大斷面隧道加強(qiáng)型機(jī)械化施工管理及施工效果分析

姜銀周， 申百囤

(中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司， 陜西 寶雞 721006)

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國力的提升，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸成為我國發(fā)展的重點(diǎn)。近年來，由于我國人口數(shù)量的不斷增加，各地區(qū)之間的聯(lián)系不斷加強(qiáng)，對交通提出了更高的要求，其中高速鐵路發(fā)展最為突出，而隧道建設(shè)又是高速鐵路發(fā)展的重點(diǎn)工程，且隧道工程的質(zhì)量會直接關(guān)系到高速鐵路的發(fā)展[1-2]。由于隧道工程施工的隱蔽性和危險性，直接導(dǎo)致隧道施工空間狹小和施工環(huán)境惡劣，致使施工難度加大。因此，改善施工作業(yè)空間，提高施工環(huán)境質(zhì)量，對于隧道工程建設(shè)尤為重要[3-4]。

為保證隧道施工安全，2014年9月19日國家安全監(jiān)管總局、交通運(yùn)輸部、國務(wù)院國資委、國家鐵路局四部委以安監(jiān)總管二(2014)104號印發(fā)了《隧道施工安全九條規(guī)定》，明確要求在隧道施工中應(yīng)嚴(yán)控作業(yè)人數(shù)，提高作業(yè)面施工環(huán)境，要求作業(yè)面要采用機(jī)械化施工。隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道機(jī)械化施工是發(fā)展的必然趨勢[5-8]。

根據(jù)中國鐵路總公司《關(guān)于鄭州至萬州鐵路湖北、重慶段工程初步設(shè)計的批復(fù)》(鐵總鑒函[2016]723號)對隧道施工采用加強(qiáng)型機(jī)械化配套的要求，在鄭萬高鐵隧道施工中選定部分隧道工作面進(jìn)行加強(qiáng)型機(jī)械化配套施工。加強(qiáng)型與普通型機(jī)械化配套相比，每個工點(diǎn)均增加配備了全電腦三臂鑿巖臺車2臺、拱架安裝機(jī)1臺，其余設(shè)備大致相同。

目前，國內(nèi)隧道施工已經(jīng)很少使用人工開挖法，隨著隧道施工機(jī)械的不斷發(fā)展，隧道機(jī)械化程度越來越高。國內(nèi)外較多學(xué)者對人工開挖方法與機(jī)械化開挖方法下的施工管理體系及施工效果進(jìn)行了大量的分析[9-10]，而對機(jī)械化施工方法中加強(qiáng)型與普通型機(jī)械化配套施工的對比分析較少。根據(jù)我國高速鐵路的發(fā)展要求，加強(qiáng)型機(jī)械化隧道施工組織管理體系的建立對于推動高速鐵路大斷面隧道建設(shè)具有重要意義[11-13]，故本文將展開對隧道加強(qiáng)型機(jī)械化和普通型機(jī)械化類型施工管理體系及施工效果的分析。

結(jié)合鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-8標(biāo)隧道施工實(shí)踐，通過對隧道加強(qiáng)型機(jī)械化和普通型機(jī)械化配套類型施工管理體系及施工效果進(jìn)行分析，考慮施工管理、施工設(shè)備及作業(yè)線班組配備等因素，分析在長大隧道施工中加強(qiáng)型機(jī)械化配套施工管理對隧道工程建設(shè)的作用，以及隧道采用加強(qiáng)型機(jī)械化施工后的施工效果。

1 工程概況

新建鄭州至萬州鐵路湖北段站前工程ZWZQ-8標(biāo)，正線全長36.002 km，隧道總長34.05 km，占標(biāo)段總長的94.6%，其中，楚烽隧道5 298 m(總長8 708 m)，新華隧道18 770 m，甘家山隧道5 592 m，興山隧道4 375 m(總長10 085 m)，均設(shè)計為單洞雙線隧道。根據(jù)實(shí)施性施工組織設(shè)計安排，標(biāo)段內(nèi)共5個施工作業(yè)區(qū)(7個正洞工作面)： 楚烽隧道2#橫洞、新華隧道3#橫洞+斜井+出口、甘家山隧道橫洞。

各作業(yè)工區(qū)隧道均采用大斷面開挖方法進(jìn)行施工，根據(jù)不同圍巖級別及埋深條件，可分為全斷面法和微臺階法。全斷面法即含仰拱一次全環(huán)開挖，完成后初期支護(hù)立即閉合成環(huán)，見圖1。微臺階法即分上下臺階(上臺階長3～4 m)2次開挖、2次支護(hù)，根據(jù)下臺階高度不同，分為2種情況： 1)下臺階高度為仰拱高度稱為微臺階Ⅰ法，見圖2(a)； 2)下臺階高度3～4 m稱為微臺階Ⅱ法，見圖2(b)。

圖1 全斷面法施工示意圖

按照加強(qiáng)型機(jī)械化配置組織施工，主要配套機(jī)械為三臂鑿巖臺車、拱架安裝機(jī)、混凝土濕噴機(jī)械手、防水板鋪設(shè)及鋼筋定位臺架、自行式仰拱棧橋、襯砌模板臺車和噴淋養(yǎng)護(hù)臺架。部分機(jī)械如圖3和圖4所示。

(a) 微臺階Ⅰ法

(b) 微臺階Ⅱ法

圖3 三臂鑿巖臺車

圖4 拱架安裝機(jī)

2 隧道施工管理

隧道施工管理主要包括施工管理體系、施工設(shè)備及作業(yè)線班組配置。加強(qiáng)型機(jī)械化施工作為目前隧道施工發(fā)展的必然趨勢，其施工管理的合理性及高效性對于加強(qiáng)型機(jī)械化施工的推廣具有重要的研究價值。本文通過對加強(qiáng)型機(jī)械化和普通型機(jī)械化施工管理進(jìn)行對比，以分析加強(qiáng)型機(jī)械化施工的優(yōu)勢。

2.1 施工管理

為保障隧道加強(qiáng)型機(jī)械化施工配套使用和安全管理，按“誰主管，誰負(fù)責(zé)”的原則，明確各級領(lǐng)導(dǎo)、職能部門和人員的崗位職責(zé)和安全生產(chǎn)職責(zé)，發(fā)揮大型專業(yè)配套機(jī)械化施工優(yōu)勢，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況制定加強(qiáng)型機(jī)械化施工管理制度。其管理體系為： 項(xiàng)目部加強(qiáng)型機(jī)械化施工管理領(lǐng)導(dǎo)小組(管理層)、項(xiàng)目分部(執(zhí)行層)、隧道作業(yè)隊(duì)(作業(yè)層)3級管理模式。主要內(nèi)容如圖5所示。

圖5 加強(qiáng)型機(jī)械化配套施工管理模式

Fig. 5 Management mode of strengthened mechanized construction

隧道普通型機(jī)械化施工作業(yè)采用施工作業(yè)隊(duì)和作業(yè)班組2級管理組織體系，管理組織體系上有了較大的變動。從管理級別上，加強(qiáng)型機(jī)械化施工較為復(fù)雜，但可以有效地提高施工效率，達(dá)到“誰主管，誰負(fù)責(zé)”的要求，責(zé)任到人，提高隧道施工質(zhì)量。

2.2 施工設(shè)備

隧道加強(qiáng)型機(jī)械化快速施工從開挖、出碴、初期支護(hù)、仰拱鋪底、防水作業(yè)、襯砌作業(yè)、水溝電纜槽等主要施工工序?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，設(shè)備配套能力作為保障，各工序之間相互協(xié)調(diào)、合理搭接，達(dá)到隧道快速施工的目的。

隧道加強(qiáng)型機(jī)械化配套的關(guān)鍵工序由機(jī)械控制、人工輔助，施工質(zhì)量得到了極大的提升； 而普通型機(jī)械化配套施工設(shè)備較落后，施工很大程度上受人為因素的影響，質(zhì)量難以保證。

為滿足大斷面雙線高速鐵路復(fù)雜隧道開挖要求，鄭萬高鐵為各工序配置先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，各工序機(jī)械設(shè)備配置如表1和圖6所示。

2.3 作業(yè)線班組配置

根據(jù)隧道主要施工工序，將作業(yè)線分為開挖作業(yè)線、出碴作業(yè)線、初期支護(hù)作業(yè)線、仰拱鋪底作業(yè)線、防水及襯砌作業(yè)線和水溝電纜槽作業(yè)線。加強(qiáng)型和普通型機(jī)械化配套施工各作業(yè)線班組(人數(shù))對比見表2和圖7。

由表2和圖7可知，采用加強(qiáng)型機(jī)械化施工時各作業(yè)線的人數(shù)都少于普通型機(jī)械化施工，人數(shù)約為普通型機(jī)械化施工的56.36%。

3 施工效果

施工效果主要從施工作業(yè)環(huán)境、作業(yè)安全性、施工質(zhì)量和施工效率4方面進(jìn)行對比分析。

3.1 施工作業(yè)環(huán)境

相同斷面隧道開挖若采用常規(guī)人工鉆爆法施工，需配置風(fēng)鉆數(shù)量多達(dá)30把，鉆機(jī)由空壓機(jī)高壓風(fēng)作動力，開挖面空氣污染大，同時作業(yè)風(fēng)鉆會產(chǎn)生高分貝噪音，對持鉆工人身體健康極為不利，施工環(huán)境如圖8所示。電腦三臂鑿巖臺車開挖采用電力作為動力，開挖面空氣污染極小，噪音較小，大大降低了作業(yè)環(huán)境對作業(yè)人員的傷害，施工環(huán)境如圖9所示。

現(xiàn)場采用混凝土濕噴機(jī)械手進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)，隧道內(nèi)掌子面粉塵濃度較低，整個作業(yè)區(qū)域空氣質(zhì)量較好，有效地改善了施工作業(yè)環(huán)境，滿足職業(yè)健康安全要求。

3.2 作業(yè)安全性

采用人工風(fēng)鉆開挖，司鉆人員離掌子面很近，如果隧道掌子面巖層自穩(wěn)性較差，易造成人員傷害。采用電腦三臂鑿巖臺車開挖，操作人員在封閉的駕駛室，離掌子面有十幾m遠(yuǎn)，處于初期支護(hù)封閉區(qū)，大大提高了作業(yè)安全性。另外，鑿巖臺車的多功能升降吊籃能配合測量放樣和裝藥等作業(yè)，相對于普通開挖作業(yè)臺架靈活多用，更利于作業(yè)安全性。

混凝土濕噴機(jī)械手有一個可以伸縮和旋轉(zhuǎn)的液壓臂架，采用無線電遙控器操作，操作人員可以站在已經(jīng)初期支護(hù)完成的安全地帶控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，施工安全性有很大提高。濕噴機(jī)械手采用三臂伸縮使噴頭貼近掌子面進(jìn)行噴射施工，設(shè)備本身在已經(jīng)初期支護(hù)完成的部位，即使掌子面出現(xiàn)塌方掉頂，也不會威脅到設(shè)備本身。在隧道施工爆破后，鑿除危矸松石，接著可以用壓縮風(fēng)和水對爆破后的圍巖進(jìn)行沖洗，清除浮塵； 隨后即可對爆破后的圍巖進(jìn)行初噴，及時對掌子面圍巖進(jìn)行封閉，減少圍巖暴露時間，增強(qiáng)施工安全性。

自從采用該噴射機(jī)械手進(jìn)行初期支護(hù)施工后，未發(fā)生工傷事故。傳統(tǒng)的混凝土噴射機(jī)進(jìn)行噴漿作業(yè)時必須待碴土清除干凈，工作臺架移動到需要噴射的作業(yè)面下方，由操作人員站在臺架上手持噴頭實(shí)施噴射，此時操作人員的勞動強(qiáng)度較大，施工安全存在極大隱患。采用混凝土噴射機(jī)械手可以完全避免以上隱患，能有效保障施工人員的安全和健康。

表1 加強(qiáng)型機(jī)械化配套各工區(qū)工序機(jī)械化配套表

圖6 加強(qiáng)型機(jī)械化配套各工區(qū)工序機(jī)械化配套圖

施工內(nèi)容加強(qiáng)型機(jī)械化配套施工人數(shù)普通型機(jī)械化配套施工人數(shù)備注開挖作業(yè)線8～1026～28鑿巖臺車和風(fēng)鉆打孔比較,以全斷面(150 m2)為例初期支護(hù)作業(yè)線8～1020～25 機(jī)械施工按1套機(jī)械手+運(yùn)輸車,錨桿施工按臺車鉆孔人工安裝計算;小型機(jī)具按2套噴混凝土設(shè)備,錨桿按風(fēng)鉆鉆孔人工安裝計算出碴作業(yè)線914均按雙裝載機(jī)裝碴,大型運(yùn)輸車按4臺配置,小型運(yùn)輸車按6臺配置仰拱鋪底作業(yè)線1218防水作業(yè)線57襯砌作業(yè)線88水溝電纜槽作業(yè)線610總?cè)藬?shù)(約數(shù))62110

圖7加強(qiáng)型、普通型機(jī)械化配套隧道施工各作業(yè)線班組(人數(shù))對比圖

Fig. 7 Comparison of operation lines between reinforced and conventional mechanized construction of tunnel

圖8 人工鉆爆法施工環(huán)境

圖9 機(jī)械化施工環(huán)境

3.3 施工質(zhì)量

施工質(zhì)量主要從隧道開挖主要的施工工序進(jìn)行分析。

3.3.1 鉆爆

為保證隧道光面爆破效果，隧道鉆爆圖的設(shè)計及優(yōu)化至關(guān)重要。

加強(qiáng)型機(jī)械化施工操作手可以根據(jù)鉆爆設(shè)計圖孔位施鉆，如圖10所示，并及時給工程技術(shù)人員反饋開挖效果，以便對鉆爆設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到光面爆破及降低炸藥單耗的效果。輔助眼鉆孔時，根據(jù)掌子面圍巖堅(jiān)硬程度、巖層產(chǎn)狀等適當(dāng)調(diào)整鉆爆設(shè)計圖炮眼間距及角度。操作手根據(jù)電腦鉆爆圖適時鉆孔，個別孔人工可干預(yù)微調(diào)鉆孔，可以有效地控制超欠挖(利用鑿巖臺車輪廓掃描儀測量爆破后的超欠挖)情況，真正做到光面爆破，減少出碴和回填方量，減少襯砌混凝土的消耗，省工、省時、省料。超欠挖掃描見圖11，爆破效果見圖12。

圖10 爆破圖

圖11 超欠挖掃描 (單位： m)

圖12 爆破效果

普通型機(jī)械化施工雖是根據(jù)鉆爆圖設(shè)計進(jìn)行全站儀定位，然后人工裝藥進(jìn)行爆破，但爆破后超欠挖數(shù)據(jù)測量費(fèi)時費(fèi)力且誤差較大，不能及時優(yōu)化鉆爆設(shè)計，從而限制了隧道施工質(zhì)量。

3.3.2 噴射混凝土

混凝土濕噴機(jī)械手配備液態(tài)添加劑自動計量裝置，能夠精確添加速凝劑，電子程序能自動對混凝土和速凝劑流量同步控制，保證速凝劑最優(yōu)摻量；機(jī)械手可以保證噴射角度和距離，避免人工噴射的盲區(qū)，加之機(jī)械手噴射流量穩(wěn)定、速度勻速，并能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、密實(shí)度好。

濕噴機(jī)械手的噴射效率為7～25 m3/h，平均為18 m3/h，噴射前的設(shè)備準(zhǔn)備時間短，可縮短作業(yè)循環(huán)時間，且快速封閉巖面會有效約束巖層變形的發(fā)展，改善圍巖受力狀態(tài)，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。濕噴機(jī)械手現(xiàn)場施工見圖13。

圖13 濕噴機(jī)械手現(xiàn)場施工

3.4 施工效率

施工效率主要是對施工單循環(huán)開挖時間以及月進(jìn)尺進(jìn)行分析對比。

加強(qiáng)型、普通型機(jī)械化配套工序耗時見表3和圖14。

表3普通型與加強(qiáng)型機(jī)械化單位進(jìn)尺耗時表

Table 3 Time consumptions for strengthened and conventional mechanized construction h

開挖方式各工序單位進(jìn)尺耗時鉆孔裝藥爆破出碴錨桿施作立拱架噴混凝土單位進(jìn)尺耗時加強(qiáng)型機(jī)械化0.50.510.511.34.8普通型機(jī)械化0.80.51.211.51.86.8

圖14 普通型與加強(qiáng)型機(jī)械化單位進(jìn)尺耗時圖

Fig. 14 Time consumptions for strengthened and conventional mechanized construction

由表3和圖14可知，加強(qiáng)型機(jī)械化施工單位進(jìn)尺(指隧道1 m進(jìn)尺)各工序總耗時減少30%左右，極大地提高了施工效率。

加強(qiáng)型、普通型機(jī)械化配套月進(jìn)度對比見表4。

表4 加強(qiáng)型、普通型機(jī)械化配套月進(jìn)度對比

4 結(jié)論與討論

本文通過對加強(qiáng)型機(jī)械化與普通型機(jī)械化施工管理及施工效果的對比分析，綜合考慮施工管理層、施工設(shè)備及作業(yè)線班組配置等因素，得到如下結(jié)論。

1)加強(qiáng)型機(jī)械化施工管理分為3級管理，能有效提高施工效率，達(dá)到“誰主管，誰負(fù)責(zé)”的要求，責(zé)任到人，提高隧道施工質(zhì)量。

2)加強(qiáng)型機(jī)械化施工以開挖、出碴、初期支護(hù)、仰拱鋪底、防水作業(yè)、襯砌作業(yè)、水溝電纜槽等主要施工工序?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，設(shè)備配套能力作為保障，各工序之間相互協(xié)調(diào)、合理搭接，達(dá)到隧道快速施工的目的。

3)加強(qiáng)型機(jī)械化施工在作業(yè)環(huán)境、作業(yè)安全系數(shù)、施工質(zhì)量和施工效率等方面都得到了有效改善，保證了隧道施工質(zhì)量及快速施工要求。

4)加強(qiáng)型機(jī)械化施工組織體系運(yùn)用已初見成效，隧道施工工效和施工進(jìn)度得到提高，施工人員人身安全也得到保障。

5)目前加強(qiáng)型機(jī)械化施工正處于試驗(yàn)階段，各工序施工熟練程度還有待提高，施工管理層的職業(yè)素質(zhì)及相關(guān)專業(yè)知識尚需進(jìn)一步培訓(xùn)，待各方面條件成熟以后，將進(jìn)一步分析加強(qiáng)型機(jī)械化施工技術(shù)。