蒙華鐵路隧道機械化施工研究

劉小軍

（中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

隨著科學(xué)技術(shù)經(jīng)濟條件的改善，我國鐵路隧道的施工機械化水平不斷提高。目前國內(nèi)人力資源緊張，且人工成本逐年增加，傳統(tǒng)的勞動密集型施工組織模式已經(jīng)不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要，隧道機械化施工，是隧道施工發(fā)展的趨勢。長大鐵路隧道實施機械化配套作業(yè)不僅提高了施工的速度，縮短了工期，而且保證了施工人員的身體健康，確保了工程的質(zhì)量及安全，同時也提升了效益［1-2］。本文以蒙華鐵路張家園隧道施工機械化配套為例，介紹了機械化配套施工方案，對噴射混凝土、仰拱等施工機械配套技術(shù)配套方案進行研究，并對作業(yè)效率進行分析，為鐵路隧道機械化施工提供借鑒。

1 工程簡介

由中鐵十八局集團一公司承建的蒙華鐵路張家園隧道位于陜西省延安市安塞區(qū)坪橋鎮(zhèn)，全長6288m，為單洞雙線隧道，最大埋深195m，最小埋深僅為8m。隧道進、出口及斜井挑頂段圍巖等級均為Ⅴ級，洞身穿越淺埋風(fēng)積黃土、濕陷性黃土、土石分界破碎帶、富水砂質(zhì)老黃土及富水砂巖等不良地質(zhì)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜。張家園隧道掘進中6次經(jīng)過淺埋沖溝段，溝底寬度4～8m，埋深8～27m，施工中極易出現(xiàn)冒頂坍塌、大變形等地質(zhì)災(zāi)害，施工難度和風(fēng)險非常大。

2 機械化配套整體方案在隧道施工的應(yīng)用實施

通過對國內(nèi)外隧道施工機械化配套方案的廣泛調(diào)研，結(jié)合張家園隧道施工特點及當(dāng)前工藝、工裝水平，隧道整體施工機械化配套方案為：進口工作面采用二級機械化設(shè)備配置，二級機械化配置除開挖作業(yè)線不需三臂鑿巖臺車外，其余與一級機械化配置一致。配套形成了以下八條機械化作業(yè)線：

（1）由大噸位裝載機及自卸汽車組成的裝運作業(yè)線。

（2）由濕噴機械手及多功能作業(yè)臺架組成的噴錨支護作業(yè)線。

（3）由自行式液壓仰拱棧橋、自行式液壓仰拱弧形模板、鋼板止水帶定位夾具、鋼筋定位卡具組成的鋪底作業(yè)線。

（4）由防水板鋪掛臺車、爬焊機、超聲波焊機、止水帶定位裝置等組成的防水層作業(yè)線。

（5）由混凝土供給設(shè)備與襯砌臺車組成的襯砌作業(yè)線。

（6）由二襯養(yǎng)護敲擊注漿多功能作業(yè)臺車及注漿設(shè)備組成的二襯養(yǎng)護、敲擊、注漿作業(yè)線。

（7）由自行式液壓溝槽移動模架及砼運輸車等組成的溝槽施工作業(yè)線。

（8）由超前地質(zhì)預(yù)報地質(zhì)雷達、水平鉆機、全站儀及大功率變頻通風(fēng)等組成的輔助作業(yè)線。

3 二級機械化配套方案

張家園隧道進口工作面為二級機械化配套施工，下面以進口段為例，闡述八條機械化作業(yè)線設(shè)備配套情況。

3.1 裝運作業(yè)線

裝運作業(yè)線投入大型裝運機械設(shè)備，提高效率，縮短循環(huán)時間。

張家園隧道進口工作面出碴配備1臺沃爾沃L220F裝載機，鏟斗容量4m2。8臺雙橋驅(qū)動，載重量在20t以上的自卸車。為保證快速出碴，要做到爆破前車輛在規(guī)定的位置等待，爆破通風(fēng)后，快速進入掌子面出碴。大型裝運設(shè)備的使用，可大大縮短出碴時間，加快隧道施工進度。與傳統(tǒng)出碴（采用2臺普通裝載機）方式相比，采用該機械化裝運作業(yè)可大幅提高功效，且節(jié)約成本，以裝碴350m2做對比，采用機械化作業(yè)與傳統(tǒng)作業(yè)手段綜合對比見表1。

表1 裝運作業(yè)線綜合對比

這其中需要引起注意的是，因目前仰拱施工普遍采用自行式液壓仰拱棧橋、自行式液壓仰拱弧形模板等較先進工裝設(shè)備，對比驗證，在臺階法、全斷面法施工中采用仰拱與下臺階一起開挖的方法，可有利于控制爆破輪廓線尺寸，并顯著提高仰拱施工速度，對混凝土成本控制有一定效果，但也存在不能滿足2臺裝載機同時出碴的作業(yè)要求，造成出碴時間有所增加。

3.2 噴錨支護作業(yè)線

噴錨作業(yè)線投入使用混凝土濕噴射機械手，噴射速度快，回彈小，降低了作業(yè)人員勞動強度。而傳統(tǒng)采用小型濕噴機的錨噴作業(yè)，其施工作業(yè)環(huán)境差、外加劑摻量偏差大、回彈率高、人員勞動強度大。為克服上述問題，投入了鐵建重工生產(chǎn)的混凝土濕噴機械手。

這其中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是確定混凝土配合比及工藝參數(shù)，針對濕噴機械手的特點，綜合成本考慮，從最大化降低回彈率出發(fā)，對不同地質(zhì)情況通過試驗段確定主要工藝參數(shù)：d（噴頭與巖面的距離）、γ（噴射混凝土與巖面角度）、v（噴射混凝土射速）、m（速凝劑摻量）。

效果方面，從工效來看，濕噴機械手施工機械化程度高，過程中只需2人便可完成整個操作，且操作人員均能在已完成初支的位置，通過遙控進行作業(yè)，距離受噴面10m以上，保證了作業(yè)人員安全。濕噴機械手噴料速度每小時可達20m2以上，工效是普通濕噴機的3至5倍?；貜椔史矫嫱ㄟ^現(xiàn)場實測，濕噴機械手作業(yè)隧道拱部回彈率平均為9.5%，邊墻回彈率平均為4.6%。以Ⅳ級圍巖為例，按100m計算，邊墻噴射混凝土總方量為650m2，拱部噴射混凝土方量為120m2，采用濕噴機械手時總的混凝土回彈量為41.3m2；采用小型濕噴機時總的混凝土回彈量約為127.5m2；濕噴機械手比普通濕噴Ⅳ級圍巖每100m可節(jié)約混凝土86.2m2。

3.3 防水層作業(yè)線

在隧道施工中，防水板的掛設(shè)大多采用簡易施工臺架完成，防水板掛設(shè)全部由人工完成，費時、費力，施工效率低下，不能滿足機械化配套作業(yè)要求，且存在一定安全隱患。為了提高施工效率，降低作業(yè)人員勞動強度，在防排水作業(yè)中，本項目引入了一種新型的防水板鋪掛臺車能輔助人工掛設(shè)防水板，取得了較好的施工效果。

新型防水板鋪掛臺車上設(shè)有兩條滑軌，裝備有自動提升裝置，只需人工輔助即可完成防水板的掛設(shè)作業(yè)，可顯著降低勞動強度，減少作業(yè)人員數(shù)量。同時防水板與墊片的熱熔焊接采用了超聲波焊機，有效的減少了防水板焊焦、焊穿等問題的發(fā)生。

3.4 襯砌作業(yè)線

針對止水帶安設(shè)質(zhì)量難以保證易滲漏的問題，通過不斷總結(jié)摸索，對襯砌臺車進行了改進，在端部安裝了帶有可翻轉(zhuǎn)鉸接裝置的鋼端模，確保中埋式止水帶的居中埋設(shè)，保證了施工縫的防水效果。結(jié)合對砂石等原材料的質(zhì)量把控，以及高質(zhì)量的防排水施工，使二次襯砌真正達到了內(nèi)實外美的效果。

3.5 鋪底作業(yè)線

鋪底作業(yè)線采用自行式液壓仰拱棧橋加配套弧形模板的方式，確保仰拱施工質(zhì)量，提升作業(yè)效率。

鋪底作業(yè)采用40m自行式液壓仰拱棧橋，棧橋單循環(huán)最大施工長度24m，而且能夠根據(jù)仰拱實際開挖情況改變長度，并能做橫向移動；移動棧橋整體結(jié)構(gòu)剛度滿足橋上通車要求，掌子面掘進與仰拱作業(yè)可平行開展，具有快速、便捷、干擾小的特點，施工效率可提高20%左右。

在進口正洞工作面，還進行了自行式液壓弧形模板的配套施工嘗試，根據(jù)蒙華公司標(biāo)準化要求，隧道仰拱混凝土不留施工縫［4］；經(jīng)不斷優(yōu)化調(diào)整，取得了良好的施工效果。自行式液壓仰拱弧形模板由模板桁架等部件組成，仰拱模板通過桿件懸掛于桁架上，并通過油缸實現(xiàn)伸展和收縮，具備自動行走、快速定位的功能，大大縮短了弧形模板定位及安拆時間，保證了中埋式止水帶定位準確，澆筑后的仰拱線型順暢。

初步統(tǒng)計表明，采用自行式仰拱棧橋+配套弧形模板的方式，每循環(huán)可節(jié)約施工時間10.5h。而成本節(jié)約方面同樣可觀，每板（12m）可節(jié)省約600kg模板定位鋼筋；另施工過程中，整體式弧形模板可自行行走定位，無需挖機配合，大大減少了機械占用［5-6］。

3.6 防水層作業(yè)線

防水板作業(yè)線采用多功能鋪掛作業(yè)臺車，大大縮短每幅防水板鋪掛時間。而傳統(tǒng)的溝槽施工存在施工工效低、外觀質(zhì)量差、施工縫多等問題。為了改善傳統(tǒng)溝槽模板存在的問題，蒙華鐵路項目在溝槽施工中采用了自行式液壓溝槽移動模架，可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動定位、模架整體行走，溝槽一次成型，每次可對稱澆筑12m，使溝槽的表觀質(zhì)量、整體性都有了較大提高，施工工效也有了較大提升。

3.7 二襯養(yǎng)護、注漿、敲擊作業(yè)線

二次襯砌作業(yè)線投入使用液壓模板臺車，并在端頭安裝可翻轉(zhuǎn)的雙鉸耳式鋼端模，有效保證了混凝土施工質(zhì)量及施工縫的防水效果。進口工區(qū)成立了專門的二襯養(yǎng)護、注漿、敲擊作業(yè)班組，二襯拆模以后，及時進行混凝土養(yǎng)護，并引進了多功能炮霧抑塵車，通過高壓泵將水霧噴灑到二襯表面，形成對二襯的噴灑養(yǎng)護。通過14d的噴霧養(yǎng)護，減少了襯砌混凝土表面因養(yǎng)護不及時產(chǎn)生的細小裂紋，提高了襯砌表觀質(zhì)量。拆模一個月內(nèi)完成襯砌表面敲擊檢測，探明襯砌背后脫空、不密實的部位及范圍，及時采取低壓注漿措施消除質(zhì)量缺陷。

3.8 輔助作業(yè)線

輔助作業(yè)線配備超前地質(zhì)預(yù)報專業(yè)設(shè)備、監(jiān)控量測儀器及信息化軟件、進口高效環(huán)保的隧道通風(fēng)設(shè)備，確保隧道作業(yè)安全、環(huán)保、有序。

隨著工藝、工裝水平的不斷提升，超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、隧道通風(fēng)等輔助作業(yè)在隧道安全、快速施工中發(fā)揮的作用越來越明顯，特別是在高風(fēng)險隧道的施工過程中，必須要將超前地質(zhì)預(yù)報等納入工序管理，最大化發(fā)揮輔助作業(yè)線的作用。

隧道監(jiān)控量測使用一臺2s徠卡TS06全站儀，并配備有專業(yè)的中鐵天寶監(jiān)控量測手持機終端系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集、處理數(shù)據(jù)，自動上傳至服務(wù)器，通過管理平臺即可隨時掌握量測結(jié)果，有效的保證了施工安全。隧道通風(fēng)采用進口變頻風(fēng)機，能耗低、工效高，實現(xiàn)了較好的通風(fēng)效果。雖然前期投入較國產(chǎn)風(fēng)機要高，但使用成本較國產(chǎn)風(fēng)機大為降低，一般一年左右即可收回成本。

4 主要工序施工組織控制

4.1 開挖及支護作業(yè)循環(huán)

張家園隧道Ⅲ級及以上圍巖開挖作業(yè)循環(huán)時間一般為11h左右，開挖作業(yè)循環(huán)時間如表2所示：

表2 開挖作業(yè)循環(huán)時間表

4.2 仰拱及二襯快速施工

隧道施工中，仰拱及時封閉是關(guān)鍵。為了加快仰拱施工速度，增加了一套長16.6m的液壓仰拱弧形模板，與整體式弧形模板相比，每板仰拱（12m）可節(jié)約循環(huán)時間11.2h，通過采用上述措施，既確保了安全，又保證了進度指標(biāo)的實現(xiàn)。

張家園隧道圍巖主要為頁巖夾砂巖，圍巖穩(wěn)定性較差，及時進行二次襯砌施工顯得尤為重要。

5 結(jié)束語

蒙華鐵路隧道機械化施工不僅加快了施工速度，提高了安全系數(shù)，改善了作業(yè)環(huán)境，而且降低了作業(yè)強度，保證了工程質(zhì)量，為項目降本增效創(chuàng)造了便利條件，有力推動了項目標(biāo)準化管理與建設(shè)，工程進度明顯加快，取得了良好的施工效果。2017年7月27日，蒙華鐵路蒙陜段首座特長隧道——張家園隧道提前80天順利貫通，攻克了濕陷性黃土下沉等世界性難題，為蒙華鐵路蒙陜段鋪架打下了良好的基礎(chǔ)。通過隧道機械化施工，總結(jié)如下：

（1）采用工程施工機械化、成品加工工廠化、施工隊伍專業(yè)化、監(jiān)控量測信息化等四化管理，遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤測量”方針，采用微臺階開挖工法，縮短各臺階長度，將仰拱封閉成環(huán)到掌子面距離最大不超過12m納入工序管理，使隧道變形控制有效，同時安全和進度可控。

（2）采用機械化施工，過程中對作業(yè)人員綜合素質(zhì)要求更高，對機械設(shè)備的維護和保養(yǎng)應(yīng)引起高度重視，相關(guān)企業(yè)在準備采用機械化作業(yè)前，應(yīng)做好上述方面人員和技術(shù)的超前儲備，有條件的可成立專業(yè)化管理團隊。同時，做好日常保養(yǎng)是保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)、減少不必要的故障的重要環(huán)節(jié)，因此自設(shè)備進場就要建立相應(yīng)的配件庫，并通過信息化手段對配件庫進行統(tǒng)一管理，合理調(diào)配使用，在保證好設(shè)備的正常維修、保養(yǎng)的同時，盡量減少資金占用。

（3）隧道開挖后濕陷性黃土基底加固施工進行技術(shù)創(chuàng)新，通過合理選擇夯實機具及錘重，解決了隧道內(nèi)空間小、無法檢測的難題，保證了質(zhì)量和進度。

（4）通過在張家園隧道的現(xiàn)場實踐，特長鐵路隧道機械化配套及其施工工藝是成功的，具有較大的技術(shù)創(chuàng)新、成本節(jié)約及安全保障價值，達到了預(yù)期目標(biāo)，為企業(yè)乃至行業(yè)后續(xù)隧道施工提供了經(jīng)驗。在我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展大背景下，尤其是中西部復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下特長鐵路隧道日趨成為主流的情況下，應(yīng)更為重視機械化配套與快速施工成套技術(shù)的深化研究。

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