特長(zhǎng)公路隧道單頭快速掘進(jìn)施工技術(shù)研究

鄧科，劉彬，王不凡，張慶明，王羽

（1重慶交通建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 400010；2重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

隧道施工大多是采用新奧法進(jìn)行的，開(kāi)挖基本上采用鉆爆法，出碴多采用無(wú)軌運(yùn)輸。隧道施工的快速修建設(shè)備配套技術(shù)水平、施工裝備及機(jī)械化仍處于隧道施工機(jī)械化初期，整體技術(shù)仍較落后，施工進(jìn)度差別很大，事故隱患較多，工后環(huán)境影響較大。為提高機(jī)械化作業(yè)程度、施工質(zhì)量、效率和提升施工信息化，城開(kāi)特長(zhǎng)隧道 （位于在建的重慶城口至開(kāi)州高速公路，為全國(guó)在建高速公路的第三長(zhǎng)隧道）根據(jù)實(shí)際情況配置了大型施工機(jī)械配套設(shè)備。這套設(shè)備主要是由開(kāi)挖臺(tái)車(chē)、三臂鑿巖臺(tái)車(chē)、車(chē)載式濕噴機(jī)械手、多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)、二襯臺(tái)車(chē)、自行式液壓仰拱棧橋、防水板臺(tái)車(chē)、檢測(cè)管理系統(tǒng)等組成，更加機(jī)械化、科學(xué)化、信息化，能極大地減少作業(yè)人數(shù)、改善施工環(huán)境、提高施工效率、保證施工質(zhì)量。

1 工程概況

城開(kāi)高速公路青龍?zhí)亻L(zhǎng)隧道是重慶境內(nèi)目前最長(zhǎng)的在修公路隧道，工程地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，施工工期長(zhǎng)，隧道進(jìn)口位于重慶市城口縣咸宜鄉(xiāng)青龍村，出口位于開(kāi)縣滿月鄉(xiāng)天子村鎖口廟附近。隧道左洞長(zhǎng)度為11489m，右洞長(zhǎng)度為11456m。隧道公路等級(jí)為雙向四車(chē)道高速公路，隧道路面橫坡單向坡2%（直線段）。左洞起止樁號(hào)：ZK71+781～ZK83+270，右洞起止樁號(hào)：K71+778～K83+234。該地段工程地質(zhì)情況主要為：塊狀角礫巖、白云巖，局部夾泥灰?guī)r、頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰綠色互層。塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，塊石碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。

經(jīng)地質(zhì)勘查，隧道埋深大于769m處時(shí)有巖爆發(fā)生的可能性。采用這套新型的單頭快速掘進(jìn)設(shè)備，隧道的質(zhì)量、效率、安全都有極大的提高[1]。

2 單頭快速掘進(jìn)技術(shù)

2.1 工作原理與適用范圍

由于隧道的長(zhǎng)度大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，使用多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鉆注一體化施工，能快捷完成各種復(fù)雜巖層變化的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，有效探明隧道開(kāi)挖前方的地質(zhì)情況，大幅度提高施工安全。單頭快速掘進(jìn)設(shè)備的基本工作原理是利用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)來(lái)測(cè)量、鉆眼、裝藥，以此來(lái)減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)；然后車(chē)載式濕噴機(jī)械手進(jìn)場(chǎng)，改善鑿巖車(chē)工作后的施工環(huán)境。

自行式液壓仰拱棧橋提供輔助作用，它采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，能自動(dòng)行走，為仰拱施工提供了小型流水作業(yè)工作面，滿足隧道仰拱混凝土整幅澆筑一次成型和快速施工的需求，保證仰拱施工的整體性，確保施工質(zhì)量。

防水板臺(tái)車(chē)完成防水板施工后可兼作隧道鋼筋網(wǎng)施工平臺(tái)進(jìn)行鋼筋網(wǎng)施工，極大地減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了施工效率，掛設(shè)防水板速度也得到較大提高。二襯臺(tái)車(chē)及時(shí)跟進(jìn)，保證施工質(zhì)量；同時(shí)，使用完善的監(jiān)控管理系統(tǒng)，時(shí)刻對(duì)隧道內(nèi)有害氣體的含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)存在地質(zhì)隱患段進(jìn)行24h監(jiān)控，進(jìn)一步提高隧道信息化施工程度，為施工人員的安全提供保障。

單頭快速掘進(jìn)技術(shù)適用于長(zhǎng)度大于3km，且地質(zhì)情況復(fù)雜，對(duì)施工質(zhì)量和進(jìn)度有一定要求的隧道。

2.2 施工工藝流程

單頭快速掘進(jìn)技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖2 單頭快速掘進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣圖

3 單頭快速掘進(jìn)施工技術(shù)實(shí)施方法

3.1 測(cè)量放樣（圖2）

采用萊卡全站儀TPS1201（精度1″）進(jìn)行測(cè)量放線，測(cè)量前視人員利用鑿巖臺(tái)車(chē)中間的云梯臺(tái)架[2]，用紅油漆畫(huà)出周邊眼孔位，具體需注意以下幾點(diǎn)：

① 測(cè)量按照輪廓線程序?qū)㈤_(kāi)挖的周邊眼孔位畫(huà)出，整體孔位應(yīng)呈一條圓滑的弧線；

②輔助眼也要在放樣周邊眼的同時(shí)用固定尺 （按照爆破設(shè)計(jì)的固定間距）將輔助眼輪廓線也畫(huà)出，炮眼間距60cm；

③為控制周邊眼鉆進(jìn)角度和坡度兩個(gè)重點(diǎn)方面，應(yīng)由掌子面向后方畫(huà)出5條坡度控制線（中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條），同時(shí)在下方放出中心位置；

④掌子面的掏槽眼、擴(kuò)大眼、抬炮眼等由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員在臺(tái)車(chē)定位后，根據(jù)測(cè)量放樣的中心線和高度嚴(yán)格布孔，布孔必須標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁未布孔開(kāi)鉆施工；

⑤超欠挖應(yīng)在每一循環(huán)進(jìn)行測(cè)量，并在巖面標(biāo)出超欠挖值。欠挖部位要及時(shí)和班組、帶班溝通交底，當(dāng)班處理；測(cè)量隊(duì)要在下一次放樣時(shí)復(fù)測(cè)后方的欠挖處理情況。

3.2 單頭快速掘進(jìn)施工技術(shù)

3.2.1 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)操作（圖3）

圖3 鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔步驟示意圖

工作前檢查泵、空壓機(jī)，并檢查管路、接頭等有無(wú)漏油、漏水和漏氣等現(xiàn)象。確定各部操作桿、控制裝置及儀表處于正常。準(zhǔn)備行走時(shí)需要降下升降平臺(tái)，倒回滑動(dòng)工作臺(tái)，縮回臂架，將導(dǎo)桿擺成水平，鑿巖機(jī)保持在始動(dòng)位置，縮回支腿方能行走。臺(tái)車(chē)行走前，應(yīng)查看場(chǎng)地周?chē)_認(rèn)前后左右無(wú)人及障礙物后，再按照引導(dǎo)人員的指示信號(hào)作業(yè)，不可誤觸操作桿。

行走要平穩(wěn)，避免緊急操作發(fā)生意外事故，特別在上下坡時(shí)應(yīng)特別注意。由于臺(tái)車(chē)的機(jī)體很長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)體的前端與尾端擺動(dòng)較大，操作時(shí)要特別慎重。液壓油溫應(yīng)保持在30℃～70℃范圍，超過(guò)70℃時(shí)，應(yīng)立即停止行走。進(jìn)入鑿巖作業(yè)之前，應(yīng)清除作業(yè)面上的危石。連接水管前，先用壓縮空氣排除管內(nèi)的塵埃。將絕緣的電纜線準(zhǔn)確地接在供電裝置上。在鑿巖作業(yè)和升降平臺(tái)作業(yè)時(shí)，必須先張開(kāi)支腿，方可進(jìn)行鑿巖作業(yè)和升降平臺(tái)作業(yè)。嚴(yán)禁移動(dòng)機(jī)體，否則將損傷臂和導(dǎo)桿。

若臂需移位時(shí)，必須先退回導(dǎo)桿，使頂點(diǎn)離開(kāi)工作面，注意臂不要相互碰撞，撞壞油管。移動(dòng)臂時(shí)，不可讓軟管絆繞。操作升降平臺(tái)時(shí)，一定要用手勢(shì)或信號(hào)提醒下方作業(yè)人員注意，隨時(shí)查看下方的臂與導(dǎo)桿的位置是否正確。運(yùn)轉(zhuǎn)中，因?qū)Ч?、軟管、液壓部件等損傷引起漏油時(shí)，應(yīng)立即停止發(fā)動(dòng)機(jī)。停放時(shí)，應(yīng)將導(dǎo)桿和臂根據(jù)行走狀態(tài)擺成水平位置，各操作桿置于中位，停止發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。

噴射時(shí)首先伸展機(jī)械手大臂調(diào)整噴頭在邊墻底部施噴位置，使用機(jī)械手小臂自動(dòng)平行功能調(diào)整小臂與地面水平，與隧道邊墻平行，調(diào)整噴頭距離、角度，完成上述工作后即可開(kāi)始噴射。噴射中盡量不要再調(diào)整噴頭距離、角度及機(jī)械手大臂，僅需使用自動(dòng)伸縮功能控制噴頭在小臂上自動(dòng)伸縮，從一端緩慢運(yùn)行到另一端來(lái)回2～3次可完成一遍噴射；然后伸展大臂30cm左右（在拱部根據(jù)隧道輪廓小臂做適當(dāng)翻轉(zhuǎn)），大臂做垂直、水平移動(dòng)，確保噴頭與巖面的角度和距離，按上述順序噴射下一部位，如此循環(huán)完成需噴混凝土的噴面。噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動(dòng)等對(duì)噴射混凝土質(zhì)量、回彈有較大影響，機(jī)械手濕噴混凝土作業(yè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制。

圖4 自行式液壓仰拱棧橋現(xiàn)場(chǎng)施工圖

3.2.3 自行式液壓仰拱棧橋操作

棧橋安裝就緒后，前后頂升油缸工作，使前、后車(chē)輪離開(kāi)鋼軌約50mm，且前后支腿著地。檢查前、后坡橋、過(guò)渡橋板是否墊實(shí)。允許各種車(chē)輛通行，準(zhǔn)備橋下仰拱作業(yè)。仰拱與回填施工結(jié)束，通過(guò)提升倒鏈葫蘆，提起前后坡橋。前后頂升油缸工作，使前、后車(chē)輪支撐于鋼軌、前后支柱離地不小于100mm。檢查電器系統(tǒng)是否完好，啟動(dòng)行走電機(jī)，帶動(dòng)棧橋向前移動(dòng)到下一工位。檢查各部無(wú)誤后，完成棧橋準(zhǔn)備工作。棧橋組裝完成后，應(yīng)檢查各部連接螺栓是否擰緊。車(chē)輛通行前，檢查各支腿、前后坡橋、過(guò)渡橋板是否支撐牢固、落實(shí)。棧橋應(yīng)有照明，以不影響司機(jī)視線為主，通行時(shí)應(yīng)限速，不得超過(guò)5km/h，并在上橋前鳴笛。棧橋上應(yīng)有安全標(biāo)識(shí)和警示燈，棧橋自行前，檢查支腿、前后坡橋是否收起，軌道間距是否標(biāo)準(zhǔn)，有無(wú)其它障礙物。棧橋自行時(shí)，橋下和兩側(cè)不得有人，棧橋上一次只允許一輛重車(chē)通過(guò) （圖4）。

3.2.4 防水板臺(tái)車(chē)操作規(guī)程

固定防水板時(shí)，視初期支護(hù)面的平整度將防水板預(yù)留一定的富余量，以防過(guò)緊而被混凝土擠破。為使防水板接頭焊接良好，防水板每環(huán)鋪設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)比襯砌長(zhǎng)度長(zhǎng)2.0m，以保證有足夠的預(yù)留搭接長(zhǎng)度。防水板鋪設(shè)好后，安排好工序銜接，盡快綁扎鋼筋灌注混凝土。軟弱圍巖地段襯砌緊跟開(kāi)挖面時(shí)，襯砌端部預(yù)留防水板接頭須采取防護(hù)措施，防止掌子面爆破時(shí)，飛石砸破防水板。襯砌加強(qiáng)鋼筋安裝、各種預(yù)埋件設(shè)置、擋頭模板安裝，以及泵送混凝土振搗等工序作業(yè)中要防止破壞防水板。

4 實(shí)施效果

城開(kāi)特長(zhǎng)隧道使用這套單頭快速掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行施工取得了良好的應(yīng)用效果。從施工人數(shù)上看，它大大減少了隧道掌子面施工人數(shù)以及防水板臺(tái)車(chē)掛設(shè)防水板工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；從隧道施工環(huán)境上看，它改善了洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，降低了噪音污染、粉塵污染等，提高了安全保障，直接減少了職業(yè)病的產(chǎn)生，體現(xiàn)了人性化施工的理念；從施工質(zhì)量上看，車(chē)載式濕噴機(jī)械手能保證混凝土密實(shí)度，施工質(zhì)量得到了有效提高。二襯臺(tái)車(chē)能保證二襯混凝土施工的密實(shí)度，拱頂預(yù)留注漿孔，可進(jìn)行帶模注漿，在過(guò)程中防范拱頂空洞這一質(zhì)量通病，保證施工質(zhì)量；從信息化上看，這套掘進(jìn)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)配置完善，可以24h對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證發(fā)現(xiàn)問(wèn)題即可迅速解決，也為施工人員的安全加上一道保險(xiǎn)[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

城開(kāi)特長(zhǎng)隧道采用的單頭快速掘進(jìn)施工技術(shù)極大地改善了洞內(nèi)施工環(huán)境，降低了噪聲、粉塵污染，為工人的健康提供了保障。它對(duì)于類(lèi)似的特長(zhǎng)公路隧道快速施工、提高施工的安全性、降低事故率有較大的參考意義，具有很大的推廣價(jià)值。

未來(lái)公路特長(zhǎng)隧道施工必將是高速公路修建面臨的重大問(wèn)題，單頭快速掘進(jìn)設(shè)備正是對(duì)現(xiàn)有公路隧道掘進(jìn)設(shè)備技術(shù)的一次完善，也為未來(lái)特長(zhǎng)隧道施工提供了案例示范。本次城開(kāi)特長(zhǎng)隧道使用的單頭快速掘進(jìn)設(shè)備是實(shí)際工程中的進(jìn)一步驗(yàn)證，具有一定的前瞻性和趨向性，推廣前景好。