来源：隧道大联盟
背景
背景
白马隧道全长13013m，最大埋深约1092m，属深埋特长公路隧道，也是低瓦斯隧道，为九绵高速全线控制性工程。该隧道穿越3条断层破碎带及其支断层，围岩以碳质板岩和炭质千枚岩为主，岩体破碎，自稳能力差，且局部段落富水，埋深较大，存在高地应力。施工中易发生大变形、塌方、高压涌突水等灾害，施工难度大，安全风险高。
目前，普遍采用的钻爆法在Ⅰ～Ⅲ级硬质围岩中具有良好的应用效果，传统的钻爆法机械化、信息化程度低，难以保障隧道建设的施工质量、施工安全和施工进度，特别是在高海拔低温、低压、低氧条件下，传统钻爆法人员效率和机械功效明显降低，作业人员劳动强度大，现有机械设备水平难以满足建设工期和安全质量的控制要求，必须开展以机械化为核心、智能化为引领、少人化及无人化施工为目标的隧道钻爆法机械化的研发。但在节理发育的Ⅳ、Ⅴ级等软弱岩体中应用时常因为爆破开挖扰动范围深、振动大导致超欠挖严重，拱顶部位常出现不同程度的掉块和塌方问题,在偏软的Ⅳ、Ⅴ级围岩中应用时，除了上述问题还面临围岩大变形和初支侵限等问题，严重威胁隧道建设的安全与进度。因此亟需针对软岩隧道稳定性差、扰动易失稳的特点研发新的全机械化非爆开挖施工技术，实现软岩隧道的“减人、增效、提质”。
软弱围岩特点
白马隧道软弱围岩主要存在以下特点：
01
地质条件复杂，围岩节理裂隙极为发育，岩体力学强度低开挖后自稳能力极差，围岩易自发往临空面进行垮落；
02
围岩透水性弱，遇水易软化，甚至崩解，在施工扰动下易发生失稳垮塌、掌子面溜塌等情况；
03
围岩开挖暴露后风化严重，易迅速软化为渣土。
04
围岩的蠕变特性明显，在应力作用下会发生缓慢的、持续的变形，影响隧道的稳定性和安全性，易出现初支开裂掉块、钢架变形，且爆破作业对围岩的扰动较大。这些特点使得白马隧道施工面临较大的挑战。
因此，需要优化施工工艺、配套施工设备等措施来降低软岩隧道施工安全风险，提高施工质量，加快施工进度。
图1 典型的软弱破碎围岩
软弱围岩“三道拱”工艺
九绵高速公路LJ9合同段项目部通过对前期软岩隧道施工的不断摸索和总结，针对白马隧道软弱围岩特点，提出软弱围岩“三道拱”施工工艺。方法的核心在于“重超前，强支护，早成环”，尽量做到“快挖、快支、快锚、快封闭”，保障施工安全及支护结构的强度。
在掌子面拱部打设Φ60中管棚形成纵向梁、环向承载拱，承载掌子面上方的松散破碎岩土，避免掌子面塌方。
图2 超前管棚拱效应
普通Φ42小导管超前支护在软岩隧道中易被破碎岩体压塌，采用大管棚不造价高。通过试验总结采用Φ60中管棚能够有效承载掌子面上方的松散破碎岩土，有效控制掌子面坍塌，减少反复处置塌方的成本和时间，实际综合成本较低。同时，软岩隧道掌子面前方岩体往往比较破碎，支撑能力较差，如搭接长度较短，岩体支撑力不足，易造成掌子面坍塌。适当增加搭接长度后，能够保证前方岩体对超前支护前端的支撑力度，防治超前支护坍塌。
初支采用钢拱架锚喷支护结合径向长短锚杆、预应力管-索结构及周边后注浆等措施，形成环向承载拱。同时，设置长大锁脚，并注意锚固控制收敛。
图3 长短锚杆拱效应
图4 预应力管-索结构
使安全步距控制常态化，尽早施作仰拱，使隧道支护结构尽快封闭成环，形成稳定的支护体系。
图5 环形初支拱效应
机械化配套施工
（1）施工效率低：传统施工方式主要依赖人工进行挖掘和支护，施工速度慢，且对人力资源的需求量大。
（2）安全风险高：在软岩隧道中，传统施工方式工人数量多，劳动强度大，人员靠近作业面，施工安全风险高，围岩失稳、塌方等事故的发生率较高。
（3）扰动大：软弱围岩由于本身强度低，节理裂隙发育、结构破碎等特点，传统钻爆工艺产生的振动和冲击扰动周边围岩，使围岩松动圈增大，易导致围岩的破坏和失稳，初期支护变形更严重。
（1）施工效率高：机械化施工能够大幅度提高挖掘、支护等作业的效率，缩短施工周期。
（2）安全风险低：机械化设备能够减少作业人员数量，降低工人在不良环境下的劳动强度，且作业人员远离施工现场，降低事故发生的可能性，保障施工人员的安全。
（3）扰动相对较小：机械非爆开挖工艺不会产生强烈的振动，有利于保持围岩和隧道结构的稳定和安全。
总的说来，隧道全机械化配套施工在提高施工效率、保障施工质量与安全、改善施工环境以等方面具有显著优点，采用全机械化配套施工工艺可有效改善传统工艺缺点，是一种值得广泛推广的先进施工工艺。
为积极推进四新技术应用，践行“机械化换人、自动化减人”理念，助力科技兴安，九绵高速公路LJ9合同段结合项目实际情况，针对白马隧道软岩大变形特点，总结出一套软岩隧道机械化配套施工工艺。
（1）超前支护：采用三臂凿岩台车施作超前支护，比手持风动凿岩机的凿岩速度快56%～122%，总体施工进度比人工钻孔开挖快37.3%。因钻杆定位迅速准确，而且不需要工作辅助平台的搭建，可节约非钻孔时间。同时，掌子面作业人数由13人减少至5人，具有安全、高效的特点。
（2）隧道开挖：通过隧道专用破碎锤凿岩机对岩体进行破裂、击碎等作业，在一定条件下可完全替代爆破作业，可减少对围岩的扰动，精准控制开挖界面，减少超欠挖。机械开挖能够有效精准超欠挖控制，对比传统钻爆法可节省10%～20%喷浆料；开挖工序只要2人完成，对比人工钻爆开挖节省6-8人，机械开挖成本低于人工钻爆开挖成本费用。
（3）拱架安装：采用拱架安装台车安装初支钢拱架。可大量减少作业人数和劳动强度，作业人员由传统的8～10人减少至5人。同时，每榀钢拱架安装时间减少10～20分钟，且钢拱架安装精度更高。能够有效提高拱架安装质量和拱架安装效率，降低安全风险。
（4）初支喷射混凝土：采用机械湿喷手进行初支喷射混凝土作业。隧道初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺，提高了喷射效率，且混凝土结构更加密实，有效地提高了喷射混凝土质量。同时，也减少了掌子面作业人数，降低安全风险。
（5）防排水及二衬钢筋：采用旋转伸缩臂式多功能防水板钢筋作业台车作业，自动化程度高，带液压转向轮胎行走，无需铺设轨道，仅需1人即可进行行走、回转、伸缩等作业。全台车临边防护到位，多节伸缩臂架一键同步动作，土工布、防水板铺设可紧贴初喷面，工况适应性强，根据断面变化臂架实时伸缩。施工更安全，效率更高。
（6）二衬自动浇筑台车：自动浇筑台车配置了一套混凝土分层浇筑布料系统，仅需一名操作人员即可实现分层逐窗浇筑，提高了衬砌施工效率和质量。
接下来，项目将砥砺前行，继续探索，不断优化软岩隧道全机械化配套施工工艺，为川隧品牌建设贡献力量。
素材来源：隧道施工之声
