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根据施工及理论证实，隧道荷载是支护与周边围岩相互作用的结果，国内相关学者提出主动支护设计理念，通过主动提高围岩力学参数或降低施工对围岩力学参数的损伤影响，并且主动及时地提供有效支护力，调动围岩的自稳能力，实现围岩在支护中的主体地位，形成围岩-支护协同承载体系[1-2]。因此，采用预应力锚杆、早高强喷射混凝土等主动支护系统，可充分利用围岩-锚杆支护能力，减少围岩因暴露时间过长导致围岩劣化、变形及松弛圈扩大的问题，实现部分取消隧道钢架、网片等支护工序，同时采用全工序谱系化机械施工，降低高原地区人员施工效率影响，可以显著加快施工进度，具有显著的社会经济效益。
1工程概况
某新建高原铁路全长1018.642km，总工期为12年。设计隧道481.74km/69座，占比82.6%，其中30km以上隧道6座，共设置辅助坑道423.738km/138座。辅助导坑长度与隧道正线长度比约为0.9，辅助导坑施工对工期控制、安全管理的影响不容忽视。该工程某标段的主要施工内容如下：A隧道半座16.890km（隧道全长设计为31.676km），设4座横洞+1座平导辅助施工，4座横洞长7.687km，平导长13.6km；B隧道14.052km（DK1202+116～DK1216+168），设2座横洞辅助施工，2座横洞长3.724km；2座隧道轨面标高在2500～3200m，存在超高地温、高温热水、极强岩爆、活动断裂等不良地质，为全线控制性关键工程。
2小断面隧道快速施工中的关键工艺
2.1开挖爆破隧道超欠挖对工序影响极大，统计显示一般欠挖处理、超挖回填喷射会导致工序延长2～6h。全面段开挖循环进尺一般控制在3～4m，由于三臂台车机械臂与洞壁间距离，限制钻孔最小外插角，采用一次成孔则孔底外插过大，造成超挖15～25cm，现场采用长短眼结合方式（见图1）将超挖控制在10cm左右。Ⅲ、Ⅳ级硬岩段，现场采用带仰拱（底板）全断面爆土应力集中及微裂缝扩展，增强了喷混凝土的断裂韧性及抗拉强度，一定掺量钢纤维混凝土能量吸收值、弯曲韧性与常规网片喷射混凝土相当[4]。现场采用早高强钢纤维喷射混凝土，其8h强度达到10MPa以上，能在最短时间内形成支护刚度，抑制围岩的变形发展，同时节省网片施工时间。
2.3预应力锚杆预应力锚杆是主动支护结构的核心，能使洞周围岩开挖后由二维应力状态尽快恢复成为三维应力状态，形成洞周岩体“承载拱效应”，主动提高围岩物理力学性质及其承载能力。相关模型计算、室内模拟验证均证实预应力锚杆主动支护，在抑制围岩位移，塑性变形发展方向效果显著。现场采用涨壳式低预应力锚杆，根据围岩稳定情况，合理选择锚杆施作时机，地质较好时采用后置锚杆，即复喷后植入锚杆，具有与掌子面施工无干扰、不占用工序时间的优点。
2.4谱系化机械施工
2.4.1超前预报综合应用超前钻探取芯、孔内成像、掌子面图形识别、地质雷达、TSP等有效探测手段获取地质信息，智能型凿岩台车在掌子面钻爆孔的同时施作加深炮孔，实时采集钻进地层参数，利用台车MWD随钻测量系统，分析形成MWD地质云图。相关信息上传至综合信息管理平台，由专业技术人员综合预判掌子面前方地质情况，快速确定围岩级别及支护参数。
2.4.2开挖采用智能三臂凿岩台车，钻孔全电脑控制，精度高，偏差可控，钻孔定位数据可分析，用于综合研判爆破效果，优化调整爆破设计。同时仅需3人就可完成钻眼作业，实现少人化作业，保障人员安全。
2.4.3除尘爆破后采用具有传感检测、智能化控制的干式除尘台车，通过远程遥控进行快速吸烟除尘，净化施工环境，缩减通风等待时间，加快工序衔接。2.4.4出渣高原油料供应匮乏紧张，冬季保障困难，且洞内高温不良地质突出，如果挖装运设备继续使用内燃动力，必将导致隧道内温度更高、空气质量更差、施工效率更低、后勤保障压力大。因此，项目推进采用新能源设备，降低燃油需求、减缓洞内人机争氧、提高施工效率。
2.4.5初期支护（1）利用拱架安装机实现拱架安装机械化配套作业。钢架、连接筋、网片于场外拼装连接，通过人工遥控机械臂将拱架安装于指定位置，一次完成两榀钢架安装，全过程无须人工搬运，实现两榀钢架同时快速施工，工序时间为2h，配置立架工人6名。（2）涨壳式低预应力锚杆采用锚注一体机，具有钻孔、装杆、预应力施加与锁定及注浆功能。现场采用φ45钻头钻孔，钻孔深度为3m，钻孔时间为80s/孔左右，装、锚、注一体化完成施工作业所需时间稳定地控制在2.5～3min/套，工序循环时间控制在1.5h左右。（3）钢纤维混凝土喷射采用湿喷机械手进行作业，具有结构简单，泵送压力高、全工法适应、无死角遥控操作等特点，喷浆手远离作业面遥控指挥喷浆，避免了掌子面塌方对作业人员和机械设备的安全威胁。
2.4.6二次衬砌（1）仰拱（底板）采用液压移动栈桥施工，实现掌子面开挖与仰拱施工平行作业。液压移动栈桥与仰拱弧模高度匹配，仰拱弧模采用液压系统行走、定位，进一步确保浇筑质量。（2）采用自动钢筋防水板台车，其行走、防水板转运、防水板铺卷均为遥控操作，灵活方便，人工配合焊接（射钉锚固）作业，降低了人工作业强度。（3）采用智能化二衬台车实现分仓入模，逐层浇筑，同时具备带压入模压力监测、温度监测、流量监测、防空洞监测及顶推限位报警等功能，提高混凝土浇筑质量。（4）配置具有加温加湿功能的智能养护台车进行混凝土养护，其主要由台车构架、雾化系统、电加热系统、气囊密封系统、智能温湿度控制系统等组成，实现养护区域温度、湿度智能调控、远程控制，加快混凝土强度增长，提高养护质量。2.4.7智能通风系统采用智能变频节能轴流风机系统，设置环境监测传感器对隧道施工环境实时监测。根据隧道内作业面的环境状态，自动、实时调节各作业面需风量，联动机械制冷系统，通过制冷机组将水冷蒸发，使进入工作面的新鲜风冷却。对隧道施工环境、通风设备运行参数进行自动监测，智能判断环境变化对人员的影响，保障工作人员健康作业环境。
3小断面隧道快速施工工艺的效果
为验证小断面快速施工工艺在现场施工中的可行性、适应性和技术经济性。项目部于3个横洞开展施工试验，累计试行小断面快速施工1350m。现场进度提升明显，其中1#横洞小断面快速施工里程H0+715～H0+325，共计390m（IV级围岩），其中1#横洞小断面快速施工里程H0+659～H0+325，共计334m（IV级围岩），时间为2022年3月1日至2022年4月30日，共70d，平均进度167m/月，超过120m/月标准进度39%，比推进前实际进度提高100%以上（见图2）。通过机械化配套施工，现场掌子面作业人员明显减少，降低了施工安全风险。现场监控量测显示，开挖后沉降变形较小，断面拱顶下沉、周边收敛变形均在10mm以下，安全可控。4结束语综上所述，该工程现场运用隧道主动支护理念，以早高强钢纤维喷射混凝土+预应力锚杆支护系统加固稳定围岩，通过合理科学配置谱系化、智能化机械装备，实现施工数据采集分析及装备少人、无人化控制，达到单线铁路隧道机械化快速施工目的，同时推进了数字化工地建设，是铁路隧道建设发展的必然方向。
参考文献
[1]肖广智.铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践[J].隧道建设(中英文),2018,38(7):1087-1094.
[2]田四明,吴克非,刘大刚,等.高原铁路极高地应力环境隧道主动支护设计方法研究[J].铁道学报,2022,44(3):39-63.
[3]李顺波.水平缓倾岩层大断面隧道安全快速施工技术研究[D].石家庄:石家庄铁道大学,2016.
[4]汪波,喻炜,刘锦超,等.交通/水工隧道中基于预应力锚固系统的及时主动支护理念及其技术实现[J].中国公路学报,2020,33(12):118-129.破的开挖方法，断面开挖一次成型，减少围岩二次扰动，减少仰拱底板开挖造成的工序交叉影响。
作者:李荣飞 蒋佳运 单位:中铁五局集团有限公司 西藏铁路建设有限公司