高速鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)機(jī)械化施工技術(shù)

王更峰

（中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展，使得隧道工程的建設(shè)總量成倍增長(zhǎng)。然而如此龐大的隧道建設(shè)總量，加之不斷提高的質(zhì)量要求、建設(shè)難度以及逐漸上升的勞動(dòng)力成本等多方面因素給予了建設(shè)單位極大的負(fù)擔(dān)［1］。在這大環(huán)境下，推動(dòng)施工機(jī)械化成了隧道工程的當(dāng)務(wù)之急。機(jī)械化施工可在降低施工過(guò)程中勞動(dòng)力的需求同時(shí)，加快工程進(jìn)度的推進(jìn)，提高工程的經(jīng)濟(jì)效率，與傳統(tǒng)施工相比，其工程質(zhì)量與安全更有保障［2-3］；先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備以及先進(jìn)技術(shù)的引入迅速提升了隧道的建設(shè)水平，其優(yōu)點(diǎn)得到了業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可［4-5］。

國(guó)外針對(duì)隧道施工機(jī)械設(shè)備及技術(shù)的研究起步較早，早在上世紀(jì)40年代，就已開展混凝土噴射機(jī)的研究工作，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，成績(jī)斐然［6］。截止目前，世界范圍內(nèi)的眾多發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)隧道支護(hù)工程采用濕噴作業(yè)的比率已超八成，隨著近年來(lái)濕噴設(shè)備往高自動(dòng)化、易操作方向不斷革新，支護(hù)施工的效率與環(huán)境質(zhì)量均得到了顯著提升［7］。相較之下，國(guó)內(nèi)的隧道施工機(jī)械化應(yīng)用則相對(duì)較晚，但發(fā)展較快，自上世紀(jì)80年代起，我國(guó)在隧道機(jī)械化施工方面逐漸形成了多種機(jī)械化施工作業(yè)模式，并在隧道建設(shè)中不斷完善發(fā)展［8-9］。目前我國(guó)隧道工程已普及了基本作業(yè)的機(jī)械化，相應(yīng)的機(jī)械配套技術(shù)應(yīng)用可基本滿足施工的要求，然而與國(guó)外先進(jìn)機(jī)械施工相比，仍有不小差距。對(duì)隧道施工機(jī)械配置的升級(jí)，有效提高機(jī)械工作效率，確保快速施工和工程質(zhì)量已成了目前我國(guó)隧道施工機(jī)械化作業(yè)的當(dāng)務(wù)之急［10-11］。

本文結(jié)合某高鐵高家坪隧道工程，分別從初次支護(hù)、仰拱施工以及二次襯砌施工三個(gè)方面著重探討了高速鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)械化施工技術(shù)，為類似工程提供了借鑒。

2 工程概況

高家坪隧道位于湖北省南漳縣李廟鎮(zhèn)境內(nèi)，中心里程為DK451+786，全長(zhǎng)5 498 m；隧道采用進(jìn)、出口雙向掘進(jìn)，進(jìn)口段起訖里程為DK449+037～DK452+300，全長(zhǎng)3 263 m，最大埋深320 m，隧道縱坡設(shè)計(jì)為23‰，順坡施工；隧道大部分位于直線上，僅進(jìn)口至DK449+577.4 183位于半徑R＝7 000 m的左偏曲線上，施工工期44個(gè)月；隧道圍巖主要由頁(yè)巖及灰?guī)r構(gòu)成，其中灰?guī)r地區(qū)發(fā)育有巖溶地質(zhì)，施工中存在突水突泥風(fēng)險(xiǎn)，頁(yè)巖地層橫穿炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤線，可能還有低瓦斯，為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

3 洞身初次支護(hù)設(shè)備與作業(yè)模式

3.1 機(jī)械化濕噴工藝

對(duì)于長(zhǎng)大鐵路隧道支護(hù)工程，隨著先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備與技術(shù)的不斷革新以及施工環(huán)境的更高要求，使得噴射混凝土技術(shù)逐漸往濕噴技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。高家坪隧道配合混凝土濕噴機(jī)械手進(jìn)行濕噴作業(yè)，如圖1所示。整個(gè)施工過(guò)程采用遙控裝置實(shí)現(xiàn)濕噴機(jī)械的操作，最佳噴射方位根據(jù)“轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)與小臂伸縮定距離、旋轉(zhuǎn)中小臂定位置、噴嘴定角度”的原則進(jìn)行確定?；炷羾娚錂C(jī)械手的應(yīng)用確保了作業(yè)人員的施工安全，再配合濕噴工藝使得施工過(guò)程中的粉塵濃度以及回彈率得到顯著的抑制，施工作業(yè)環(huán)境得到進(jìn)一步改善，同時(shí)大大降低了材料成本，施工質(zhì)量亦得到了極大保障，有效地解決了傳統(tǒng)干噴工藝中存在的高粉塵、高回彈和低質(zhì)量等難題。

圖1 混凝土濕噴機(jī)械手

3.2 拱架機(jī)械化快速安裝

國(guó)內(nèi)隧道修建安裝拱架主要采取人工拼裝，但沉重的拱架配件使得施工班組需要配置大量的勞動(dòng)人員，且勞務(wù)繁重，施工安全亦得不到有效保證。高家坪隧道拱架安裝采用鐵建重工SCD112多功能拱架安裝機(jī)（見圖2），拱架的拼裝效率得到了迅速提升，無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，或是工程質(zhì)量與安全均得到了有效保障，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 SCD112多功能拱架安裝機(jī)

3.3 DCP／YE錨桿鉆注一體化施工

與傳統(tǒng)的系統(tǒng)錨桿施工相比，DCP／YE錨桿可第一時(shí)間形成初始張拉力，具有所需勞動(dòng)力配置低，安裝速度快、注漿工藝簡(jiǎn)單、速度快、功效高、質(zhì)量可控等特點(diǎn)［12］。高家坪隧道進(jìn)口DK449+100～DK449+101.6／DK449+119.6～DK449+148.8兩段里程進(jìn)行錨桿工藝性試驗(yàn)，將原設(shè)計(jì)拱部組合中空錨桿及邊墻砂漿錨桿采用新型DCP／YE錨桿代替。錨桿施工主要設(shè)備有：鐵建重工ZYS113全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、SCD112多功能拱架安裝臺(tái)車、沖擊式風(fēng)動(dòng)扳手、JRD500B拌和、灌漿一體機(jī)及BJ-300注漿自動(dòng)記錄儀等機(jī)械化設(shè)備，具體設(shè)備見表1。

表1 錨桿施工設(shè)備統(tǒng)計(jì)

采用ZYS113三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔（見圖3），臺(tái)車自帶吊籃輔助安裝錨桿，具有鉆孔速度快，鉆孔、安裝平行作業(yè)，節(jié)省人工，安全、高效的特點(diǎn)。

圖3 ZYS113三臂鑿巖臺(tái)車

利用三臂鑿巖臺(tái)車自帶空壓機(jī)為風(fēng)動(dòng)扳手供風(fēng)，臺(tái)車吊籃供風(fēng)口與風(fēng)動(dòng)扳手風(fēng)管連接施加錨桿預(yù)應(yīng)力。7462沖擊式風(fēng)動(dòng)扳手（見圖4）可以精確地給錨桿施加預(yù)應(yīng)力，不但能夠嚴(yán)格控制錨桿施作質(zhì)量，顯著提高生產(chǎn)率，而且可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖4 沖擊式風(fēng)動(dòng)扳手

利用多功能拱架安裝臺(tái)車（見圖5）吊籃作為施工平臺(tái)，錨桿全部安裝完畢后統(tǒng)一進(jìn)行注漿。為提高注漿速率，構(gòu)建由2臺(tái)注漿機(jī)與1臺(tái)注漿車輛構(gòu)成的注漿工序單元，使得注漿設(shè)備與材料統(tǒng)一于車輛之中，提升注漿速率。

圖5 SCD112拱架安裝臺(tái)車

4 仰拱機(jī)械化施工設(shè)備與作業(yè)模式

4.1 自行式仰拱腹模一體式棧橋施工

為提高施工效率和施工質(zhì)量，高家坪隧道仰拱施工采用自行式仰拱腹模一體式棧橋施工，如圖6所示。一體化移動(dòng)式棧橋組成結(jié)構(gòu)包括由10個(gè)以上伸縮單元組固定連接組成的棧橋主體以及折疊式橋板；將折疊式橋板設(shè)置于伸縮單元的上端，與之一一對(duì)應(yīng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速布設(shè)，具有較強(qiáng)的抗毀能力、穩(wěn)定性、可靠性以及通行能力，使得傳統(tǒng)式棧橋上掌子面開挖支護(hù)施工與仰拱的施工無(wú)法同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題得到有效解決。

圖6 移動(dòng)式棧橋

相比傳統(tǒng)仰拱施工方法而言，一體移動(dòng)式棧橋施工方法的澆筑跨度較大，進(jìn)行一次澆筑的長(zhǎng)度可以達(dá)到20 m，施工縫數(shù)更少，整體性更佳，其防水性能得到顯著提升；施工階段采用整幅式澆筑，不留縱向施工縫，仰拱的力學(xué)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化；棧橋作業(yè)對(duì)棧橋上車輛的通行沒(méi)有影響，對(duì)隧道內(nèi)部的交通影響也不大；液壓移動(dòng)棧橋的剛度較大，兩端桁架具有良好的支護(hù)作用，安全性能好，有效保障了棧橋上方車輛行駛過(guò)程中下部作業(yè)人員的施工安全，確保了施工進(jìn)度的高效推進(jìn)。

4.2 中心水溝機(jī)械化施工

高家坪隧道采用自行設(shè)計(jì)和加工的隧道中心水溝移動(dòng)模架，實(shí)現(xiàn)了中心水溝澆筑一體化施工，施工質(zhì)量與效率得到顯著提升，大大降低了施工成本。移動(dòng)模架由支架系、模板系和定位系三系構(gòu)成，其中支架系包括：主縱橫梁、行走輪等；模板系包括：主模板、擋頭模板；定位系包括：橫向螺桿、豎向螺桿、微調(diào)螺桿等，如圖7所示。移動(dòng)模板采用大尺寸定型鋼模制作而成，使得作業(yè)人員工作強(qiáng)度大大降低，在一定程度上消除了由于人工操作不當(dāng)造成的工程缺陷，使得結(jié)構(gòu)的外觀與質(zhì)量得到有效保障。

圖7 中心水溝移動(dòng)模架

通過(guò)模架可迅速完成大塊模板與定位系統(tǒng)的組裝工作，并借助機(jī)械將移動(dòng)模板整體牽引至下一組，消除了傳統(tǒng)小鋼模等零散拼裝施工效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題；同時(shí)，模架造價(jià)低、易于操作，有效降低傳統(tǒng)方法中臨時(shí)支撐的材料成本，施工效率及效益均可得到顯著提升。

5 二次襯砌施工設(shè)備與作業(yè)模式

5.1 鋼筋機(jī)械化安裝

高家坪隧道采用自動(dòng)式整體模板臺(tái)車，如圖8所示。自動(dòng)式模板臺(tái)車車架上布置有鋼筋工作平臺(tái)，鋼筋工作平臺(tái)連接有升降臂，升降臂連接有升降驅(qū)動(dòng)裝置，可以起吊鋼筋，還可以滿足其他施工同行的需要，有效降低安全隱患，保證施工進(jìn)度，臺(tái)車采用遙控控制。

5.2 二次襯砌機(jī)械化安裝

高家坪隧道二次襯砌施工采用二次襯砌臺(tái)車全機(jī)械化安裝，臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖9所示。臺(tái)車配備行走定位、澆筑、振搗、端頭模板系統(tǒng)。

圖8 自動(dòng)式模板臺(tái)車

圖9 二次襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)

圖10 為二次襯砌臺(tái)車行走定位系統(tǒng)。臺(tái)車前后3D掃描儀定位，把需要偏轉(zhuǎn)的角度和位移通過(guò)自動(dòng)調(diào)整左右、上下油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)車拱形骨架和模板的精確定位，通過(guò)立模油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)精確立模。

圖10 二次襯砌臺(tái)車行走定位系統(tǒng)

圖11 為二次襯砌臺(tái)車澆筑系統(tǒng)。通過(guò)混凝土輸送臺(tái)車把混凝土泵送至澆筑機(jī)械手，機(jī)械手可以縱向和環(huán)向運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)左右平衡分層逐窗帶壓澆筑，整個(gè)澆筑過(guò)程混凝土不易漓析。整套澆筑系統(tǒng)只有在澆筑頭處使用了一小段軟管，具有不易堵管和易清洗的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)澆筑過(guò)程只有一套澆筑機(jī)械手工作，另一套備用，這樣能夠保證整個(gè)澆筑過(guò)程的效率。

圖11 二次襯砌臺(tái)車澆筑系統(tǒng)

混凝振搗優(yōu)先采用外部振搗，因外部振搗易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且人工強(qiáng)度小。氣動(dòng)振搗器因振動(dòng)頻率高、對(duì)臺(tái)車結(jié)構(gòu)影響小而在國(guó)外廣泛應(yīng)用于隧道二次襯砌臺(tái)車上（見圖12）。且通過(guò)振動(dòng)分析儀，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅和振動(dòng)加速度等振搗參數(shù)，從而保證混凝土澆筑以及最終產(chǎn)品和工程的質(zhì)量。

圖12 二次襯砌臺(tái)車氣動(dòng)振動(dòng)器

5.3 二次襯砌機(jī)械化帶模注漿工藝

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)二襯拱頂?shù)拿摽占皫Ｗ{，將二襯臺(tái)車進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在二襯臺(tái)車的拱頂設(shè)置4個(gè)孔槽，如圖13a所示，而后將固定法蘭滿焊于孔槽處，用以固定RPC注漿管及定位法蘭，最終使固定管底部有效連接注漿機(jī)注漿管，如圖13b所示。通過(guò)設(shè)備的改造，實(shí)現(xiàn)了在不脫模的工況下完成二襯拱頂?shù)拿摽占白{施工，確保了二襯拱頂?shù)拿軐?shí)，施工效率得到了顯著提升。

圖13 二襯臺(tái)車改造示意

通過(guò)對(duì)二襯臺(tái)車的改造實(shí)現(xiàn)了帶模注漿，襯砌拱頂脫空問(wèn)題得到了有效解決，其注漿耗時(shí)更短，對(duì)于后續(xù)的工程干擾更小，并使得注漿與襯砌混凝土較好地形成統(tǒng)一整體。

6 結(jié)束語(yǔ)

某高鐵高家坪隧道工程，針對(duì)其支護(hù)工程，分別從初次支護(hù)、仰拱施工以及二次襯砌施工三個(gè)方面對(duì)其機(jī)械化施工技術(shù)進(jìn)行探討：

（1）對(duì)于初次支護(hù)工程，采用混凝土濕噴機(jī)械手進(jìn)行濕噴作業(yè)，有效保證施工人員的安全，改善了隧道施工環(huán)境，節(jié)省了材料及成本，提高了施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益，有效地解決了傳統(tǒng)干噴工藝中存在的高粉塵、高回彈和低質(zhì)量等難題；采用鐵建重工SCD112多功能拱架安裝機(jī)進(jìn)行拱架安裝，拱架的拼裝效率得到了迅速提升，無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，或是工程質(zhì)量與安全均得到了有效保障，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益；采用DCP／YE錨桿并配合全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、多功能拱架安裝臺(tái)車、沖擊式風(fēng)動(dòng)扳手、拌和、灌漿一體機(jī)及注漿自動(dòng)記錄儀等機(jī)械化設(shè)備，可顯著提高生產(chǎn)率、施工安全及質(zhì)量，亦可極大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）對(duì)仰拱施工，采用自行式仰拱腹模一體式棧橋施工，解決了傳統(tǒng)式棧橋上掌子面開挖支護(hù)施工與仰拱的施工無(wú)法同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題。同時(shí)采用自行設(shè)計(jì)和加工的隧道中心水溝移動(dòng)模架，實(shí)現(xiàn)了中心水溝澆筑一體化施工，施工質(zhì)量與效率得到顯著提升，大大降低了施工成本。

（3）對(duì)二次襯砌施工，采用自動(dòng)式整體模板臺(tái)車，可滿足其他施工同行的需要，有效降低安全隱患，保證施工進(jìn)度。通過(guò)對(duì)二襯臺(tái)車的改造實(shí)現(xiàn)了帶模注漿，襯砌拱頂脫空問(wèn)題得到了有效解決，其注漿耗時(shí)更短，對(duì)于后續(xù)的工程干擾更小，并使得注漿與襯砌混凝土較好地形成統(tǒng)一整體。