客運(yùn)專線隧道機(jī)械化配套施工研究

嚴(yán)文翔

摘 要：基于隧道傳統(tǒng)人工鉆爆法投入人員較多、施工效率低下、難以保證施工質(zhì)量和人員安全的現(xiàn)狀，在以Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖和全斷面法施工為主的隧道中，通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖作業(yè)、出砟運(yùn)裝、初期支護(hù)及仰拱鋪底作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)，在很大程度上提高了施工效率和質(zhì)量，保證了施工人員安全，證明隧道機(jī)械化配套施工具有很大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)被大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：隧道施工；機(jī)械化配套；全斷面法；施工效率

中圖分類號(hào)：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0092-04

Abstract： Given that the traditional blasting method of tunnel excavation requires loads of manpower and can hardly guarantee construction quality and safety， construction machines involved in excavation， waste rock transfer， initial support and inverted arch bedding of tunnels with grade Ⅱ and grade Ⅲ surrounding rocks were optimized in matching. The construction efficiency was improved significantly， and staff safety was guaranteed. Mechanized construction is proven by tunnel projects to be advantageous over blasting method and shall be popularized.

Key words： tunnel construction； equipment matching； full section method； construction efficiency

0 引 言

近10年來(lái)，中國(guó)隧道建設(shè)規(guī)?？涨鞍l(fā)展，國(guó)產(chǎn)隧道機(jī)械不斷涌現(xiàn)，隧道機(jī)械化施工再次開(kāi)始在長(zhǎng)大隧道工程中應(yīng)用[1-3]。目前，貴廣鐵路、南昆鐵路、敦格線當(dāng)金山隧道等隧道工程開(kāi)始提倡并投入機(jī)械化配套設(shè)備進(jìn)行隧道施工，并取得了較為滿意的成果[4-6]。本文以西部山區(qū)某客運(yùn)專線隧道為背景，對(duì)隧道各施工作業(yè)工序內(nèi)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行介紹，依據(jù)該隧道的地質(zhì)和工法特征，制定相應(yīng)的機(jī)械化配套方案，加快了施工進(jìn)度，保證了施工質(zhì)量，為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 隧道地質(zhì)條件

西部山區(qū)某客運(yùn)專線隧道為單洞雙線隧道，位于高中山區(qū)，地形起伏較大，平均海拔為1 300～2 400 m，最高海拔為2 420 m。地表自然坡度為40°～70°，隧道沿線分布有眾多基巖“V”型侵蝕谷，溝內(nèi)常年流水，水量較大，地形復(fù)雜，植被茂密。溝內(nèi)有大量的沖、洪積塊石，溝內(nèi)巖性較單一，節(jié)理裂隙發(fā)育，巨型巖體大量剝落形成巖堆。隧道整體埋深較大，一般埋深為300～500 m，最大埋深約為1 016 m，最淺埋深約30 m。

隧道區(qū)域內(nèi)地層主要為：第四系全新統(tǒng)沖、洪積漂石土和坡積塊石土，泥盆系中統(tǒng)片巖夾大理巖等變質(zhì)巖類，燕山期花崗巖、閃長(zhǎng)巖等巖漿巖類以及分布在斷層破碎帶內(nèi)的碎裂巖。隧道以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主，局部段落地下水發(fā)育，隧道內(nèi)設(shè)小人字坡，隧道軌上有效內(nèi)凈空面積為92 m2，隧道縱斷面及平面見(jiàn)圖1。

圖1 隧道縱斷面及平面

1.2 輔助坑道設(shè)置

隧道所處區(qū)域山大溝深，隧道出口至1號(hào)斜井處輔助坑道條件較差，最終結(jié)合隧道所處地形和地質(zhì)條件、洞口施工條件、施工工期及運(yùn)營(yíng)期間救援疏散要求，采用3座無(wú)軌運(yùn)輸雙車道斜井和1座橫洞輔助施工，隧道輔助坑道設(shè)置見(jiàn)表1。

1.3 施工方法

Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法施工；Ⅳ級(jí)圍巖段當(dāng)洞身通過(guò)碎裂巖等破碎地段時(shí)，采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐或臨時(shí)仰拱法施工，一般地段采用三臺(tái)階法（必要時(shí)預(yù)留核心土）施工；Ⅴ級(jí)圍巖地段采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

2 隧道施工機(jī)械化配套方案

2.1 隧道施工機(jī)械

2.1.1 開(kāi)挖作業(yè)

鑿巖臺(tái)車作為較先進(jìn)的開(kāi)挖設(shè)備，能夠高效地進(jìn)行開(kāi)挖。鑿巖臺(tái)車主要由底盤、鑿巖機(jī)、給進(jìn)器、鉆臂、工作平臺(tái)臂、控制及動(dòng)力裝置、自動(dòng)電纜卷盤及水管卷盤、安全頂蓋、照明系統(tǒng)和自動(dòng)防卡鉆裝置等構(gòu)成。按鉆臂數(shù)量可分為三臂鑿巖臺(tái)車、兩臂鑿巖臺(tái)車和單臂鑿巖臺(tái)車。按智能化程度高低可分為全液壓（THC）、半電腦（TCAD）、全電腦（TDATA）、全智能（DTi）4種類型，根據(jù)隧道斷面大小、進(jìn)度要求、投入情況等靈活選用[7-8]。

2.1.2 出砟作業(yè)

出砟作業(yè)一般采用2種方式：一是采用傳統(tǒng)裝載機(jī)裝碴，配合使用反鏟挖掘機(jī)，以大容量運(yùn)輸車運(yùn)輸為主，運(yùn)輸方式分為有軌和無(wú)軌運(yùn)輸；另外一種則是選用出砟效率較高的隧道挖裝機(jī)，俗稱扒渣機(jī)。扒渣機(jī)主要由挖掘裝置、行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置和輸送裝置組成，采集和輸送功能合二為一，采用雙動(dòng)力系統(tǒng)，在進(jìn)洞行走或洞外作業(yè)時(shí)適用柴油動(dòng)力，在洞內(nèi)施工時(shí)采用電動(dòng)全液壓裝置，有效緩解洞內(nèi)狹小、空氣質(zhì)量差等問(wèn)題，具有安全環(huán)保、效率高的特點(diǎn)。

2.1.3 初期支護(hù)作業(yè)

隧道內(nèi)進(jìn)行初期支護(hù)施工時(shí)，采用濕噴法噴射混凝土，較為先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備濕噴機(jī)械手，由裝在輪式汽車底盤上的濕噴機(jī)、蠕動(dòng)劑量泵和噴射機(jī)械臂構(gòu)成，噴射混凝土效率一般可達(dá)15～30 m3·h-1，對(duì)施工人員身體的危害小，在圍巖條件較好的全斷面法地段采用該設(shè)備效果最為明顯。此外，初期支護(hù)還要使用鋼拱架架設(shè)機(jī)，它能明顯提高鋼架架設(shè)效率，節(jié)約初期支護(hù)施作時(shí)間[9]。

2.1.4 仰拱鋪底作業(yè)

隧道仰拱鋪底作業(yè)工序較為復(fù)雜繁瑣，其施工速度直接影響著后續(xù)施工進(jìn)度。目前，大多數(shù)鉆爆法施工的隧道采用半側(cè)施作或簡(jiǎn)易棧橋的方法進(jìn)行仰拱施工；但由于傳統(tǒng)棧橋采用固定結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性、靈活性差，不但仰拱施工質(zhì)量難以控制，而且開(kāi)挖、襯砌不能同步進(jìn)行，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度高，安全事故頻發(fā)，功效非常低，大大影響了隧道施工速度。因此，為提高隧道施工效率、保證施工安全，可選用自行式液壓棧橋進(jìn)行施工，其主要由主體結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)4部分組成。棧橋自帶液壓和行走系統(tǒng)，可在洞內(nèi)自行實(shí)現(xiàn)前、后、左、右移動(dòng)，方便施工，棧橋剛度大；整個(gè)棧橋就位無(wú)需人工鋪軌，1人即可操控，自動(dòng)化程度較高，確保洞內(nèi)車輛運(yùn)輸及仰拱施工人員的安全；棧橋跨度大，每循環(huán)施工長(zhǎng)度長(zhǎng)，可大大提高施工工效，加快仰拱施工進(jìn)度[10-11]。

2.1.5 防水作業(yè)

采用防水板鋪設(shè)裝置進(jìn)行防水作業(yè)。施工方自制工作平臺(tái)架，以雙縫爬焊機(jī)焊接防水板。防水板鋪設(shè)裝置能減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)人員投入，提高防水板鋪設(shè)速度及鋪設(shè)質(zhì)量。

2.1.6 二次襯砌作業(yè)

隧道二次襯砌施工通用的施工機(jī)械主要為混凝土攪拌站、混凝土攪拌輸送車、混凝土輸送泵、模板臺(tái)車等設(shè)備。

2.2 配套方案

本隧道以Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖為主，洞身穿越地層巖性如下。

（1）花崗巖（γ4）：灰白色、肉紅色，礦物粗大，結(jié)構(gòu)均一，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，主要礦物為石英、長(zhǎng)石、云母，暗色礦物含量較少，巖質(zhì)堅(jiān)硬，性脆，節(jié)理發(fā)育；強(qiáng)風(fēng)化，Ⅳ級(jí)軟石，地基承載力σ0=600 kPa；弱風(fēng)化，Ⅵ級(jí)堅(jiān)石，σ0=1 500 kPa。

（2）閃長(zhǎng)巖（δ4）：灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物為石英、長(zhǎng)石、角閃石、黑云母，節(jié)理較發(fā)育；強(qiáng)風(fēng)化，Ⅳ級(jí)軟石，σ0=600 kPa；弱風(fēng)化，Ⅵ級(jí)堅(jiān)石，σ0=1 500 kPa。

（3）片巖夾大理巖（D2Sc+Mb）：片巖為主，局部夾大理巖，其間穿插有較多閃長(zhǎng)巖巖脈或巖段。片巖：灰白-青灰色，鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀、層狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母等，巖體較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬。大理巖：灰白-青灰色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為方解石及少量硅質(zhì)等，巖石較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，表面有溶蝕現(xiàn)象。強(qiáng)風(fēng)化，Ⅳ級(jí)軟石，σ0=500 kPa；弱風(fēng)化，Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，σ0=1 000 kPa。

（4）構(gòu)造巖類（Cru）：主要分布于f35、f36、f37及f38斷層破碎帶內(nèi)，灰白-灰黃色；由于動(dòng)力作用，巖石形成大小不等的碎塊，局部有糜棱巖化，結(jié)構(gòu)松散，裂隙發(fā)育，富水，工程性質(zhì)較差；Ⅳ級(jí)軟石，σ0=600 kPa；斷層破碎帶寬約為30～100 m，延伸長(zhǎng)度為1～2 km。

隧道內(nèi)Ⅱ級(jí)及Ⅲ級(jí)圍巖段落長(zhǎng)度分別為5 176 m和5 856 m，占隧道總長(zhǎng)度的比例為39.6%和44.8%，采用全斷面施工法進(jìn)行施工；Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖段落合計(jì)2 039 m，占隧道總長(zhǎng)度的15.6%，采用臺(tái)階法施工。洞身主要通過(guò)的地層為花崗巖和閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)較硬，并且易發(fā)生巖爆。為突出“以人為本”的原則，對(duì)于易發(fā)生巖爆等施工風(fēng)險(xiǎn)的工序應(yīng)盡量減少作業(yè)人數(shù)和作業(yè)強(qiáng)度，采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)。主要對(duì)隧道內(nèi)下述施工環(huán)節(jié)進(jìn)行了機(jī)械化配套加強(qiáng)。

（1）開(kāi)挖作業(yè)線。正洞內(nèi)Ⅱ級(jí)及Ⅲ級(jí)圍巖段落均采用2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，斜井及橫洞Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖段落采用1臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，洞身穿越斷層破碎帶段落時(shí)，若采用臺(tái)階法施工，空間受限，所以采用傳統(tǒng)風(fēng)鉆進(jìn)行開(kāi)挖爆破作業(yè)。

（2）出砟作業(yè)線。為提高出砟效率，全隧道均采用挖裝機(jī)配合自卸汽車進(jìn)行出砟作業(yè)，挖裝機(jī)出砟效率一般可達(dá)250 m3·h-1。

（3）初期支護(hù)作業(yè)線。采用濕噴機(jī)械手噴射混凝土，Ⅲ級(jí)圍巖局部設(shè)置鋼架段落采用鋼拱架安裝機(jī)進(jìn)行作業(yè)；短臺(tái)階法施工的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖局部段落也采用濕噴機(jī)械手及鋼拱架安裝機(jī)。

（4）防水作業(yè)線。全隧道均采用移動(dòng)式作業(yè)臺(tái)車及雙縫爬焊機(jī)焊接防水板。

（5）仰拱鋪地作業(yè)線。由于空間限制，隧道內(nèi)仰拱鋪地施工工序較為復(fù)雜，各工序間相互干擾較大，使得隧道施工效率和安全受到很大影響。因此，為提高施工效率，保證施工安全，本隧道在此施工環(huán)節(jié)均采用自行式仰拱棧橋進(jìn)行作業(yè)。

綜上所述，隧道內(nèi)5個(gè)工區(qū)采用的主要施工機(jī)械配置見(jiàn)表2。

3 效率對(duì)比

傳統(tǒng)鉆爆法投入的施工人員較多，開(kāi)挖、初支、拱架安裝等主要施工環(huán)節(jié)均采用人工完成，效率較為低下，并且難以保證施工質(zhì)量和人員安全。通過(guò)對(duì)本隧道內(nèi)各關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的機(jī)械化配備后，在很大程度上減少了人員投入，加快了隧道施工進(jìn)度，降低了隧道施工對(duì)人員的傷害，提高了隧道施工質(zhì)量。隧道采用機(jī)械化配套施工后與傳統(tǒng)人工鉆爆法人員投入及施工進(jìn)度的對(duì)比見(jiàn)表3、4。

4 結(jié) 語(yǔ)

從西部山區(qū)某客運(yùn)專線雙線隧道施工機(jī)械化設(shè)備配套的實(shí)際應(yīng)用效果可以看出：在以Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖和全斷面法施工為主的隧道中采用大型機(jī)械施工，可以在很大程度上提高施工進(jìn)度，尤其在開(kāi)挖作業(yè)、出砟裝運(yùn)、初期支護(hù)環(huán)節(jié)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備投入后，綜合施工效率較傳統(tǒng)人工鉆爆法提升25%～50%，效率明顯；并且由于此類隧道易發(fā)生巖爆等施工風(fēng)險(xiǎn)，采用機(jī)械化配套施工后，減少了施工人員投入，保證施工質(zhì)量和人員安全。本隧道機(jī)械化配套施工的成功應(yīng)用，不僅提高了隧道的施工質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)可為今后類似工程提供借鑒和參考。從隧道施工質(zhì)量、人身安全和節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，采用機(jī)械化配套施工，是今后中國(guó)隧道施工發(fā)展的主流方向。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]