所示，混凝土湿喷机械手取代人工喷浆，将回弹率控制在１５％以下，喷射混凝土密实度和平整度显著提升。
如图４所示，锚杆打设机精准作业，保障系统锚杆和锁脚锚管施工质量。
双液注浆设备匀速注浆，确保注浆饱满密实，共同筑牢初期支护防线（见图５）。
如图６所示，自行式液压仰拱栈桥以２４ｍ跨度顺畅衔接施工与通行，实现仰拱全幅连续浇筑，破解大断面隧道仰拱施工与车辆通行的干扰难题。
如图７所示，自行式防水板钢筋铺挂台车集防水板自动热熔铺设与二衬钢筋安装作业平台于一体，大幅提高隐蔽工程精度。
如图８所示，全液压智能二衬台车配备附着式高频振捣器和带模注浆系统，结合逐窗入模工艺，成功破解二衬拱顶脱空难题。
隧道专用侧卸装载机与自卸大吨位车辆组成高效无轨运输出渣系统，实现出渣高效顺畅（见图９）。同时，三维激光扫描仪作为“九台套”的视觉中枢，在每轮爆破后实时扫描开挖断面、生成超欠挖云图，指导下一轮钻爆参数动态调整（见图１０）。
３ 机械化施工工艺适应性改良研究
针对原设计标准双侧壁导坑法，将断面分得过碎，致使凿岩台车（长约１０.５ｍ，作业宽展需７～８ｍ）无法展开作业的问题，项目部根据“以空换时、以大代小”的岩石力学思想，对各级围岩施工工艺做了适应性改良。
３．１ Ⅴ级围岩：双侧壁台阶法工艺改良
原设计Ⅴ级围岩采用标准双侧壁导坑法，断面被分成９～１０个小导洞，每个导洞宽４～５ｍ，并有临时横撑和竖撑。虽然刚度大，但是空间狭小，机械化链条在最危险的软弱围岩段被迫断裂，退化为人工施���。为了克服上述问题，在ＺＫ５３＋８９３～９１３试验段的基础上，提出了双侧壁台阶法改良工艺。
该工艺的核心改良逻辑就是扩大导坑断面，简化下部临时支撑，以换取机械作业空间。把原来的侧壁导坑改造成上半断面双侧壁导坑、下半断面合并成台阶法施工。施工顺序重构为：先进行左侧导洞上台阶超前支护、开挖和初支，再进行右侧导洞上台阶作业，左右错距控制在５～１０ｍ，防止群洞效应叠加；然后进行拱部核心土开挖，形成上部大拱棚；最后进行下半断面大台阶开挖。
针对支护参数的适应性进行调整，把临时支撑的结构改为半断面无临时竖撑、没有繁琐横撑的简易形式，表面上看局部刚度下降一些，但是用湿喷机械手可以２ｈ内完成初喷封闭（即半断面）的工作，在增加了深４ｍ处的锁脚锚管８根的同时加大了注浆强度，从而抵消掉由于减少临时支撑后造成不安全的影响。根据围岩特征曲线理论，缩短围岩暴露时间来控制围岩松弛变形，从而获得更大的作业空间。
３．２ Ⅳ级围岩：ＣＤ台阶法工艺改良与钻爆优化
Ⅳ级围岩原设计工法工序多，机械效率低。因此将其改为“ＣＤ台阶法”。该工法综合了ＣＤ法对沉降控制的优点和台阶法对大机器作业的便利性。
具体施工步骤为：先利用凿岩台车开挖左侧上下台阶，施作中隔壁和初期支护形成稳定的承载结构；右侧再采用台阶法跟进，左右侧拉开１０～１５ｍ的安全步距。钻爆设计上针对凿岩台车推进梁长约６.２ｍ，容易在轮廓线边缘产生超挖问题。在试验段用３Ｄ扫描数据反推周边眼角度，如果按常规参数计算，周边眼外插角易大于５°，造成超挖量大。通过工艺微调，将凿岩台车钻臂定位点内移，外插角控制在３°～５°范围内，采用间隔装药结构的低爆速炸药，大大减小了超欠挖量，平均线性超挖控制在１０ｃｍ以内。ＣＤ台阶法相比传统的手工开挖可以减少掌子面的作业时间，而且利用拱架台车可以实现高空作业的本质安全。
３．３ Ⅲ级围岩：全断面／大台阶法工艺优化
Ⅲ级硬岩段围岩自稳能力强，适合发挥机械化施工的作用。项目采用大台阶法施工，上台阶高度优化为７～８ｍ。凿岩台车最大作业高度约为１２ｍ，立架台车作业高度覆盖范围广，７～８ｍ的高度既满足了凿岩台车多臂同时作业的空间要求，又没有大臂互相干扰的情况，便于立架台车进行拱顶钢架的安装，下台阶预留高度适中，便于装载机出渣。
施工时使用三臂凿岩台车完成全断面深孔爆破，循环进尺控制在３.５～４ｍ（每循环３到４榀钢架）。由于机械钻孔精度高、光面爆破效果好，初期支护只需施工系统锚杆和薄层喷浆，工序极度简化。配合大功率装载机快速出渣，实现了工序间的无缝衔接以及月掘进百米的高效目标。
４ 机械化施工效能与质量分析
以相见岭隧道试验段（Ⅴ级围岩ＺＫ５３＋８９３～９１３段、Ⅳ级围岩ＹＫ５３＋９９０～ＹＫ５４＋０８０段、Ⅲ级围岩ＹＫ５４＋２４０～２７０段）的实际测量数据为基础，从工效、质量和安全３个方面对“九台套”机械化施工的适应性进行定量分析。
４．１ 工效提升量化分析
以Ⅳ级围岩试验段数据对比，机械化施工在钻孔、立架工序优势显著。循环进尺０.８ｍ时，传统人工钻孔需９人操作风钻，耗时３.５２ｈ；智能凿岩台车仅需３人，耗时１.７４ｈ，效率提升５０.６％，且多臂同步作业、工效稳定。人工立架需８人拼装，耗时２.５５ｈ，安全风险高；智能拱架台车仅４人配合，耗时１.４ｈ，效率提升４５.１％。湿喷工艺回弹低、速度快，喷浆时间较干喷减少约４０％。经优化，单循环总耗时由约１０ｈ缩至６ｈ，在大幅减员的同时显著提升施工进度。
４．２ 质量控制效果评价
机械化施工对工程质量的提高主要是初期支护的密实度、轮廓控制等。根据三维激光扫描数据可以看出，机械化施工段落平均超挖量控制在１２ｃｍ以内，比人工施工减少约３０％，并彻底消除了欠挖现象，避免由于欠挖导致的二衬厚度不足。
用湿喷机械手进行高压喷射（喷嘴处风压为０.２ＭＰａ），混凝土和围岩结合紧密，浆液可以填满岩石的裂隙形成胶结体。现场取芯检测可知，湿喷混凝土强度离散性小，与围岩黏结力强。回弹率控制在１５％以下，喷层表面平整度好，没有空洞、裂缝，为后续防水板铺设创造了良好的基面，有效地解决了隧道渗漏水顽疾。
在二衬施工中智能衬砌台车带模注浆系统很好地解决了拱顶脱空问题。雷达检测结果表明，二衬背后密实度合格率达到９８％以上，钢筋保护层厚度合格率提高到９５％以上，机械化、标准化施工质量优势明显。
４．３ 围岩稳定性与安全性验证
项目在试验段开展高频量测以验证改良工法安全性。ＺＫ５３＋８９３～９１３双侧壁台阶法试验段覆盖层薄、地质条件差，拱顶最大累计下沉８.２２ｍｍ，周边最大收敛９.７１ｍｍ，均远小于设计预留变形量１８０ｍｍ，围岩１５天内趋于稳定。Ⅳ级围岩ＹＫ５４＋０５０断面ＣＤ台阶法试验段，拱顶最大累计下沉１１.１４ｍｍ，日均最大速率０.３２ｍｍ／ｄ，变形逐步稳定。改良工法虽扩大导坑断面、简化临时支撑，但依托机械化快挖快支有效控制围岩松弛，力学性能可靠。同时机械化实现人机分离、减员作业，采用凿岩台车精准施作锁脚锚管，角度与深度可控，人员远离掌子面高风险区。施工期间未发生安全责任事故，本质安全水平显著提升。
５ 结束语
本文以Ｇ１５沈海高速相见岭隧道为依托，系统探究超大断面隧道“九台套”机械化施工工艺及适应性。研究表明，构建由智能凿岩台车、智能拱架安装台车、湿喷机械手、智能衬砌台车等组成的成套装备体系，是实现隧道智能安全建造的基础，设备参数匹配与工序协同是发挥整体效能的关键。
针对软弱围岩，将传统工法优化为“上半断面分部、下半断面台阶”组合工法，解决了大型机械作业空间受限难题，实现机械化全覆盖。机械化施工使单循环时间缩短约４０％，提升了钻孔精度与支护密实度，快速封闭围岩有效降低塌方风险，提升本质安全水平。结合３Ｄ激光扫描与实时监控量测，形成动态施工闭环，保障开挖精度与结构安全。经工艺工法适配改良，全工序机械化可高效适配山岭大断面隧道，统筹质量、安全与进度，是隧道工程高质量发展的重要方向。