拱架式預切槽施工機械在黃土隧道施工中的應用

唐 強， 秦 嶺， 陳 軍， 楊劍雄， 張 震， 王冰冰

(中鐵隧道局集團第五建筑有限公司， 天津 300300)

拱架式預切槽施工機械在黃土隧道施工中的應用

唐 強， 秦 嶺， 陳 軍， 楊劍雄， 張 震， 王冰冰

(中鐵隧道局集團第五建筑有限公司， 天津 300300)

隧道預切槽施工技術在國外應用比較廣泛，但在我國應用還較少。針對黃土地質專項研制了國內(nèi)首臺拱架式預切槽機，并在黃土隧道進行了施工試驗。通過施工試驗，掌握設備定位、分區(qū)切灌、設備行走、施工作業(yè)組織等關鍵技術，并提出應用改進及優(yōu)化措施。試驗結果表明切槽系統(tǒng)工作狀態(tài)和設備切削、噴灌功能滿足設計及施工試驗要求，為預切槽同步切削噴灌一體化研究提供了數(shù)據(jù)支撐和研究方向。

預切槽法； 拱架式預切槽機； 黃土隧道； 設備構成； 設備定位； 分區(qū)切灌； 施工作業(yè)組織

0 引言

隧道預切槽支護技術最早出現(xiàn)于美國[1]，20世紀70年代后在法國、意大利、日本得到長足發(fā)展。20世紀90年代，我國提出以土質和軟巖隧道為對象的預切槽機及其施工工藝的研究方案，并取得了階段性成果[2],但由于當時國內(nèi)裝備制造能力和鐵路隧道施工理念的制約，相關的研究應用工作遲滯不前。

目前現(xiàn)有的預切槽技術研究主要有： 預切槽法機械組成、控制地層變形的基本原理以及應用中的關鍵技術問題[3]；預切槽機研制設計理論[4]；軸式預切槽機的結構和機械性能研究[5-8]；采用數(shù)值模擬方法分析隧道預切槽法施工可行性[9]；分析預襯砌的變形及受力特性[10]；通過對比分析預切槽法與常規(guī)全斷面法施工引起的地層變形程度等，論證預切槽法預支護的優(yōu)勢[11]；研究預切槽法在大斷面黃土隧道施工中合理的仰拱封閉距離[12]；研究解決預切槽法施工過程中槽內(nèi)混凝土難以噴灌的問題[13]等。

根據(jù)已有研究，國內(nèi)首臺隧道中心軸式預切槽機已完成了試制[5-6]，并開展了現(xiàn)場試驗[10]，但因故只開展了1環(huán)的研究，尚未有成熟的技術及相關應用成果。同時，目前針對預切槽技術的研究，多集中在理論方面，現(xiàn)場實際施工應用研究還不夠深入，可以說預切槽施工機械現(xiàn)場應用技術研究在國內(nèi)還處于剛剛起步階段[14-15]。

近期國內(nèi)成功研制出首臺拱架式預切槽機,并在蒙華鐵路郝窯科隧道進行應用試驗，探索出新式機械研發(fā)、施工參數(shù)、工藝流程等關鍵應用技術。本文通過大量試驗和數(shù)據(jù)分析，主要論述拱架式預切槽施工機械性能、定位、分區(qū)切灌、行走、設備施工組織等整套施工應用技術，對于加速推進我國隧道預切槽支護技術應用，進一步助力隧道施工全面機械化，具有重要的指導和研究意義。

1 工程概況

郝窯科隧道位于陜西省宜川縣境內(nèi)，屬于黃土高原殘塬區(qū)，隧道全長992 m，為單洞雙線隧道。隧道縱坡為單面坡，坡度為5‰，隧道最大埋深138 m。其中Ⅳ級圍巖段落長681 m，采用預切槽法施工。預切槽法隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 預切槽法隧道橫斷面圖(單位： mm)

隧道區(qū)地層主要為砂質新黃土、砂質老黃土和黏質老黃土。其中： 砂質新黃土呈褐黃色，稍濕，稍密—密實，以粉粒為主，土質均勻；砂質老黃土呈黃褐色，稍濕，中密—密實，土質均勻，呈大塊壓密結構；黏質老黃土呈紅褐色，硬塑，土質均勻，呈大塊壓密結構，見白色菌絲及姜石。隧道區(qū)范圍內(nèi)未見地表水，地下水主要為第四系孔隙裂隙水和基巖裂隙水，勘探深度內(nèi)未揭示穩(wěn)定的水面。

2 預切槽施工技術簡介

隧道預切槽技術即利用拱架式預切槽機上安裝的特制鏈式機械切刀，沿隧道斷面開挖輪廓周邊連續(xù)切割出一條具有一定厚度和深度的窄槽(一般厚度為10～45 cm、深2～5 m)，同時分區(qū)段利用混凝土噴射裝置向槽內(nèi)噴灌混凝土，從而在隧道開挖面外廓形成一個起預先支護作用的連續(xù)混凝土殼體。當混凝土拱殼達到一定強度后，即可在該殼體的保護下進行全斷面開挖，渣土裝運，初期支護鋼架、噴混凝土支護及后續(xù)仰拱初期支護施工，防水襯砌等施工作業(yè)，隧道施工設備可穿行于預切槽機。

2.1 預切槽法施工工藝流程

預切槽法施工工藝流程為：平整場地(預切槽機行走工作面)—預切槽機定位復核—分區(qū)切削成槽—分區(qū)噴灌混凝土—預切槽預襯混凝土完成—預切槽機后移—土方清運—場地平整—作業(yè)臺架駛入—初期支護拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝—初期支護噴混凝土—掌子面全斷面土方開挖及外運—平整場地(預切槽機行走工作面)、繼續(xù)第2循環(huán)預襯混凝土施工—施工數(shù)循環(huán)—開挖仰拱、施工仰拱初期支護—仰拱初期支護施工一定長度后按常規(guī)方法施工仰拱襯砌、拱墻襯砌。

2.2 預切槽法主要施工設備配置

1)預切槽法施工專用設備配置： 拱架式預切槽機1臺，混凝土輸送泵1臺，專用變壓器1臺。

2)預切槽法施工常規(guī)設備配置： 車載式多功能作業(yè)臺架1臺，濕噴機械手1臺，挖掘機1臺，自卸汽車3臺，裝載機1臺等。

3 預切槽設備構成

3.1 預切槽設備主體結構及主要技術參數(shù)

1)拱架式預切槽設備構成如圖2所示，由主機、后配套和泵送系統(tǒng)組成。主機包括行走機構1、拱架總成2、環(huán)向驅動裝置3、鏈刀驅動總成4、混凝土噴射總成5、后配套總成6、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)等。后配套包括專用供電變壓器、主線電纜和全站儀等。泵送系統(tǒng)包括凝土泵和連接管件等。

1—行走機構； 2—拱架總成； 3—環(huán)向驅動裝置； 4—鏈刀驅動總成； 5—混凝土噴射總成； 6—后配套總成。

圖2預切槽機設備構成示意圖

Fig. 2 Sketch of pre-cutting machine composition

2)拱架式預切槽機主要技術參數(shù)指標見表1(廠家提供)。

表1 拱架式預切槽機整機主要技術參數(shù)指標

3.2 預切槽機結構組成

3.2.1 拱架總成

拱架總成主要包含拱架、油管架、滾筒、左行走架、托架組件、支撐機構、右行走架、限位滑塊、托輪總成、撐靴機構、防護網(wǎng)和管架等部件。拱架總成性能參數(shù)見表2。

表2 拱架總成性能參數(shù)

3.2.2 行走機構

行走機構主要由行走梁、行走架、前轉向座、后轉向座、齒條和行走驅動組成。行走梁性能參數(shù)見表3。

表3 行走梁性能參數(shù)

3.2.3 鏈刀驅動總成

鏈刀驅動裝置主要由驅動座、低速大轉矩馬達、軸及軸端密封等零部件組成。驅動座整體為箱型結構，通過銷軸與鏈刀變幅裝置相連，鏈刀總成通過螺栓與驅動座相連，下部安裝有低速大轉矩馬達，驅動鏈條進行回轉；驅動座兩側鉸耳與鏈刀偏擺油缸相連，使鏈刀可以實現(xiàn)左右偏擺。鏈刀驅動裝置設計參數(shù)見表4。

表4 鏈刀驅動裝置設計參數(shù)

3.2.4 噴射裝置

噴射裝置包括傳動導向裝置、噴嘴、鉸接裝置、支撐座、伸縮機構、液壓油缸、旋轉編碼器、自潤滑銅件及尼龍件、聚氨酯噴嘴和連接件等。

3.2.5 環(huán)向驅動裝置

環(huán)向驅動裝置受交變應力且受力較大，設計制造時根據(jù)實際情況，液壓馬達連接分動箱，再通過軸連接減速機。該結構設計新穎，結構緊湊，同軸性好。

3.2.6 后配套總成

后配套為設備的獨立部件，通過液壓和電氣管路與主機相連，主要為拱架式預切槽作業(yè)提供動力源和操縱控制室。采用自行走底盤，駕駛室可在一定范圍內(nèi)升降和回轉，方便操作手觀察和調整。后配套整機結構主要由行走底盤、機架、液壓油箱、旋轉支撐總成、駕駛室總成、電器柜總成、電纜卷筒、電機泵組和機罩等部件組成。后配套結構性能參數(shù)見表5。

表5 后配套結構性能參數(shù)

4 預切槽機施工及應用

4.1 設備定位

預切槽設備定位采用四點定位的導向測量系統(tǒng)，即在設備4個支腿端部分別裝置測量點，利用平行四邊形原理，在設備定位時于行走梁之間架設全站儀，通過后方交匯的形式對全站儀進行設站。預切槽設備行走、定位步驟如下：

1)在行走梁之間架設全站儀，全站儀進行后方交匯設站，如圖3所示；

2)支腿著地穩(wěn)定后，人工依次對4個測量點進行校準測量，并在駕駛控制室內(nèi)的導向測量系統(tǒng)界面上進行確認，系統(tǒng)自動測量4個點位，確保設備處于水平狀態(tài)；

3)對設備進行整機的轉向、平移，保證設備軸線與設計值偏差在允許范圍內(nèi)；

4)設備姿態(tài)調整到位后，利用電氣控制系統(tǒng)使鏈刀就位，電氣控制系統(tǒng)對設備就位的初始狀態(tài)進行自動記錄歸零，全站儀進行復核無誤后撤走全站儀；

5)在設備工作過程中，導向系統(tǒng)間隔一定時間(可手動設置時間間隔)依次自動測量4個點位來計算設備的姿態(tài)變化情況，并保存和顯示數(shù)據(jù)，操作人員可以通過界面上設備數(shù)據(jù)的變化對設備姿態(tài)進行微調，以保證設備姿態(tài)正確。

4.2 分區(qū)切灌

4.2.1 預切槽切灌施工順序

預切槽機切灌施工順序如圖4所示： 切削1部—切削2部—噴灌1部—切削3部—噴灌2部—切削4部—噴灌3部—切削5部—噴灌4部—切削6部—噴灌5部—切削7部—噴灌6部—噴灌7部完成。

圖4 環(huán)向切削噴灌施工順序

1)切削時，首先將鏈刀推進至切槽深度，然后自上往下移動，同時鏈刀鋸齒轉動，切削土體并形成槽腔。在切槽的同時，駕駛室采用數(shù)字化自動控制切槽角度、鏈刀轉速和下移速度等。切削方向如圖4所示， 1—6部切削時自上往下切削，第7部自右往左或自左往右切削。

2)噴灌時方向與切削方向正好相反， 1—6部噴灌時自下往上噴灌，第7部左右往復噴灌。

3)接縫處拉毛及清理。每段切削時對已成型段回切10 cm左右，使切削面形成V形接榫，利用刀齒在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果；同時鏈刀上鋼絲刷將虛渣清除至槽外，噴灌前采用高壓風管清理搭接面，保證搭接質量。

4.2.2 切槽施工參數(shù)

1)在施工應用初期，施工工藝參數(shù)為切槽深度3.5 m、切槽厚度0.3 m、切槽外插角8°、搭接長度0.5 m、一次開挖長度3.0 m；為適應地質變化、保證施工安全，后期更改為切槽深度3.5 m、搭接1 m、一次開挖長度2.5 m，其他參數(shù)不變。環(huán)向切削長度分段如圖5所示。

圖5 環(huán)向切削長度分段(單位： mm)

2)預切槽機電控系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)顯示： 切槽時切槽深度為3.5 m，切槽厚度為300 mm，切削仰角為8°，電壓為380 V，液壓系統(tǒng)壓力為30 MPa，電機主電流最大設計定值為225 A。

對設備機械性能參數(shù)進行分析。

①環(huán)向驅動環(huán)向切削時，整機切削轉矩較小(為80 kN·m)，整個施工過程中轉矩只有額定轉矩的13%，切削速度可控制在1檔即最高速80 cm/min，滿足切削要求，并且具備足夠的環(huán)向脫困能力。

②俯仰油缸在切削過程中從拱側到拱頂呈幾何上升，拱頂退刀壓力最大(接近設計壓力25 MPa)。據(jù)此分析： a)鏈刀處于拱頂時所有鏈刀彎矩由俯仰油缸承受。b)根據(jù)受力情況，復合退刀徑向油缸和行走馬達匹配存在微小差別(影響因素主要是2種驅動方式、液壓控制管路壓降及反應時間不一樣)，導致鏈刀側面與土體之間產(chǎn)生摩擦，從而退刀壓力增大。c)進刀過程中，鏈刀受載產(chǎn)生變形，在切出土體后鏈刀釋放變形應力造成與兩側土體摩擦。從俯仰角度分析，鏈刀在進退刀及環(huán)向切削過程中未發(fā)生俯仰角度變化，說明整個成槽變化不大，鏈刀變形遠低于其額定變形(1/1 500)。

③鏈刀切削力為設計壓力的30%，切削較為輕松?，F(xiàn)場鏈刀磨損較少，符合設計要求。

④主電機電流使用率在60%左右，處于電機優(yōu)選范圍內(nèi)，滿足施工要求。

⑤行走馬達壓力為設計壓力的10%，進退刀及脫困能力足夠。

3)現(xiàn)場切削試驗如圖6所示。

(a) 第4部切削

(b) 第6部切削完成

綜上所述，該拱架式預切槽機切槽參數(shù)調整靈活，符合設計要求，也可滿足整個施工過程和試驗要求。

4.2.3 噴灌施工參數(shù)

1)噴灌參數(shù)為： 早強早凝混凝土強度等級為C30，噴灌混凝土泵送壓力為10～12 MPa，空氣壓力為0.8 MPa，速凝劑壓力為1 MPa。

2)噴灌要求： ①開噴前先將接茬處存在的虛渣吹出槽外，噴嘴與槽口保持垂直伸進空腔，保持噴嘴與受噴面之間的距離為0.6～1.0 m。②噴嘴應保持勻速移動，在槽內(nèi)按照正弦曲線的形式自內(nèi)向外分層噴灌作業(yè)，使混凝土自內(nèi)向外“擠”出，拱頂部全槽長左右往復噴射成層，如圖7所示。其余段由于相對高差較大，適當縮短混凝土初凝時間并在槽內(nèi)坡面噴射堆積，以防止噴層掉落。

(a) 第7部

(b) 第1—6部

3)現(xiàn)場噴灌試驗如圖8所示。

4)沉降收斂變形控制效果較好。正洞試驗期間，拱頂沉降最大累計變形量為15.6 mm，拱頂沉降最大變形速率為3.5 mm/d；周邊收斂最大累計變形量為27.5 mm，周邊收斂最大變形速率為4.78 mm/d；地表沉降最大累計變形量為14.3 mm，地表沉降最大變形速率為1.7 mm/d。

開挖檢查預襯砌混凝土輪廓尺寸，弧度圓順，滿足設計及規(guī)范[16]要求。

4.3 設備行走

預切槽機行走時，端部油缸縮回，行走架著地，驅動機構推動行走梁同步向前(后)移動；到達行程極限位置時，端部油缸伸出，行走架離地，驅動機構推動行走架自身在行走梁上同步前(后)移動。2個動作交替進行使得設備幀式向前(后)行走。

4.4 設備施工作業(yè)組織

4.4.1 預切槽機作業(yè)組織流程

1)挖掘機在開挖掌子面及平整場地后駛出，停放至指定位置。

(a) 第1部噴灌

(b) 第2部噴灌完成

2)多功能作業(yè)臺架駛進掌子面，進行掌子面加固，后方同步檢查預切槽機運轉情況。

3)預切槽機行走至掌子面，控制室、混凝土輸送泵緊后就位。

4)預切槽機定位，將鏈刀移動至切槽位置，調整角度，利用全站儀檢查復核，準備切槽。

5)根據(jù)劃分區(qū)段，分區(qū)切槽。

6)第1區(qū)段切槽完成后，移至第2區(qū)段繼續(xù)切槽，噴灌第1區(qū)段。第1區(qū)段噴灌與第2區(qū)段切槽同步作業(yè)，互不干擾。

7)切削、噴灌作業(yè)完成后，整機后移，進行設備維護、保養(yǎng)。

8)預襯混凝土等強過程，對掌子面土方進行清理，進行上循環(huán)初期支護作業(yè)。

9)預襯混凝土等強完成，全斷面開挖掌子面，清運土方，平整場地。

10)預切槽機駛入，繼續(xù)進行第2循環(huán)作業(yè)，如此循環(huán)往復。

4.4.2 預切槽機作業(yè)平面布置

該拱架式預切槽機施工作業(yè)平面布置如圖9和圖10所示。

4.5 應用改進及優(yōu)化

1)因拱腳處第1部和第2部為反斜面，且本段為砂性黃土地質、自穩(wěn)能力稍差，切削完成后發(fā)生槽壁坍塌，如圖11所示。

圖9 預切槽機施工作業(yè)平面布置(切灌作業(yè))(單位： cm)

圖10 預切槽機施工作業(yè)平面布置(初期支護作業(yè))(單位： cm)

圖11 拱腳槽壁坍塌

解決方案： ①將拱腳分段高度減小到3.0 m左右，以減小槽壁暴露的長度，及時噴灌。②采用擋板進行臨時支擋，在易坍塌一側置入木質擋板，利用鋼筋框架將板固定，阻擋槽壁坍塌或噴灌混凝土進入內(nèi)側坍塌空腔，如圖12所示。③在其他類似工程應用時，對斷面進行設計優(yōu)化，將拱腳處設計成豎直墻形式，同時利于增大鏈刀下擺角度。

圖12 拱腳槽壁坍塌處理示意圖

2)因預支護為噴射素混凝土，整環(huán)預支護切灌分7塊完成，每塊混凝土接茬質量較差，易造成接茬面強度不足。切槽腔混凝土施工采用混凝土噴灌工藝，在寬度僅為30 cm、深度超過3 m的狹小空間內(nèi)進行混凝土噴灌尚無成熟經(jīng)驗，混凝土噴射參數(shù)的選擇、槽內(nèi)灌噴的技巧等均還在摸索階段。對于盲噴而言，噴灌混凝土質量控制難度較高。

解決方案： ①每段切削時對已成型段回切10 cm左右，使切削面形成V形接榫，再利用刀齒在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果。②在鏈刀上每隔2 m安裝鋼絲刷(見圖13)，清理分段接茬面上的渣土，提高混凝土接茬連接質量。③噴灌設備改進。a)對噴頭進行改進，使噴頭具備一定的擺噴角度； b)為了加強噴灌過程監(jiān)控，在噴射臂上安裝無線可視裝置(見圖14)，可以觀察槽壁穩(wěn)定狀態(tài)以及噴灌過程，如發(fā)現(xiàn)問題，可及時處理。

圖13 切削鏈刀安裝鋼絲刷

圖14 噴灌設備安裝可視化裝置

5 結論與建議

5.1 結論

1)通過黃土隧道預切槽施工現(xiàn)場試驗，研究了預切槽施工的關鍵技術，包括設備定位、分區(qū)切灌、設備行走、施工作業(yè)組織等，取得了切槽深度、分段數(shù)量、搭接長度、外插角、噴灌混凝土等關鍵施工參數(shù)。

2)對設備的定位導向系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，將拱圈定位優(yōu)化為行走梁四點定位，經(jīng)多次復核，設備自動測量系統(tǒng)與人工測量數(shù)據(jù)差值小于10 mm，定位精度滿足施工要求。

3)在郝窯科老黃土隧道經(jīng)過施工試驗，預切槽設備切槽系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，預切槽設備分區(qū)切灌功能滿足設計及試驗要求。

4)通過在混凝土配合比中添加早強早凝材料，在試驗室環(huán)境下噴灌混凝土10 h強度可達到10 MPa，能夠滿足設計要求；但在現(xiàn)場施工中，早高強混凝土到達現(xiàn)場后坍落度損失較為嚴重，無法滿足正常噴灌要求。從正洞第2環(huán)開始采用普通C30混凝土進行噴灌作業(yè)，經(jīng)過測試，噴灌完成后至少19 h后強度達到10 MPa，預襯砌混凝土等強時間增加。

5)試驗段掌子面黃土自穩(wěn)能力差，切槽過程中槽壁易坍塌，特別是每環(huán)兩側拱腳部位較易出現(xiàn)坍塌，噴混凝土后侵入凈空造成欠挖，后續(xù)施工處理欠挖較為困難。目前的預切槽施工工法不適應于圍巖自穩(wěn)能力差的地層。

6)預襯混凝土因需分段切灌，兩段混凝土間接縫強度降低，會影響預襯混凝土整體承載能力。

5.2 建議

1)對切槽設備進行改進，進一步對切灌同步作業(yè)進行研究，提高設備的地層適應性，同時提高施工效率。

2)研究纖維混凝土應用的可行性，改進切槽機噴灌設備功能，使之能適用纖維混凝土，提高預襯混凝土強度，增強結構的承載能力。

3)適當加長切槽刀具，在提高循環(huán)進尺的同時提高施工效率。

4)在切灌過程中，拱腳處槽壁易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，拱腳切灌宜采用豎直槽段以提高槽壁穩(wěn)定性。

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ApplicationofArch-typePre-cuttingMachinetoConstructionofLoessTunnel

TANG Qiang, QIN Ling, CHEN Jun, YANG Jianxiong, ZHANG Zhen, WANG Bingbing

(TheFifthConstructionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Tianjin300300,China)

The pre-cutting technology for tunnel construction is widely used in foreign countries, but it is seldom used in China. The first arch-type pre-cutting machine is developed for loess geology, and the construction test is carried out in the loess tunnel. The key construction technologies, i.e. equipment positioning, partition cutting and jet grouting, equipment walking and construction organization, are presented by construction test; and the improvement and optimization measures are put forward. The test results show that the working state of the cutting system and the cutting and jet grouting function of the equipment can meet the design and construction test requirements; and the data support and research direction can be provided for the integrated research of synchronous cutting and jet grouting of the pre-cutting technology.

pre-cutting method; arch-type pre-cutting machine; loess tunnel; equipment composition; equipment positioning; partition cutting and jet grouting; construction organization

2017-07-14;

2017-10-08

唐強(1983—)，男，四川巴中人，2008年畢業(yè)于西南交通大學，交通運輸專業(yè)，?？疲こ處?，現(xiàn)從事工程施工技術管理工作。E-mail: 415205144@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.016

U 455

B

2096-4498(2017)12-1613-09