随着交通强国战略实施与中国国家综合立体交通网建设的推进，公路隧道作为交通基础设施的重要组成部分，其建设的数量日益增多、规模日趋增大^[1]。截至目前，中国已经成为世界上公路隧道建设与运营数量最多的国家，同时也是公路隧道建造技术发展最快的国家^[2-3]。鉴于中国老龄化程度加深与劳动力成本增加，在保障施工质量的前提下，为了进一步提高施工效率，大型机械化施工技术在以钻爆法为主的公路隧道建造过程中得到迅速推广^[4-6]，并取得良好的工程应用效果。

依托实际工程，诸多学者与技术人员探究了不同机械化设备类型与配置方案在公路隧道建造过程中的应用效果。如杨平等^[7]依托福州绕城高速公路西北段隧道，结合隧址区地质条件、施工工法、计划工期以及设备技术能力等，探究了机械化设备的配置方法，研究发现合理的机械化配置可以有效提高经济效益。薛君等^[8]依托东天山公路隧道Ⅳ级围岩段，研究了适用于全断面开挖的机械化配套组合方案，分析了不同机械设备与人员配置的施工效率，提出了高效的机械化设备与人员配置方案。冯晓峰^[9]在分析公路隧道施工技术特点的基础上，总结了公路隧道机械化施工存在的问题，研究了公路隧道机械化施工设备的合理配置方法以及管理手段，并在港珠澳大桥连接线南湾隧道进行了工程应用。魏夏鹏等^[10]依托兰海高速公路木寨岭隧道工程，研发了适用于软岩大变形围岩段的预应力锚索一体化施工设备，提出了一套基于主动支护理念的全机械化施工工艺与配套设备，充分发挥了主动支护在围岩变形控制方面的优势，保障了隧道施工的安全。上述研究主要聚焦于机械化设备配套，尚未进一步分析机械化施工过程中所需的安全步距。

根据《公路工程施工安全技术规范》 (JTG F90—2015)(以下简称《技术规范》)规定，针对仰拱与掌子面之间的距离，Ⅲ级围岩不超过90 m，Ⅳ级围岩不超过50 m，Ⅴ级及以上围岩不超过40 m；针对二衬与掌子面之间的距离，Ⅳ级围岩不超过90 m，Ⅴ级及以上围岩不超过70 m。《技术规范》规定的施工安全步距主要源于人工钻爆法隧道的工程经验与理论成果，难以与大型机械化设备相匹配，同时也制约了公路隧道机械化建造技术水平的发展。为此，亟需对大型机械化设备施工所需步距开展相关研究^[11-13]。如郭鸿雁等^[14]依托云南某在建公路隧道，结合数值模拟与现场监测结果，探究了公路隧道钻爆法机械化全断面施工在Ⅳ级围岩条件下的可行性，提出了机械化全断面施工的开挖工序与安全步距。黄维科等^[15]依托贵黄高速公路龙昌隧道Ⅳ级围岩段，提出了适用于大断面公路隧道的“9+N”系统大型机械化施工技术(即9套大型设备配合欧洲SN锚杆法)，提高了隧道施工的安全性、高效性及机械化程度；随后，通过三维数值模拟探究了大型机械化施工条件下所需安全步距，在初期支护引入SN锚杆法基础上，结合BIM技术建立了隧道施工的信息化技术^[16]。

综上分析，公路隧道机械化设备配套方案与施工安全步距研究已经引起足够重视，并取得诸多成果。然而，涉及大型机械化设备配套方案、施工所需步距及实施效果的系统研究还不够深入。为此，本研究依托荷花隧道工程，在对隧道掌子面前方围岩进行超前预测预报的基础上，提出了适用于Ⅲ级和Ⅳ级围岩的大型机械化设备配套方案，确定了各类机械设备施工所需步距，数值分析了大型机械化设备在所需步距施工下的围岩变形特性，最后通过现场实测验证了大型机械化设备在所需步距施工下的可行性与安全性，相关研究成果可为后续类似工程提供参考或借鉴。

作为武深高速公路始兴联络线的控制性工程，荷花隧道位于中国广东省韶关市始兴县深渡水瑶族乡，设计标准为双向四车道、左右线分离式隧道，采用钻爆法施工。隧道左线起止里程为K1+841~K5+042，全长为3 201 m，最大埋深为417 m；右线起止里程为Y1K1+882~Y1K5+047，全长为3 165 m，它的最大埋深为394 m，是目前广东省在建里程最长的山岭公路隧道^[17]。

隧址区为低山丘陵地貌，地形起伏大，地面最小与最大的标高分别为159.0 m与652.2 m，最大相对高差为493.0 m；山体地表水总体比较发育，主要水源补给为大气降雨。隧道穿越地层主要为粉质黏土、变质砂岩、板岩、砂质板岩、硅质板岩、炭质板岩及凝灰岩等，主要以Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩为主。其中，Ⅲ级围岩主要为中至微风化变质砂岩；Ⅳ级围岩主要为中至强风化砂岩、变质砂岩、粉砂质板岩；Ⅴ级围岩主要为强至中风化砂岩、含炭质粉砂质板岩，地质剖面如图 1所示。

图 1 地质剖面图 Fig. 1 Geological profile map

图选项

综合采用隧道散射地震成像(Tunnel Seismic Tomography，TST)技术与地质雷达法这2种技术手段对掌子面前方围岩地质情况进行探测^[18-19]，进而有效指导隧道后续施工。TST地震波反射与地质雷达探测法的探测结果如图 2所示。综合TST地震波反射与地质雷达探测结果可知，隧道掌子面前方围岩主要以Ⅲ级和Ⅳ级为主，具备开展大型机械化施工的地质条件。为此，在左线隧道K2+499~K3+472区段(见表 1)开展了机械化施工试点，并采用两台阶法施工，进而为后续施工积累经验。表 1中的“实际等级”为该桩号段内依次出现的实际围岩等级。

图 2 超前地质预测预报结果 Fig. 2 Advanced geological prediction result

图选项

在保证隧道施工质量的前提下，为了进一步提高工序效率，降低施工过程风险，采用大型机械化配套设备(见表 2)，其尺寸与作业空间如表 3所示。

爆破后堆渣长度为20 m，出渣车长为10 m，并预留掉头错车空间长10 m，故上台阶长度需40 m，下台阶长为15 m；仰拱处初支需在下台阶开挖后及时施作来保证形成全断面的支护结构，故初支封闭成环距掌子面距离应不大于55 m；上下台阶高差预留6 m垫渣过渡，下台阶预留9 m进行出渣作业，液压仰拱栈桥长38 m，故综合应用三臂拱架安装机、全自动湿喷机及液压仰拱栈桥进行机械化作业所需步距为93 m；为了防止9.8 m车长的砼罐车与出渣车在栈桥上剐蹭防水板台车，需在防水板台车与栈桥间单独设置10 m长空间；防水板施工区段长为12 m，二衬钢筋安装区段长为24 m，二衬台车长为12 m，故综合应用宽幅防水板及钢筋自动上料布筋一体机、二衬台车进行机械化作业所需步距为151 m。大型机械化施工所需步距如图 3所示。

图 3 大型机械化施工所需步距示意图(单位：m) Fig. 3 Schematic diagram of required steplength for large-scale mechanized construction (unit: m)

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综上分析，《公路工程施工安全技术规范》所规定的施工安全步距难以满足大型机械化设备施工的需要。为此，本研究后续采用三维数值仿真技术对大型机械化设备施工所需步距下的围岩变形特性进行模拟分析，进而探究大型机械化设备在所需步距施工下的安全性，最终为大型机械化设备施工提供理论支撑。

采用Abaqus软件建立隧道施工全过程三维数值模型，为了最大程度降低模型边界效应，数值模型的水平尺寸取130 m，超过10倍洞径；竖向尺寸取90 m，纵向尺寸取190 m。数值模型如图 4所示。模型左右、前后及底面设置位移约束条件，顶面为自由边界条件。在模型顶面施加均布荷载来模拟上覆岩体自重。围岩、初期支护及二次衬砌结构均采用实体单元模拟，围岩屈服满足M-C强度准则，初期支护与二次衬砌结构假设为线弹性材料^[20]。针对JTG F90—2015技术规范规定的施工安全步距(简称规范步距)与大型机械化设备施工所需步距(简称大机步距)2种工况，Abaqus模拟主要从围岩变形与塑性区2个方面进行阐述分析。

图 4 数值模型(单位：m) Fig. 4 Numerical model (unit: m)

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初期支护综合采用了喷射混凝土、锚杆及钢拱架的组合支护方案。在数值模拟过程中，基于刚度等效原理，通过提高围岩力学性能来模拟锚杆的锚固效果；喷射混凝土与钢拱架的等效弹性模量可通过式(1)计算。结合现场地质勘察报告与相关规范，数值模拟所用参数见表 4。

(1)

式中，E和A分别为弹性模量与截面积；e为喷射混凝土与钢拱架的等效模型；c和g分别为混凝土和钢拱架。

采用无尺量测技术(高精度全站仪)对拱顶沉降、水平收敛进行监测，在围岩与初期支护之间设置钢弦式压力盒来监测围岩-初期支护接触压力，在钢拱架翼缘上设置钢弦式钢筋应力计来监测钢拱架内力。如图 5所示，每个监测断面共计设置5个测点，分别为拱顶测点G，左拱腰测点A，右拱腰测点B，左边墙测点C，右边墙测点D，且测点A与B同C与D对称布置，进而形成拱腰测线AB与边墙测线CD。通过对围岩变形、围岩-初支接触压力、钢拱架内力进行现场监测，进而验证大型机械化设备在所需步距施工下的可行性。

图 5 测点布置 Fig. 5 Measuring points layout

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规范步距与大机步距2种工况下的隧道拱顶沉降纵向分布曲线如图 6所示。规范步距工况下，初期支护闭合后的拱顶沉降逐渐收敛，但收敛速度显著低于大机步距工况。大机步距工况下，初期支护闭合后的拱顶沉降呈快速收敛趋势，尤其是仰拱至二衬施作期间。针对二衬断面的拱顶沉降，规范步距与大机步距2种工况下分别为13.40 mm和16.13 mm，大机步距工况下增加了16.9%，但仍小于设计预留变形量80.0 mm，故大型机械化设备在所需步距下施工引起的围岩变形仍满足设计要求。

图 6 两种数值模拟工况下的隧道拱顶沉降纵向分布曲线 Fig. 6 Longitudinal distribution curves of tunnel arch settlement under two numerical simulation conditions

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典型监测断面K2+560的围岩变形监测结果如图 7所示。其中，AB为拱腰；CD为边墙。采用大型机械化设备施工后，围岩变形累计时程曲线分别经历了快速增加、再次增长及趋于稳定3个阶段，拱顶最大沉降值小于15 mm，拱腰与边墙的水平收敛最大值分别小于12 mm和8 mm，均保持在设计允许范围之内。变形速率在下台阶与仰拱施作阶段均呈下降趋势，但在下台阶施作之后呈轻微上升趋势，随后再次下降。拱顶沉降最大速率小于1.0 mm/d，拱腰与边墙的水平收敛最大速率分别小于1.0 mm/d和1.2 mm/d。

图 7 监测断面K2+560的围岩变形监测结果 Fig. 7 Monitoring results of surrounding rock deformation at monitoring section K2+560

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大机步距工况下二衬断面数值模拟所得拱顶沉降为16.13 mm；现场监测所得拱顶最大沉降值为12.3 mm，最大水平收敛为11.7 mm，均小于设计预留变形量80.0 mm。这表明大型机械化设备在本研究所提所需步距下施工引起的围岩变形仍满足设计要求，进一步验证了大型机械化设备在所提步距施工下的可行性与安全性。

典型监测断面的围岩-初支接触压力监测结果如图 8所示。其中，K3+141和K3+259断面的围岩级别分别为Ⅳ级和Ⅲ级。初期支护施作后，围岩与初期支护开始接触，二者之间的接触压力急剧增大。随着围岩与初期支护形成共同承载体，接触压力增长速率逐渐降低，并趋于稳定。当初期支护施作15 d后，接触压力基本趋于稳定，这表明围岩与初期支护形成了共同承载体，进而承担隧道上部荷载。K3+141和K3+259断面的接触压力最大值分别位于右边墙和左拱腰，最大值分别为0.075 MPa和0.054 MPa。由于Ⅲ级围岩稳定性高于Ⅳ级，故Ⅲ级围岩下的接触压力小于Ⅳ级。此外，围岩-初期支护接触压力呈显著的轴对称分布。

图 8 典型监测断面的围岩-初支接触压力监测结果 Fig. 8 Monitoring results of contact pressure between surrounding rock and initial support at typical monitoring sections

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典型监测断面的钢拱架内力监测结果如图 9所示。钢拱架内力的时程曲线变化规律与围岩-初支接触压力基本相似，均表现为前期急剧增大，后期增速降低，并逐渐趋于稳定。K3+141和K3+259断面的接触压力最大值分别位于右拱腰和拱顶，最大值分别为24.298 kN和28.450 kN。与接触压力相反，钢拱架内力分布呈显著的非轴对称分布。

图 9 典型监测断面的钢拱架监测结果 Fig. 9 Monitoring results of steel arch frames at typical monitoring sections

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根据数值模拟结果，规范步距与大机步距2种工况下的围岩塑性区主要集中在下台阶掌子面，并向上台阶掌子面方向延伸，但在上台阶掌子面附近均未出现塑性区。相比规范步距工况，大机步距工况下的塑性区范围更广，其主要原因是大型机械化设备施工所需上台阶预留长度达40 m，故大型机械化施工过程中应该加强围岩塑性区的监测与控制，进而避免围岩因塑性屈服而发生破坏，最终影响施工安全。

本研究依托武深高速公路荷花隧道工程开展了大型机械化设备施工试点，计算了大型机械化设备施工所需步距；采用三维数值仿真技术，对比分析了规范规定的施工安全步距和大型机械化设备施工所需步距2种工况下的围岩变形规律与塑性区分布特性；结合现场监测数据，论证了大型机械化设备在所需步距施工下的可行性与安全性。

(1) 提出了由三臂拱架安装机、全自动湿喷机械、自行式液压仰拱栈桥、宽幅防水板及钢筋自动上料布筋一体机、二衬台车(自动布料系统)、衬砌喷淋养护温控台车、智能注浆设备以及安注检除尘一体机组成的大型机械化配套设备，计算了大型机械化设备所需的施工步距，即初支封闭成环步距不大于55 m，仰拱步距不大于93 m，二衬步距不大于151 m，远超现有规范。

(2) 数值模拟结果表明，相比规范步距工况，大机步距工况下的围岩沉降、隆起量值更大，漏斗状范围更广。针对二衬断面的拱顶沉降，规范步距和大机步距2种工况下分别为13.40 mm和16.13 mm，大机步距工况下增加了16.9%，但仍小于设计预留变形量80.0 mm，故大型机械化设备在所需步距下施工引起的围岩变形仍满足设计要求。

(3) 现场监测结果表明，拱顶最大沉降值小于15 mm，拱腰和边墙的水平收敛最大值分别小于12 mm和8 mm，均保持在设计允许范围之内，与数值模拟结果基本相似，这进一步验证了大型机械化设备在所提步距施工下的可行性与安全性。