羅家山隧道機(jī)械化施工對(duì)川藏鐵路建設(shè)的啟示

郭自敏

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024)

1 引言

在國(guó)家實(shí)施《中國(guó)制造2025》實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)及鐵路總公司“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的管理目標(biāo)引領(lǐng)下，鄭萬(wàn)高鐵湖北段羅家山隧道施工率先開(kāi)展機(jī)械化配套施工的研究和探索，并取得了初步成果，對(duì)推動(dòng)隧道機(jī)械化配套施工進(jìn)程具有重要意義[1-2]。

本文總結(jié)羅家山隧道機(jī)械化配套施工“一洞九線”流水作業(yè)線，以期為川藏鐵路建設(shè)提供借鑒[3]。

2 工程概況

羅家山隧道全長(zhǎng)10 640 m，最大埋深約470 m。隧道圍巖等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)4 240 m，占40.02%；Ⅳ級(jí)5 155 m，占48.66%；Ⅴ級(jí)1 200 m，占11.32%。采用“三平導(dǎo)＋一斜井＋一橫洞＋一泄水洞”的輔助坑道方案，見(jiàn)圖1。隧址區(qū)巖溶發(fā)育，可溶巖段長(zhǎng)6 905 m，占隧道總長(zhǎng)的64.9%，雨季最大涌水量為116 910 m3/d，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

圖1 羅家山隧道輔助坑道平面布置

3 機(jī)械化流水作業(yè)線

羅家山隧道機(jī)械化配置以機(jī)械、工裝為基礎(chǔ)，借助信息化手段，打造“洞口工廠、洞內(nèi)車(chē)間”，形成隧道施工9條作業(yè)線[4-5]，即“一洞九線”，即地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)線、預(yù)加固作業(yè)線、開(kāi)挖作業(yè)線、初支作業(yè)線、仰拱作業(yè)線、防排水及二襯鋼筋作業(yè)線、二襯及養(yǎng)護(hù)作業(yè)線、溝槽作業(yè)線、工后檢測(cè)作業(yè)線?！耙欢淳啪€”設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 羅家山隧道“一洞九線”設(shè)備配套

3.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)線

將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入工序進(jìn)行管理。在出渣后至初噴前對(duì)掌子面圍巖級(jí)別和穩(wěn)定性進(jìn)行判定，通過(guò)物探及鉆探結(jié)果結(jié)合三臂鑿巖臺(tái)車(chē)WMD地質(zhì)云圖像綜合分析掌子面前方的圍巖地質(zhì)，準(zhǔn)確判定掌子面及前方圍巖級(jí)別，確定適宜的工法、支護(hù)參數(shù)及加固措施。

利用鑿巖臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)快速超前鉆探、隧底及周邊隱伏巖溶探測(cè)。目前，已驗(yàn)證鑿巖臺(tái)車(chē)超前鉆探長(zhǎng)度能達(dá)到30 m，同時(shí)在隧底及周邊隱伏巖溶探測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。為提升超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性及其工效，建議川藏線在施工裝備上持續(xù)研發(fā)長(zhǎng)大鉆孔深度的鑿巖機(jī)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

3.2 預(yù)加固作業(yè)線

預(yù)加固主要采用高壓注漿、超前管棚和超前小導(dǎo)管等技術(shù)。

(1)高壓注漿

高壓劈裂注漿工藝操作簡(jiǎn)便，可有效加固掌子面前方圍巖，控制掌子面鼓出變形，保證施工安全。建議在川藏線使用智能化注漿設(shè)備提高注漿質(zhì)量及效率；配合超前支護(hù)，實(shí)現(xiàn)在軟弱圍巖條件下大斷面快速施工。

(2)超前管棚

使用鑿巖臺(tái)車(chē)施工長(zhǎng)管棚需多次接鉆桿，管棚安裝困難，工序時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；由于管棚施工受制于臺(tái)車(chē)鑿巖機(jī)，導(dǎo)致外插角大、長(zhǎng)管棚尾部上挑高度過(guò)高，失去超前支護(hù)作用，需對(duì)鑿巖機(jī)自身進(jìn)行研發(fā)；而短管棚盡管加固效果好，但工效不理想，如施工φ60 mm中管棚長(zhǎng)度9 m，搭接3 m，導(dǎo)致2～3 h循環(huán)施工1次管棚。按每次12～14 h計(jì)算(含注漿)，折合超前預(yù)加固單循環(huán)3～4 h。因此，超前管棚是影響其進(jìn)度的主要工序之一。

(3)超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管施工方法簡(jiǎn)單，不受設(shè)備配置影響，從工效、安全、質(zhì)量等方面綜合效益明顯。

建議川藏線結(jié)合國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在裝備自身上對(duì)鑿巖機(jī)零部件自主設(shè)計(jì)并國(guó)產(chǎn)化，滿足長(zhǎng)大管棚的有效合理施工應(yīng)用。同時(shí)，為提升進(jìn)度工效，建議Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)偏強(qiáng)圍巖超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管，Ⅴ級(jí)偏差圍巖超前支護(hù)采用超前管棚。

3.3 開(kāi)挖掘進(jìn)作業(yè)線

超前預(yù)加固過(guò)的圍巖，可有效減小收斂變形。通過(guò)合理選配工裝設(shè)備，緊湊組織工序作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)不同地質(zhì)圍巖條件下的全工序隧道大斷面開(kāi)挖，初期支護(hù)一次封閉成環(huán)。

每循環(huán)進(jìn)尺:Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖采用超前管棚及高壓注漿加固后不大于4榀拱架間距；超前管棚填充注漿或小導(dǎo)管超前注漿加固后不大于3榀拱架間距。

基于掌子面圍巖和初支的穩(wěn)定(通過(guò)圍巖量測(cè)和應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試等監(jiān)測(cè)手段判定)，羅家山隧道大斷面施工機(jī)械化配套分三種工法，即全斷面帶仰拱工法、全斷面不帶仰拱工法、微臺(tái)階工法。

結(jié)合鄭萬(wàn)線鑿巖臺(tái)車(chē)的應(yīng)用，2臺(tái)鑿巖臺(tái)車(chē)(6～8人)與人工風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)(20～23人)鉆孔速度相當(dāng)(能減少鉆孔工人14～17人)，安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低。要提高綜合工效，主要取決于開(kāi)挖及其它工裝的配套是否到位。整個(gè)開(kāi)挖循環(huán)不僅僅是鑿巖臺(tái)車(chē)單工種作業(yè)，還有裝藥、通風(fēng)、排煙及出渣工序等，例如裝藥時(shí)，裝藥人員要依靠機(jī)械臂進(jìn)行裝藥作業(yè)，同時(shí)裝藥作業(yè)人員最多7人，在裝藥環(huán)節(jié)慢于人工作業(yè)。建議川藏線采用混裝炸藥，使用專(zhuān)用裝藥設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速裝藥。

3.4 初期支護(hù)作業(yè)線

明確隧道初期支護(hù)和圍巖為主要承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。

拱部錨桿采用φ25 mm預(yù)應(yīng)力錨桿，邊墻采用φ22 mm普通砂漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿見(jiàn)圖2。錨桿采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)或多功能鉆機(jī)施作，噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手，型鋼鋼架采用三臂(筐)鋼架安裝機(jī)或多功能安裝臺(tái)架施作。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿

通過(guò)一系列配套工裝的運(yùn)用確保了錨桿安裝質(zhì)量、初期支護(hù)鋼架安裝的準(zhǔn)確性和混凝土施工質(zhì)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境污染。預(yù)應(yīng)力錨桿的運(yùn)用有效地加固了洞身段圍巖，達(dá)到了主動(dòng)加固圍巖、提升圍巖自穩(wěn)性的效果，保證了施工安全。

3.5 仰拱作業(yè)線

自行式液壓仰拱棧橋自帶弧模、擋頭模板和中心水溝模板，自帶止水帶定位裝置、鋼筋定位卡具，以工裝為基礎(chǔ)，保證隧道仰拱施工質(zhì)量。施工時(shí)，在第一段仰拱澆筑后開(kāi)挖第二段仰拱，做到仰拱與仰拱填充分開(kāi)澆筑、上一板混凝土澆筑和下一板鋼筋綁扎同步流水作業(yè)[6]。

3.6 防水板與二襯鋼筋安裝作業(yè)線

防水板及二襯鋼筋安裝采用項(xiàng)目部自主研制的“防水板及鋼筋自動(dòng)安裝一體機(jī)”。減少了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了施工效率，工作安全系數(shù)高，安裝質(zhì)量更有保證。安裝鋼筋時(shí)，利用鋼筋卡槽通過(guò)牽引可將數(shù)根長(zhǎng)達(dá)26 m的環(huán)向鋼筋一次性提升至拱頂安裝就位；安裝防水板時(shí)，能夠做到6.0 m寬幅防水板的自動(dòng)安裝[7-8]，見(jiàn)圖3。

3.7 二襯混凝土灌注及養(yǎng)護(hù)作業(yè)線

(1)二襯混凝土灌注作業(yè)

二襯混凝土灌注采用智能化二襯臺(tái)車(chē)，通過(guò)遙控操作機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)分層逐窗澆筑，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了施工效率；采用軟搭接技術(shù)，確保二襯接縫位置不損壞[9-12]，見(jiàn)圖4。

圖3 防水板及鋼筋自動(dòng)安裝一體機(jī)

圖4 智能化二襯臺(tái)車(chē)

(2)二襯混凝土養(yǎng)護(hù)作業(yè)

二襯混凝土的養(yǎng)生采用噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)架進(jìn)行，使二襯混凝土持續(xù)保持濕潤(rùn)，充分養(yǎng)生，有效避免混凝土表面收縮裂紋出現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度得到保證。

3.8 水溝電纜槽作業(yè)線

采用整體式溝槽模板臺(tái)車(chē)進(jìn)行水溝電纜槽施工，實(shí)現(xiàn)整體快速施工。澆筑溝槽整體線形順直，外觀質(zhì)量好。

3.9 工后檢測(cè)作業(yè)線

項(xiàng)目配備了專(zhuān)用檢測(cè)車(chē)，成立檢測(cè)小組，明確檢測(cè)內(nèi)容、頻次和責(zé)任人。

4 綜合評(píng)價(jià)與分析

4.1 機(jī)械化和人工作業(yè)人員數(shù)量對(duì)比分析

結(jié)合鄭萬(wàn)高鐵羅家山雙線隧道機(jī)械化配套作業(yè)和人工作業(yè)各工序用工量統(tǒng)計(jì)并做對(duì)比，主要工序共減少用工59個(gè)，見(jiàn)表2，占人工作業(yè)總?cè)斯?shù)的43%，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際臺(tái)車(chē)鉆孔和裝藥爆破為同一班人、二襯鋼筋和二襯防水板為同一班人，實(shí)際可減少主要作業(yè)人員42人。

表2 羅家山隧道機(jī)械化和人工作業(yè)人員數(shù)量對(duì)比

4.2 進(jìn)度分析

(1)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔速度較快，但裝藥速度慢，在Ⅲ級(jí)圍巖施工中每循環(huán)進(jìn)尺增加0.9 m，進(jìn)度指標(biāo)綜合提升11%。

(2)Ⅳ級(jí)圍巖拱架安裝速度明顯加快，中管棚超前支護(hù)采用機(jī)械化配套作業(yè)時(shí)間增加3.7 h，循環(huán)進(jìn)尺增加1.2 m，進(jìn)度指標(biāo)綜合提升19%。

(3)Ⅴ級(jí)圍巖拱架安裝速度明顯加快，中管棚超前支護(hù)采用機(jī)械化配套作業(yè)時(shí)間增加3 h，循環(huán)進(jìn)尺增加0.8 m，進(jìn)度指標(biāo)綜合提升15%。

4.3 安全、環(huán)保、質(zhì)量分析

隧道機(jī)械化配套施工在安全、環(huán)保、質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。極大地減少了人員投入，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了施工安全及質(zhì)量，降低了環(huán)境污染，提升了施工效率。

(1)鑿巖臺(tái)車(chē)

鑿巖臺(tái)車(chē)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、開(kāi)挖、初期支護(hù)等工序鉆孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”。錨桿、管棚、小導(dǎo)管和鎖腳錨管等的施工質(zhì)量顯著提高；炮眼位置易于控制，光爆效果好，但存在因周邊眼外插角較大，隨進(jìn)尺增大而導(dǎo)致超挖大的劣勢(shì)。

(2)鋼架安裝臺(tái)車(chē)

實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)抓舉大斷面鋼架并精準(zhǔn)定位安裝；提高了作業(yè)人員的安全性，具有人工少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、工效快的優(yōu)勢(shì)。

(3)濕噴機(jī)械手

濕噴機(jī)械手較好地解決了施工作業(yè)環(huán)境差的問(wèn)題，降低了粉塵的產(chǎn)生，大幅提高工效；更好地保證了噴射混凝土施工質(zhì)量。

(4)自行式仰拱棧橋

實(shí)現(xiàn)了仰拱與填充混凝土的快速流水施工，減少工序間干擾，給仰拱填充混凝土提供充分養(yǎng)護(hù)時(shí)間，且減少了輔助定位鋼筋數(shù)量。

(5)防水板及二襯鋼筋一體機(jī)

增加二次襯砌鋼筋定位卡具，通過(guò)調(diào)整卡具的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)向鋼筋間距、層間距和保護(hù)層的精確定位，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

5 對(duì)川藏鐵路建設(shè)的幾點(diǎn)建議

(1)機(jī)械化配套是川藏鐵路建設(shè)的必然選擇，更是建筑市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，施工企業(yè)必須扎實(shí)研究并踐行。

(2)機(jī)械化配套是由研制、試用、改進(jìn)再到出廠、更新?lián)Q代的過(guò)程，需要研發(fā)和使用單位的密切配合。

(3)人才培養(yǎng)相對(duì)于機(jī)械配套更值得關(guān)注，特別是大型高端設(shè)備的操作、維養(yǎng)人才的培養(yǎng)。

(4)從本項(xiàng)目在對(duì)軟弱圍巖采取超前預(yù)加固條件下采用鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化配套作業(yè)看，方案是可行的，但加固成本要考慮。

(5)針對(duì)川藏鐵路地質(zhì)及地理?xiàng)l件的復(fù)雜性，同時(shí)考慮建設(shè)工期和施工成本要求，建議采用大型機(jī)械化配套與人工鉆爆并用的綜合施工方案。特長(zhǎng)及輔助坑道修建困難的隧道優(yōu)先考慮TBM機(jī)械化配套掘進(jìn)作業(yè)；長(zhǎng)大及有條件的隧道考慮三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配套掘進(jìn)作業(yè)；短隧道、特殊地質(zhì)段、輔助坑道與正洞接口等考慮人工鉆爆掘進(jìn)開(kāi)挖作業(yè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

鄭萬(wàn)鐵路羅家山隧道在“以工裝保工藝，以工藝保質(zhì)量”、“機(jī)械化與信息化高度融合”的思想引導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)多方面的創(chuàng)新和探索，堅(jiān)持采用機(jī)械化成套配置，“配”是前提，“套”是關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)高速鐵路隧道大斷面安全快速掘進(jìn)。通過(guò)隧道機(jī)械化配套，減少了作業(yè)人員數(shù)量、減低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)大幅降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)、提高了整體工效，并在施工過(guò)程中總結(jié)形成多項(xiàng)專(zhuān)利和工法。鄭萬(wàn)鐵路9條作業(yè)線機(jī)械化配置方案可作為川藏鐵路隧道施工機(jī)械化配置的有益借鑒。