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根據施工及理論證實，隧道荷載是支護與周邊圍巖相互作用的結果，國內相關學者提出主動支護設計理念，通過主動提高圍巖力學參數或降低施工對圍巖力學參數的損傷影響，并且主動及時地提供有效支護力，調動圍巖的自穩能力，實現圍巖在支護中的主體地位，形成圍巖-支護協同承載體系[1-2]。因此，采用預應力錨桿、早高強噴射混凝土等主動支護系統，可充分利用圍巖-錨桿支護能力，減少圍巖因暴露時間過長導致圍巖劣化、變形及松弛圈擴大的問題，實現部分取消隧道鋼架、網片等支護工序，同時采用全工序譜系化機械施工，降低高原地區人員施工效率影響，可以顯著加快施工進度，具有顯著的社會經濟效益。
1工程概況
某新建高原鐵路全長1018.642km，總工期為12年。設計隧道481.74km/69座，占比82.6%，其中30km以上隧道6座，共設置輔助坑道423.738km/138座。輔助導坑長度與隧道正線長度比約為0.9，輔助導坑施工對工期控制、安全管理的影響不容忽視。該工程某標段的主要施工內容如下：A隧道半座16.890km（隧道全長設計為31.676km），設4座橫洞+1座平導輔助施工，4座橫洞長7.687km，平導長13.6km；B隧道14.052km（DK1202+116～DK1216+168），設2座橫洞輔助施工，2座橫洞長3.724km；2座隧道軌面標高在2500～3200m，存在超高地溫、高溫熱水、極強巖爆、活動斷裂等不良地質，為全線控制性關鍵工程。
2小斷面隧道快速施工中的關鍵工藝
2.1開挖爆破隧道超欠挖對工序影響極大，統計顯示一般欠挖處理、超挖回填噴射會導致工序延長2～6h。全面段開挖循環進尺一般控制在3～4m，由于三臂臺車機械臂與洞壁間距離，限制鉆孔最小外插角，采用一次成孔則孔底外插過大，造成超挖15～25cm，現場采用長短眼結合方式（見圖1）將超挖控制在10cm左右。Ⅲ、Ⅳ級硬巖段，現場采用帶仰拱（底板）全斷面爆土應力集中及微裂縫擴展，增強了噴混凝土的斷裂韌性及抗拉強度，一定摻量鋼纖維混凝土能量吸收值、彎曲韌性與常規網片噴射混凝土相當[4]。現場采用早高強鋼纖維噴射混凝土，其8h強度達到10MPa以上，能在最短時間內形成支護剛度，抑制圍巖的變形發展，同時節省網片施工時間。
2.3預應力錨桿預應力錨桿是主動支護結構的核心，能使洞周圍巖開挖后由二維應力狀態盡快恢復成為三維應力狀態，形成洞周巖體“承載拱效應”，主動提高圍巖物理力學性質及其承載能力。相關模型計算、室內模擬驗證均證實預應力錨桿主動支護，在抑制圍巖位移，塑性變形發展方向效果顯著。現場采用漲殼式低預應力錨桿，根據圍巖穩定情況，合理選擇錨桿施作時機，地質較好時采用后置錨桿，即復噴后植入錨桿，具有與掌子面施工無干擾、不占用工序時間的優點。
2.4譜系化機械施工
2.4.1超前預報綜合應用超前鉆探取芯、孔內成像、掌子面圖形識別、地質雷達、TSP等有效探測手段獲取地質信息，智能型鑿巖臺車在掌子面鉆爆孔的同時施作加深炮孔，實時采集鉆進地層參數，利用臺車MWD隨鉆測量系統，分析形成MWD地質云圖。相關信息上傳至綜合信息管理平臺，由專業技術人員綜合預判掌子面前方地質情況，快速確定圍巖級別及支護參數。
2.4.2開挖采用智能三臂鑿巖臺車，鉆孔全電腦控制，精度高，偏差可控，鉆孔定位數據可分析，用于綜合研判爆破效果，優化調整爆破設計。同時僅需3人就可完成鉆眼作業，實現少人化作業，保障人員安全。
2.4.3除塵爆破后采用具有傳感檢測、智能化控制的干式除塵臺車，通過遠程遙控進行快速吸煙除塵，凈化施工環境，縮減通風等待時間，加快工序銜接。2.4.4出渣高原油料供應匱乏緊張，冬季保障困難，且洞內高溫不良地質突出，如果挖裝運設備繼續使用內燃動力，必將導致隧道內溫度更高、空氣質量更差、施工效率更低、后勤保障壓力大。因此，項目推進采用新能源設備，降低燃油需求、減緩洞內人機爭氧、提高施工效率。
2.4.5初期支護（1）利用拱架安裝機實現拱架安裝機械化配套作業。鋼架、連接筋、網片于場外拼裝連接，通過人工遙控機械臂將拱架安裝于指定位置，一次完成兩榀鋼架安裝，全過程無須人工搬運，實現兩榀鋼架同時快速施工，工序時間為2h，配置立架工人6名。（2）漲殼式低預應力錨桿采用錨注一體機，具有鉆孔、裝桿、預應力施加與鎖定及注漿功能。現場采用φ45鉆頭鉆孔，鉆孔深度為3m，鉆孔時間為80s/孔左右，裝、錨、注一體化完成施工作業所需時間穩定地控制在2.5～3min/套，工序循環時間控制在1.5h左右。（3）鋼纖維混凝土噴射采用濕噴機械手進行作業，具有結構簡單，泵送壓力高、全工法適應、無死角遙控操作等特點，噴漿手遠離作業面遙控指揮噴漿，避免了掌子面塌方對作業人員和機械設備的安全威脅。
2.4.6二次襯砌（1）仰拱（底板）采用液壓移動棧橋施工，實現掌子面開挖與仰拱施工平行作業。液壓移動棧橋與仰拱弧模高度匹配，仰拱弧模采用液壓系統行走、定位，進一步確保澆筑質量。（2）采用自動鋼筋防水板臺車，其行走、防水板轉運、防水板鋪卷均為遙控操作，靈活方便，人工配合焊接（射釘錨固）作業，降低了人工作業強度。（3）采用智能化二襯臺車實現分倉入模，逐層澆筑，同時具備帶壓入模壓力監測、溫度監測、流量監測、防空洞監測及頂推限位報警等功能，提高混凝土澆筑質量。（4）配置具有加溫加濕功能的智能養護臺車進行混凝土養護，其主要由臺車構架、霧化系統、電加熱系統、氣囊密封系統、智能溫濕度控制系統等組成，實現養護區域溫度、濕度智能調控、遠程控制，加快混凝土強度增長，提高養護質量。2.4.7智能通風系統采用智能變頻節能軸流風機系統，設置環境監測傳感器對隧道施工環境實時監測。根據隧道內作業面的環境狀態，自動、實時調節各作業面需風量，聯動機械制冷系統，通過制冷機組將水冷蒸發，使進入工作面的新鮮風冷卻。對隧道施工環境、通風設備運行參數進行自動監測，智能判斷環境變化對人員的影響，保障工作人員健康作業環境。
3小斷面隧道快速施工工藝的效果
為驗證小斷面快速施工工藝在現場施工中的可行性、適應性和技術經濟性。項目部于3個橫洞開展施工試驗，累計試行小斷面快速施工1350m。現場進度提升明顯，其中1#橫洞小斷面快速施工里程H0+715～H0+325，共計390m（IV級圍巖），其中1#橫洞小斷面快速施工里程H0+659～H0+325，共計334m（IV級圍巖），時間為2022年3月1日至2022年4月30日，共70d，平均進度167m/月，超過120m/月標準進度39%，比推進前實際進度提高100%以上（見圖2）。通過機械化配套施工，現場掌子面作業人員明顯減少，降低了施工安全風險。現場監控量測顯示，開挖后沉降變形較小，斷面拱頂下沉、周邊收斂變形均在10mm以下，安全可控。4結束語綜上所述，該工程現場運用隧道主動支護理念，以早高強鋼纖維噴射混凝土+預應力錨桿支護系統加固穩定圍巖，通過合理科學配置譜系化、智能化機械裝備，實現施工數據采集分析及裝備少人、無人化控制，達到單線鐵路隧道機械化快速施工目的，同時推進了數字化工地建設，是鐵路隧道建設發展的必然方向。
參考文獻
[1]肖廣智.鐵路隧道施工主動控制變形技術研究與實踐[J].隧道建設(中英文),2018,38(7):1087-1094.
[2]田四明,吳克非,劉大剛,等.高原鐵路極高地應力環境隧道主動支護設計方法研究[J].鐵道學報,2022,44(3):39-63.
[3]李順波.水平緩傾巖層大斷面隧道安全快速施工技術研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學,2016.
[4]汪波,喻煒,劉錦超,等.交通/水工隧道中基于預應力錨固系統的及時主動支護理念及其技術實現[J].中國公路學報,2020,33(12):118-129.破的開挖方法，斷面開挖一次成型，減少圍巖二次擾動，減少仰拱底板開挖造成的工序交叉影響。
作者:李榮飛 蔣佳運 單位:中鐵五局集團有限公司 西藏鐵路建設有限公司