公路隧道机械钻爆法施工适应对策
１ 引言
近年来，随着铁路隧道机械化钻爆法施工的不断实践，行业相继出台了《铁路隧道工程施工机械配置技术规程》、《铁路大型施工机械隧道凿岩台车》、《铁路大型施工机械隧道混凝土湿喷机》等。以郑万高铁隧道工程施工为基础编制了《铁路隧道机械化全断面设计施工指南》，进一步明确了隧道机械化设计施工的具体要求。此后，渝昆高铁等铁路隧道尝试将台阶法与机械化配套施工，同时众多学者对机械化施工关键技术进行了系统性总结，推动了该技术的工程运用，例如陈国栋等、刘科等从支护理念和设计方法的角度归纳总结了机械化施工关键技术。王明年等针对软弱围岩提出了隧道全断面法施工超前支护体系。陈子全等对机械化施工中二次衬砌支护时机提出了优化方法。然而，实践表明，机械化施工在自稳性较好的围岩中适应性较强，但在自稳性较差的围岩中操作性较差，其技术适应性仍需进一步提升。
在公路隧道方面，现行基于人工钻爆法的隧道设计、施工和安全的规范要求在隧道开挖工法、循环进尺、安全步距和施工工序等方面与机械化施工不适应。如何借鉴铁路隧道研究成果，结合公路隧道特点，建立适应公路隧道机械钻爆法施工的技术体系，是亟需解决的问题。
本文依托镇广高速、汉广高速、沿江高速等工程，开展机械钻爆法施工试点研究。本文基于机械钻爆法的实践，总结分析现有技术存在的问题，并提出适用性对策，以促进机械钻爆法在公路隧道中的推广应用。
２ 机械钻爆法施工现状与主要问题
现阶段我国山岭隧道机械化施工水平已显著提升，机械设备在隧道施工中发挥了较大的作用，一定程度保障了隧道施工安全性及施工进度。隧道开挖与支护工序已基本实现全工序机械化作业。然而，对于不同的隧道而言，因没有配套施工适应对策，在机械化设备配置上以建设方或上级主管部门要求“要我配置”的被动机械化为主，主要采用混凝土湿喷台车和拱架安装台车辅助施工，并未实现真正意义上的全工序机械化作业。
隧道开挖是围岩压力与支护反力随时间、空间不断演变的过程，现行《公路隧道施工规范》中针对传统人工钻爆法，从施工空间的角度规定了开挖循环进尺、安全步距等参数，但这难以适应机械设备施工空间的需求。此外，围岩变形具有时空双重控制特性，而机械钻爆法显著提升了隧道掘进速度，因此亟需建立与之匹配的机械钻爆法施工参数体系。现行规范中规定的“钻、爆、支”单工序施工流程，导致台车（架）频繁进出场，设备转化占用时间过长，严重制约了机械钻爆法施工效率。存在主要问题具体如下。
２．１ 凿岩台车开挖带来新的安全隐患
现行施工规范要求隧道开挖后应及时施作喷锚支护以确保施工安全，然而在实际施工中，当凿岩台车进行周边眼钻孔时，掌子面附近已架设的钢架支护会阻挡钻臂作业空间。受凿岩台车结构设计限制，钻臂钻孔时作业空间受限，导致周边眼钻孔外插角偏大，进而造成超挖量过大。为控制超挖量，理论上可采取周边设置长短炮眼的施工工艺，但需增加炮孔数量，对施工工艺的控��要求较高，且难实现理想的光面爆破效果，实际可操作性较差，因此工程中几乎不予采用。故为减小周边眼外插角，在钻周边眼时通常在靠近掌子面位置预留未立钢架段，如图１（ａ）所示。
为有效控制超挖量，预留未立钢架段长度通常较长，约为１个开挖循环进尺（约３ｍ）。该段往往不初喷混凝土和施作系统锚杆，如图１（ｂ）所示。这种做法导致从靠近掌子面最近的钢架腹部施作４.５ｍ长的超前支护无法嵌入未开挖围岩，超前支护仅外露端支承于钢架上，无法发挥支托围岩的作用。此外，钻孔作业完成后，需要８～９名作业人员在无支护或仅初喷混凝土的条件下进行１～２ｈ的装药作业，面临较高的坍塌掉块安全风险，严重威胁凿岩台车和装药人员的安全。
对于自稳性较好但遇水易软化的泥质岩层，凿岩机施工时的高功率、大水量（６０Ｌ／ｍｉｎ）易导致围岩泥化、软化，进而引发隧道开挖后围岩失稳。
２．２ 较差围岩机械化施工的适应性较差
现行《公路隧道施工规范》是基于以人工作业为主，对Ⅴ～Ⅵ级较差围岩推荐采用分部开挖或多台阶开挖工法（表１）。此类围岩松散破碎，开挖后掌子面自稳能力差，易坍塌，需采用拱架安装台车安装重型钢架封闭成环。然而，规范规定的台阶高度为２.５～３.５ｍ（断面高度较小）及预留核心土要求，导致施工断面狭小，严重制约了拱架安装台车等机械设备的使用，最终被迫采用传统的人工立架模式（图２），致使初期支护封闭时间过长，封闭后支护结构承载力显著降低，甚至承载力不足的问题。
此外，对于开挖后掌子面能基本稳定但存在掉块风险的Ⅳ～Ⅴ级围岩，凿岩台车施工时需在掌子面与初期支护间预留未立钢架段进行钻眼和装药作业，以减小周边眼外插角和控制超挖量。然而，超前支护有效保护不足时，坍塌掉块风险又直接威胁人员和设备安全，导致施工方对使用凿岩台车的开挖模式有抵触。
铁路隧道根据不同围岩级别将掌子面稳定性划分为稳定、暂时稳定和不稳定三类。针对不稳定掌子面，设计采用加长超前支护结合掌子面玻璃纤维筋锚杆（单根长９～１５ｍ）的联合加固措施。但在实际施工中，钢架阻挡了超前支护的施作，加大了外插角度，导致长超前支护的有效作用长度受限；掌子面玻璃纤维锚杆无法设置垫板，需采用全长粘结方式才能起到加筋加固作用，这与锚杆的布置间距相关——间距过密造价显著增加且施工时间长，过疏则难以起到加固效果。因此掌子面玻璃纤维锚杆加固的效果和可实施性较差。
公路隧道则依据围岩级别和开挖跨度将围岩自稳能力划分为长期稳定、基本稳定和无自稳能力三类。对于无自稳能力的破碎岩体或流砂状、流塑状的岩土体，受限于现场地质工程师认知不足，超前地质预报执行不到位，注浆技术与施工质量控制不严和动态设计等因素，开挖后常出现拱顶掉块、漏砂、掌子面坍塌乃至灾害性涌突水（泥）等工程问题（图３）。这些不良地质段落引发的工程问题是制约机械钻爆法推广应用的重要障碍。
２．３ 先支后锚初期支护工序弊端多
目前公路隧道普遍采用新奥法设计理念，初期支护主要采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用。根据现行《公路隧道施工规范》相关规定：开挖后需立即对新暴露的围岩面进行初喷混凝土；系统锚杆应在下一循环开挖前完成，有钢架地段锚杆则需在复喷混凝土后施作（图４）；明确钢筋网应在初喷混凝土后铺设，要求钢筋网片应紧贴岩面起伏铺设，与初喷混凝土面的最大间隙不宜大于５０ｍｍ，并与锚杆或其他固定装置连结牢固；强调钢架和围岩初喷混凝土面间有间隙时应采用钢楔块／木楔块楔紧。综上所述，施工规范要求初期支护的工序为“初喷→挂网→立架→复喷→施作锚杆”的先支后锚工序，支护断面如图５所示。
《高速铁路隧道工程施工技术规程》要求，初期支护采用“初喷混凝土→架立钢架→安装钢筋网→复喷混凝土→施作锚杆”的先支后锚工序。
实际施工中，通常爆破开挖后先出渣找顶，再架立钢拱架及挂钢筋网（钢筋网附着在钢架的外侧）。因超挖导致钢拱架与岩面有较大间隙，难以有效支撑。受限于锚杆施工设备功效、注浆锚杆承载力不足及浆液凝固时间长等因素，锚杆施工常被省略，实际工序简化为“立架→挂网→喷射混凝土”（图６），实质上退化为以钢架被动支护为主的矿山法。
光面爆破效果不佳或在薄层状岩体条件下，开挖找顶后超挖严重时，若采用凿岩台车钻孔超挖量会更大，导致钢架与焊接在钢架背面的钢筋网与围岩间隙过大，而钢筋网又妨碍混凝土喷射密实，初期支护背后易形成较大空洞，在爆破震动和应力重分布的作用下，空洞部位围岩易松动掉块，可能引发冲击破坏。同时钢架接头等薄弱部位在松动荷载和冲击荷载作用下易发生较大变形（图７、图８）或突发脆性坍塌，严重威胁作业人员和设备安全。
即使在复喷混凝土后施作锚杆，不仅不能及时发挥锚杆主动支护围岩、约束变形的作用，而且锚杆头出露较长（图１０），严重影响防水板铺挂，需在铺挂防水板前割掉锚杆头和再次复喷混凝土找平喷层表面。这样又增加了两道工序，严重影响施工效率，导致施工方规避锚杆施工，设计方将锚杆作为安全冗余设计，这样并没有充分体现新奥法的设计理念。
３ 机械钻爆法隧道施工适应对策
３．１ 机械化作业与围岩、工法及步距的匹配
对于自稳性较差的破碎围岩或软质岩层，通过绵阳至九寨沟高速公路白马隧道和Ｇ５扩容广元至绵阳高速公路普安隧道等项目的实践证明，可采用挖机破碎头等机械开挖方式。另外，施工本身也需要配置挖机，此方案仅需在常规设备配置基础上适量的增加，即可实现不同围岩级别的机械化施工。
当围岩条件较差且长度较短需要采用人工凿岩时，应经专项论证。对于小断面辅助坑道等不利于凿岩台车作业工况，可采用人工凿岩，但须严格控制掌子面作业人数。非凿岩机械化在全工序机械化基础上取消凿岩台车，由于施工最大安全隐患来自装药和立架阶段，故保留拱架安装台车（小断面洞室根据实际情况使用），并增加锚杆台车。最终将隧道机械钻爆法设备配置分为全工序机械化配置和非凿岩机械化配置两类（表２）。
隧道机械开挖工法选择应综合考虑断面大小、地质条件、支护设计等因素。两车道隧道推荐采用兼顾施工安全＋效率的大断面工法（图１０）。洞口段采用挖机破碎头等机械开挖和相应短台阶工法，既保持与施工现场的衔接，也可应对围岩地质条件较差时施工，见表３。
三车道隧道洞口为土质围岩、洞身穿越Ⅴ级破碎带围岩段，应根据设计加固措施并采用中隔壁法开挖，宜配置挖机破碎头等非爆开挖的全工序机械化设备。因三车道断面较大，中隔壁法可满足挖机破碎头、拱架台车设备要求；各导坑内宜采用微台阶法开挖，初期支护应及时封闭成环。三车道隧道以Ⅱ级、Ⅲ级围岩为主的段落可采用全断面法或微台阶法施工；Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩段宜采用短台阶法开挖，见表４。
安全步距根据机械设备作业空间和现场监控量测数据控制。短台阶法上台阶和三台阶法中、上台阶长度不超过４０ｍ，有仰拱衬砌段仰拱一次开挖进尺不宜大于６ｍ，开挖后应立即施作仰拱，仰拱至掌子面距离不宜大于７０ｍ。
二次衬砌应在初期支护位移速率变化趋势逐渐下降且７ｄ平均变形速率小于０.２ｍｍ／ｄ后施作，根据机械设备作业空间，二次衬砌至最前方掌子面距离不宜大于１４０ｍ（图１１）。围岩较好段落未设置初期支护钢架，考虑掌子面掘进速度快，月进尺可达１８０～２００ｍ，二次衬砌月进度在１６０～１８０ｍ，此时，距掌子面距离可不做要求。
３．２ 不稳定开挖面预加固与支护
隧道开挖必须以掌子面稳定为前提，对于不稳定的开挖面，需先进行预注浆加固稳定后，再采用合理的开挖工法和超前支护组合措施（表５）。在超前支护的保护下进行开挖作业，初期支护采用“先支后锚，逐榀推进”的施工工序。
３．３ 控制超挖与增大循环进尺
３．３．１ 预留未立钢架段最小长度
在开挖面围岩不稳定或岩体破碎的情况下，不宜预留未立钢架段，此时应将周边眼向轮廓线内移，通过钻孔欠挖弱爆破和机械找顶形成开挖轮廓。
对于基本稳定或整体稳定的开挖��，为减小和控制超挖，需要掌子面前面有一段未立钢架段作为凿岩台车钻孔的操作空间，以减小凿岩台车周边眼钻孔外插角。
凿岩台车钻周边眼所需要的未立钢架段的长度和超挖情况如图１２所示，其值与初期支护喷混凝土设计厚度、开挖循环进尺和凿岩台车钻孔外插角有关。相关研究表明，凿岩台车推进梁绕初期支护末端周边眼钻孔时最大外插角为１２°～１３°，可采用式（１）和式（２）计算未立钢架段的长度和最大超挖值。
式中：ｈ１为隧道开挖后未立钢架段长度；ｄ为隧道初期支护喷混凝土设计厚度；α为凿岩钻孔时钻杆绕初期支护末端外插角，最大外插角为１２°～１３°；ｄ２为隧道开挖最大超挖值，其一半为平均超挖值；ｈ２为隧道开挖循环进尺。
不同围岩级别、不同初期支护喷混凝土设计厚度、不同循环进尺时的未立钢架段长度和平均超挖理论计算值见表６。
可以看出，在未立钢架段和钻杆外插角一定的情况下，循环进尺越大，超挖越大。在初期支护喷混凝土厚度一定情况下，未立钢架段越长，超挖越小，大于推进梁长度可以不超挖，但面临的坍塌掉块风险越高。因此，基于安全和合理超挖因素，在保障其施工安全情况下，尽可能提高施工效率。
３．３．２ 增大循环进尺与调整掘支工序
采用凿岩台车钻周边眼时设置预留未立钢架段以减小超挖，如果按照现行施工规范要求的钻眼、装药、爆破、先支后锚初期支护总体工序（简称为钻爆支开挖支护工序），主要施工工序如图１３所示。施工中需要７个主要工序移动７次不同台车（架），导致设备频繁转换，这一方面降低了机械化施工的效率，另一方面也为初喷混凝土、系统锚杆和超前支护等环节的偷工减料行为提供了客观理由。
由于机械施工超前支护外插角大导致其有效长度不足，人工施作超前支护长度只有４.５ｍ。超前支护长度扣除未立架段和锚固段，在Ⅳ级围岩条件下每循环进尺有限，制约了机械作业效率；而且开挖段位于超前支护外插角较大的末端，超前支护有效保护不足，凿岩台车钻孔和人工装药时仅有初喷混凝土保护，开挖后坍塌掉块的风险增大，严重威胁施工设备和人员的安全，如图１４所示。
为提高超前支护的有效保护能力，必须在上一循环钢架支护前施作下循环钻孔，并在爆破前施作下循环超前支护，相应对上循环进行立架，作为超前支护的落脚，如图１５所示。
因此，为加大循环进尺、提高机械化施工效率和确保人工装药时的安全，即开挖后位于超前支护前段，人工装药时要在钢架支护保护下，由传统的单循环钻、爆、支开挖支护工序调整为前后两个循环钻、支、爆开挖支护工序。对钻爆法机械化施工工序优化为１钻眼（仅初喷混凝土保护下）→２立架（上循环）→３超前→４装药（含爆、找、渣）→５复喷（上循环）→６初喷→７上循环锚杆（滞后施作），循环至１钻孔，如图１６所示；而且施工作业台车（架）只需进出场５次，相比单循环开挖支护，可节约施工时间近１.５ｈ，但面临钢架受爆破冲击破坏现象。如果把“４装药（含爆、找、渣）”与“５复喷（上循环）”互换，面临复喷混凝土后仅有１个多小时的装药间隔后爆破，喷射混凝土的凝固时间不满足凝固后３ｈ再爆破的要求，须等待或采用早强喷射混凝土，但目前对喷混凝土３ｈ的强度值要求仍不明确，下一步需采用试验确定。
为解决上述问题，前后两个循环调整钻（两次钻孔，先钻周边眼）、支（按规范先支后锚）、爆工序：１钻周边眼（仅初喷保护下）→２立架（上循环）→３超前→４复喷（上循环）→５钻其他眼→６装药（含爆、找、渣）→７初喷→８上循环锚杆（要滞后施作），循环至１钻周边眼。优点是人工装药时有喷混凝土钢架保护，且未立钢架段钻眼时间较短，利用钻其他眼及装药时间，可保证爆破时初期支护强度，有利于施工安全。不足在于７个主要工序移动８次不同台车（架），因此该法适用于开挖面基本稳定的情况，牺牲部分效率提高隧道施工整体安全性，如图１７所示。
通过调整掘支工序，对于Ⅳ级围岩开挖循环进尺由２ｍ左右（约２榀钢架间距）增大至３ｍ左右（３榀钢架间距），考虑到单根钻杆最长为５ｍ和掏槽眼与水平方向成５５°，开挖进尺不宜大于３.６ｍ；Ⅴ级围岩由１榀钢架进尺加大至２榀钢架进尺。
３．４ 先锚后支工序提升安全质量和效率
虽然基于现行隧道施工规范调整了开挖支护工序，但未立钢架段仅有初喷混凝土（或裸露），仍然对凿岩台车施工存在威胁，开挖后及时施作锚杆和钢筋网快速承载的主动初期支护是十分必要的，可保障凿岩钻孔的作业安全。目前《公路隧道设计规范》要求Ⅲ级围岩初期支护也仅有喷锚网支护，Ⅳ级围岩可少用先支后锚的钢架支护及超前支护；采用锚杆台车等机械化施工锚杆，以及采用快速凝固和承载的树脂锚杆（锚索），从材料、工艺和装备上确保快速施作锚杆（锚索）网主动支护是可行的。
如采用初喷混凝土后立即施作锚杆，喷混凝土还未形成有效强度，影响锚杆（锚索）紧固力，制约锚杆支护效果。为确保安全，提出开挖出渣找顶后应马上紧贴围岩施作锚杆（锚索）和钢筋网支护，初期支护的施工工序为施作锚杆（锚索）和钢筋网支护→可初喷混凝土→立架→复喷混凝土，简称为先锚后支工序，如图１８所示，实现真正意义上的新奥法和主动支护，防止未立钢架段掉块坍塌，拓宽了凿岩台车开挖的全工序机械化在Ⅳ、Ⅴ级围岩的适应性，也提高了施工的安全性。
为减小超挖，保障凿岩台车钻孔和装药施工安全，并增大循环进尺，也需调整钻（两次钻孔，先钻周边眼）、支（先锚后支）、爆工序。该施工工序可为围岩未立钢架段提供锚网及初喷支护，而不仅仅依靠围岩的自稳能力，且早施作锚杆有利于提高围岩整体性，帮助围岩发挥自身结构能力，体现新奥法主动支护的理念，如图１９所示。
４ 结论及建议
４．１ 结论
在确保隧道施工安全的前提下，为适应隧道机械化施工的作业空间需求和提升作业效率，本研究基于现行人工钻爆法行业规范，调整了开挖工法和施工工序，增大了安全步距和循环进尺，采用了机械化代替人工作业，应用了立即承载的树脂锚杆和早强喷射混凝土等安全保障措施。
（１）提出了适用于不同围岩级别的全工序机械化配置，并提出了匹配隧道机械化作业的开挖工法，由分部小空间开挖法逐步转变为大断面开挖工法。
（２）依据施工设备作业空间需求，提出了仰拱、二次衬砌与掌子面的安全步距，由现行规范要求Ⅴ级和Ⅳ级围岩：仰拱至掌子面距离分别不得超过４０ｍ和５０ｍ，统一优化为不大于７０ｍ；二次衬砌至最前方掌子面距离分别不得大于７０ｍ和９０ｍ，统一优化为不大于１４０ｍ。
（３）为减小超挖和保障施工安全，考虑超前支护的有效长度较短等因素，提出了由单个开挖循环的钻、爆、支工序调整为前后两个循环的钻、支、爆工序；同时提出了采用凿岩台车开挖合理增大循环进尺，由现行规范：Ⅴ级围岩应不大于１榀钢架间距增大至不宜大于２榀钢架间距，且不大于２ｍ；Ⅳ级围岩不应大于２榀钢架间距增大至不宜大于３榀钢架间距，且不大于３．６ｍ。
（４）为发挥围岩的主动承载作用，弱化钢架支护，便于机械化快速凿岩，对于大变形能实现快挖、快支、快封闭控制变形，推荐由施工规范中初期支护先支后锚工序调整为先锚后支工序，开挖出渣找顶后立即施作锚网主动支护、初喷混凝土，由钢架被动支护为主的矿山法调整为锚网主动支护的新奥法，提出了采用适应锚网主动支护的树脂锚杆、早强喷混凝土等材料的建议，保障未支护钢架段施工，全面提升隧道施工安全和效率，节约工程造价。
４．２ 建议
本文主要基于现行隧道设计、施工规范体系，既有设备，提出施工安全保障措施，未来进一步研究方向如下：
（１）在现有设计阶段，通常以“荷载－结构”法进行结构验算，通过“分担比”对喷射混凝土、钢架、二次衬砌进行验算，忽略了系统锚杆对于围岩变形的控制作用，以结构终态安全为目标。然而在机械钻爆法施工过程中，支护时间、支护强度随时间变化、施工效率、掘进速度等时间因素对于施工安全影响显著，常规模拟方法并不能保证机械钻爆法施工过程的安全性。因此，如何模拟全过程隧道支护体系安全，有待进一步研究。
（２）目前先锚后支工序主要受制于适应公路隧道较大断面的锚网台车设备的不足，下阶段应联合厂商加强这方面的开发和推广。