隧道加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工技術(shù)

彭學(xué)軍，王 圣，湯 宇，劉德安，智緒金，凌 濤

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

隧道施工的機(jī)械化作業(yè)應(yīng)本著“性能可靠、技術(shù)先進(jìn)、滿足需求、略有儲(chǔ)備”的原則進(jìn)行。一般情況下，施工機(jī)械化程度越高，生產(chǎn)效率就越高，施工進(jìn)度也越快。長大隧道三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔效率很高，在有充足工作面的情況下，三臂鑿巖臺(tái)車具備持續(xù)作業(yè)能力，設(shè)備利用率的提高可以有效降低機(jī)械化施工成本[1-6]。文章依據(jù)鄭萬高鐵巴東隧道1#橫洞正洞的施工過程，闡述了隧道加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工技術(shù)的應(yīng)用，僅供參考。

1 工程概況

巴東隧道正洞全長13238m，是該標(biāo)段最長隧道，也是重點(diǎn)控制性工程，1號(hào)橫洞工區(qū)承擔(dān)正洞4352m施工任務(wù)，隧道圍巖主要巖性為砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r。

2 加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工

長大隧道采用新奧法進(jìn)行開挖時(shí)，依據(jù)人機(jī)工程原理，采用三臂鑿巖臺(tái)車代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工進(jìn)行掌子面開挖施工。在三臂鑿巖臺(tái)車與鉆臂之間不發(fā)生干涉的條件下，通過電腦程序智能控制，優(yōu)化鑿巖鉆孔工藝；通過對(duì)不同圍巖的實(shí)踐，優(yōu)化鉆孔順序，尋求最佳的鉆孔順序。憑借著機(jī)械化作業(yè)鉆孔速度快、定位精度高，以及施工安全性高等優(yōu)勢(shì)，工作人員在實(shí)踐操作中研究合理的鉆爆參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行光面爆破，以最大限度縮短循環(huán)作業(yè)時(shí)間、提高作業(yè)效率、提高鉆爆精度、減少超欠挖，同時(shí)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，既可以節(jié)約工期又能大幅降低施工成本。

2.1 工藝流程

加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工工藝流程如圖1所示。

圖1 加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工工藝流程

2.2 施工準(zhǔn)備

（1）對(duì)施工所需的材料做好計(jì)劃，按期組織進(jìn)場(chǎng)，做好驗(yàn)收工作。（2）大機(jī)所需的配套設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后組織驗(yàn)收，并做好日常的維護(hù)保養(yǎng)。（3）熟悉大機(jī)配套圖紙，做好培訓(xùn)工作，確保作業(yè)人員熟悉大機(jī)參數(shù)，確保施工有的放矢。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔和加深炮孔法等多種手段，采取長短結(jié)合、相互驗(yàn)證的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)。其中，超前鉆孔和加深炮孔法主要利用電腦三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，如圖2所示。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量等參數(shù)，并通過MWD軟件分析復(fù)原地質(zhì)情況，形成地質(zhì)報(bào)告，由此可建立隧道大數(shù)據(jù)地質(zhì)庫。

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.4 超前支護(hù)

（1）超前支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的圍巖情況、工序循環(huán)狀況以及設(shè)備利用情況，在Ⅳ級(jí)圍巖中采用Φ60mm中管棚，管棚長度控制在12～15m，若圍巖較好可到20m，如圖3所示；Ⅴ級(jí)圍巖中采用Φ76mm中管棚，管棚長度控制在9～12m，若圍巖破碎程度低，成孔質(zhì)量好的情況下可到15m。

圖3 超前管棚施作

（2）掌子面加固。Ⅳ級(jí)圍巖掌子面較穩(wěn)定時(shí)采用4cm厚C30噴射混凝土封閉掌子面，如圖4所示。Ⅴ級(jí)圍巖掌子面不能自穩(wěn)時(shí)采用噴射混凝土封閉掌子面+打設(shè)玻纖錨桿的方式進(jìn)行封閉，首先采用10cm厚C30噴射混凝土封閉掌子面后，掌子面按照1.5m×1.5m在標(biāo)識(shí)玻纖錨桿位置，采用Φ45mm鉆頭。由于圍巖非常破碎，鉆孔時(shí)水壓和水量較大，成孔較為困難，塌孔嚴(yán)重，一般在鉆孔深度為9～12m后及時(shí)安裝錨桿并注漿。

圖4 掌子面封閉

2.5 爆破開挖

開挖前先提前將爆破設(shè)計(jì)炮眼布置圖，導(dǎo)入三臂鑿巖臺(tái)車內(nèi)，如圖5、圖6所示。為解決三臂鑿巖臺(tái)車在打設(shè)周邊眼時(shí)其外插角較人工鉆眼大，開挖進(jìn)尺較人工大（一般為3～4榀），Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖較為破碎，周邊眼裝藥時(shí)間長、裝藥量大，爆破后拱部掉塊嚴(yán)重、粉塵高，無法發(fā)揮最大工效等問題。施工現(xiàn)場(chǎng)引進(jìn)了聚能水壓爆破技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合隧道掘進(jìn)光面爆破和水壓爆破兩項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用隧道掘進(jìn)施工的新技術(shù)，可以完美解決上述問題。

圖5 三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行畫弧定眼

圖6 三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行裝藥布線

2.6 初期支護(hù)

在采用三臂拱架安裝臺(tái)車后，鋼架的重量已不受人工抬不動(dòng)的影響。結(jié)合隧道凈空對(duì)鋼架的分段進(jìn)行了優(yōu)化，將原設(shè)計(jì)7節(jié)優(yōu)化為5節(jié)，這樣既減少了接頭而有利于鋼架的受力，提高了原材料的利用率，又大大節(jié)約了安裝工序時(shí)間。為了更快地完成拱架安裝，將原縱向連接筋優(yōu)化為套筒連接，如圖7所示。噴射混凝土采用了兩臺(tái)噴漿機(jī)同時(shí)噴射，現(xiàn)又引進(jìn)了1臺(tái)雙臂噴漿機(jī)，效率有所提升，如圖8所示。

圖7 三臂鑿巖臺(tái)車立架

圖8 噴射混凝土

2.7 仰拱及二襯拱墻施工

步履式仰拱棧橋及模板在澆筑完一節(jié)段后，能夠自行至下一澆筑節(jié)段，可實(shí)現(xiàn)仰拱與二襯節(jié)段施工縫對(duì)齊。通過仰拱弧模依次從下往上逐層澆筑、振搗，弧形仰拱能一次成形，避免了兩側(cè)仰拱在澆筑時(shí)出現(xiàn)冷縫，也避免了仰拱與填充不同標(biāo)號(hào)混凝土混澆。有效作業(yè)長度28m（12m+12m+4m）仰拱棧橋，在前一澆筑節(jié)段12m進(jìn)行模板對(duì)位安裝及混凝土澆筑時(shí)，可以對(duì)下一澆筑（12m+4m）節(jié)段進(jìn)行仰拱開挖清碴和綁扎鋼筋，可以實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，縮短總體工序時(shí)間。

半自動(dòng)防水板和鋼筋綁扎綜合作業(yè)臺(tái)車，土工布、防水板均可通過提升系統(tǒng)進(jìn)行提升。通過門架四周的卷揚(yáng)機(jī)，將防水板通過弧形軌道從一側(cè)牽引至另一側(cè)，解決了傳統(tǒng)防水板較慢的問題，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；頂伸系統(tǒng)通過固定于門架與弧形滑動(dòng)軌道之間的液壓缸，將牽引好的防水板頂伸至工作面較近處，再進(jìn)行防水板焊接，有效解決了傳統(tǒng)防水板鋪設(shè)易出現(xiàn)大面積褶皺的問題，提高了防水板的鋪設(shè)質(zhì)量，提高了防水板的鋪掛效率。

多功能二襯臺(tái)車分窗布料系統(tǒng)，通過一個(gè)主料斗和左右共6條澆筑通道來實(shí)現(xiàn)分窗逐窗布料澆筑工藝。分窗布料控制混凝土傾落自由高度不超過2.0m，分層逐窗澆筑，減少了混凝土的離析，提高了混凝土的入模質(zhì)量。

3 效益分析

3.1 資源配置對(duì)比

（1）人工開挖。主要鉆孔設(shè)備為手持式風(fēng)鉆，作業(yè)平臺(tái)為鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)架，動(dòng)力為風(fēng)動(dòng)式（4臺(tái)28m3空壓機(jī)提供動(dòng)力，單臺(tái)功率為162kW），全斷面（含仰拱）開挖人員26～30人。（2）大機(jī)開挖。2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車（單臺(tái)功率為225kW），單臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車配置操作手2人、學(xué)員1人，2臺(tái)合計(jì)配置操作手4人、學(xué)員2人、維保1人、機(jī)械技術(shù)1人，配合裝藥人員8人，合計(jì)16人，對(duì)比情況如表1所示。

表1 全斷面施工資源配置對(duì)比表

3.2 鉆眼質(zhì)量對(duì)比

（1）人工開挖。手持式鉆機(jī)更加輕便靈活，周邊孔外插角控制難度較小，但整體開挖質(zhì)量受限于炮工開挖水平，差異性較大，尤其是年輕一輩施工人員緊缺，人工開挖質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。（2）三臂臺(tái)車開挖?？蓢?yán)格按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆眼，鉆眼角度、間距和深度可通過臺(tái)車上的傳感器反饋到電腦上，實(shí)現(xiàn)高精度鉆孔。爆破后效果明顯優(yōu)于人工。同等級(jí)圍巖較人工平均線性超挖降低2cm。對(duì)比情況如表2所示。

表2 鄭萬巴東隧道1#橫洞Ⅳ級(jí)圍巖開挖作業(yè)循環(huán)時(shí)間表

3.3 安全和作業(yè)環(huán)境對(duì)比

（1）鉆爆法開挖，鉆孔時(shí)對(duì)圍巖擾動(dòng)最大，大斷面人工開挖掌子面同時(shí)作業(yè)人數(shù)在26～30人，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔時(shí)，掌子面周邊10m范圍內(nèi)無人作業(yè)，抗風(fēng)險(xiǎn)能力極高。（2）作業(yè)環(huán)境。長大隧道，尤其是掌子面距離洞口超過2km后，通風(fēng)排煙和降溫問題成為隧道掘進(jìn)的主要障礙，此類環(huán)境下作業(yè)工人厭工情緒較重，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。而三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔操作手作業(yè)環(huán)境優(yōu)越，配合裝藥人員作業(yè)強(qiáng)度低，受環(huán)境影響較小。（3）強(qiáng)度。與人工開挖的高負(fù)荷、強(qiáng)噪聲相比，三臂鑿巖臺(tái)車開挖鉆孔操作為手柄控制，操作室隔音效果好，裝藥工人僅負(fù)責(zé)裝藥，工作強(qiáng)度較低。

3.4 經(jīng)濟(jì)性比較

（1）成本投入。人工開挖主要成本僅為人工工費(fèi)成本，手持式風(fēng)鉆價(jià)格低廉，單臺(tái)3000元左右。機(jī)械化施工一次性投入較大，單臺(tái)鑿巖臺(tái)車價(jià)格超過1000萬元，且后續(xù)使用維護(hù)成本較高。

（2）工效。相比人工作業(yè)，三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔效率更高，且在有充足工作面的情況下，三臂鑿巖臺(tái)車具備持續(xù)作業(yè)能力，設(shè)備利用率的提高可以有效降低機(jī)械化施工成本。

（3）施工成本對(duì)比。①手持風(fēng)鉆施工成本統(tǒng)計(jì)：Ⅳ級(jí)圍巖，按月進(jìn)尺90m計(jì)算，開挖斷面147.03m2，人工開挖需24臺(tái)風(fēng)鉆、28人/班、4臺(tái)28m3空壓機(jī)、1臺(tái)220kW通風(fēng)機(jī)；每個(gè)循環(huán)開挖進(jìn)尺3m，每天按1個(gè)循環(huán)計(jì)算。其具體消耗成本如下：火工品7.95元/m3，包括雷管1.44元/m3、導(dǎo)爆索1.5元/m3、炸藥5.01元 /m3； 人 工 費(fèi) 14.8元 /m3（7000元 /月 ×28人 ÷30d÷147.03m3/m÷3m=14.8元/m3）；機(jī)械設(shè)備包括通風(fēng)設(shè)備0.20元/m3，空壓機(jī)3.74元/m3，隧道風(fēng)水管、照明、電線路均3.31元/m3，手持風(fēng)鉆1.5元/m3；開挖臺(tái)架、鉆桿鉆頭及其他材料費(fèi)3.6元/m3；電費(fèi)消耗7.63元/m3（空壓機(jī)7.63元/m3，每度電按1元計(jì)算）。以上費(fèi)用合計(jì)42.73元/m3。②三臂鑿巖臺(tái)車施工成本統(tǒng)計(jì)：Ⅳ級(jí)圍巖，月進(jìn)尺90m，鑿巖臺(tái)車兩臺(tái)。具體消耗成本統(tǒng)計(jì)：火工品9.67元/m3，包括雷管2.13元/m3、導(dǎo)爆索1.13元/m3、炸藥6.41元/m3；人工費(fèi)15.93元/m3，包括隊(duì)部臺(tái)車班人員（2名主操作手、2名副手、3名維修人員）工費(fèi)7.02元/m3以及裝藥配合人員（9人，含領(lǐng)炸藥1人）工費(fèi)8.91元/m3；臺(tái)車機(jī)械使用折舊費(fèi)13.04元/m3；臺(tái)車大修預(yù)提9.09元/m3；隧道水管、照明、電線路1.9元/m3；配件、油料及材料費(fèi)13.99元/m3；電費(fèi)消耗2.92元/m3（實(shí)際抄表）。以上費(fèi)用合計(jì)66.54元/m3。

從人工開挖與鑿巖臺(tái)車開挖的成本對(duì)比可以看出，在開挖的實(shí)際成本上鑿巖臺(tái)車比人工開挖成本稍高，機(jī)械開挖綜合單價(jià)與人工開挖綜合單價(jià)之比為1.56。

4 結(jié)束語

隧道加強(qiáng)型大機(jī)配置工作面快速施工技術(shù)可大幅降低資源配置等方面的成本，資源利用程度高，減少了施工噪聲污染、揚(yáng)塵等問題，工期可控，安全質(zhì)量達(dá)標(biāo)，社會(huì)效益良好，該技術(shù)在巴東隧道1#橫洞正洞施工中是一種先進(jìn)合理的施工技術(shù)。