成套施工設(shè)備在改擴建隧道中的應(yīng)用

宋 建，楊家財

(廣西桂鹿高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

我國已步入交通強國時代，公路建設(shè)里程不斷增加，隧道施工機械化程度越來越高。為實現(xiàn)機械化減人，智能化換人，降低勞動人員作業(yè)強度，改善施工現(xiàn)場環(huán)境，確保工程質(zhì)量，縮短各工序時間，確保施工進度，保障施工安全的目標，吳家屯隧道推廣成套施工設(shè)備，打造隧道作業(yè)流水線。

1 工程概況

吳家屯隧道是同向行車的雙洞四車道高速公路隧道，位于桂林市永?？h廣福鄉(xiāng)吳家屯境內(nèi)，為桂林至柳州高速公路改擴建控制性工程。該隧道為分離式隧道，其改擴建方案為：老線改為右幅，左幅為新建。本隧道位于新建段，隧道長2 520 m，凈空為(寬×高)11 m×5 m，設(shè)計最大埋深為251 m。該隧道Ⅴ級圍巖段約占49.7%，Ⅳ級圍巖約占50.3%。本隧道建設(shè)工期為自開工日起22個月，建成后將交通轉(zhuǎn)換到左線，再施工右線工程。隧道施工進度不僅影響隧道工程工期，同時也制約整個項目工期。

2 項目背景

桂林至柳州高速公路改擴建工程是交通運輸部批準的“廣西交通強國建設(shè)試點項目”，項目的目標是“重塑廣西第一路”，爭創(chuàng)國家級優(yōu)質(zhì)工程和山嶺重丘區(qū)高速公路改擴建示范工程，打造精品工程、和諧工程、平安工程和廉潔工程。路線全長約100.914 km，其中利用老路92.138 km，占比91.3%，新建線路8.776 km。項目主要以兩側(cè)直接拼接為主，局部單側(cè)拼接或分離為輔的方式進行改擴建。設(shè)計時速為120 km/h。整體式路基寬度為41.0～42.0 m。

為進一步落實廣西交通投資集團有限公司高速公路質(zhì)量管理目標，推廣先進的施工設(shè)備和工法，全面提升高速公路品質(zhì)工程建設(shè)，吳家屯隧道全面落實機械化施工要求。

3 隧道成套設(shè)備施工

吳家屯隧道堅持“以工裝保工藝，以工藝保質(zhì)量”的質(zhì)量管理方針，以首件工程標準化為抓手，以“機械化、專業(yè)化、信息化”為支撐手段，推廣隧道成套施工設(shè)備，使現(xiàn)場變?yōu)楣S。

鋼筋加工廠建設(shè)標配設(shè)備：龍門吊/桁吊、鋼筋網(wǎng)排焊機、聯(lián)合沖剪機、數(shù)控冷彎成型機、等離子切割機、小導(dǎo)管剪頭機、數(shù)控小導(dǎo)管沖孔機、二保焊機等。

超前預(yù)報設(shè)備：液壓履帶式多功能超前鉆機(C6)等。

開挖設(shè)備：多臂鑿巖臺車、空壓機組等。

初期支護設(shè)備：濕噴機械手、多功能拱架安裝臺車、液壓錨桿機等。

二襯及仰拱設(shè)備：自行式液壓移動棧橋(配備仰拱弧形模板和中心排水溝整體模板)、半自動防水板鋪掛臺車、防水板電磁波焊機、自動化分層澆筑襯砌臺車(配備分層澆筑布料機、鋼端?；蚋叻肿佣四?、自行式襯砌養(yǎng)護臺車、電纜溝槽模板臺車、隧道邊墻鑿毛機等。

安全文明施工配備：隧道通風(fēng)機、除塵霧炮機、清掃車、接送車、隧道逃生管道等。

3.1 鋼筋加工場

智能鋼筋網(wǎng)焊接機器人可實現(xiàn)自動上料、下料、切割和自動焊接等功能，每日生產(chǎn)鋼筋網(wǎng)片達1 000片以上；數(shù)控鋼筋彎曲機可實現(xiàn)自動上料、下料、切割、自動彎曲等功能。以上智能、數(shù)控生產(chǎn)設(shè)備的投入，大幅減少了操作工人數(shù)量，有效避免了人為操作帶來的不可控因素，質(zhì)量、安全管理水平提升顯著，鋼筋加工廠智能化、機械化生產(chǎn)得到全面提升。

3.2 洞身開挖

近年來，隨著對工程安全、環(huán)保、質(zhì)量、文明施工的高度重視，傳統(tǒng)風(fēng)鉆開挖和其他一般開挖方式已無法滿足標準化施工工藝要求。三臂鑿巖臺車無須人工和其他測量設(shè)備布設(shè)隧道周邊輪廓及炮孔，大大縮短施工準備時間。其既能自動完成爆破孔、錨桿孔、灌漿孔的自動定位、鉆眼、反饋、調(diào)整等功能，也可完成裝藥、錨桿安裝、灌漿、風(fēng)管安裝等高空作業(yè)，鉆孔精度高，可提高鉆孔質(zhì)量和炮孔利用率，超欠挖控制精準，提升光面爆破效果。

三臂鑿巖臺車主要由底盤系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、駕駛室、電腦控制系統(tǒng)、鉆臂、推進梁、液壓鑿巖機、輔助臂組成。設(shè)備底盤采用四輪驅(qū)動系統(tǒng)，具有爬坡能力強、行駛機動靈活、地形適應(yīng)能力強等特點。駕駛室為全封閉機構(gòu)，可自由升降，配冷暖空調(diào)和雙層隔音玻璃，減少噪音和粉塵傷害，配置自診斷系統(tǒng)和語音報警系統(tǒng)，可對全車狀態(tài)進行監(jiān)控和故障診斷，方便操作人員快速排除故障。配備全電腦控制系統(tǒng)，具有鉆孔自動控制、鉆臂自動控制、自動防卡釬、同步測量等功能，精確控制鉆孔定位、角度和深度。三臂鑿巖臺車配有三只鉆臂，大臂可以俯仰角度為正60°至負30°，擺動角度為左右45°。伸縮臂作業(yè)長度為2.5 m，寬度為16 m，高度為11 m，最大覆蓋面積可達154 m2。該設(shè)備一次定位可滿足全斷面施工要求，鑿巖硬度高，鉆孔速度快，性能穩(wěn)定可靠，確保最佳鉆進速率，并配備自動防卡釬裝置，減少鉆具磨損，降低配件消耗，且擺動臂平臺具有自平衡功能，作業(yè)范圍大。

該設(shè)備采用軟件繪制鉆孔參數(shù)規(guī)劃圖，并借由移動存儲設(shè)備導(dǎo)入電腦，設(shè)備就位，撐起支腿，全站儀定位測量，通過激光導(dǎo)向裝置和鑿巖臺車左右兩側(cè)的傳感棱鏡，準確測得設(shè)備坐標參數(shù)，將測量結(jié)果輸入車載電腦，確定整機在隧道斷面的相對位置，依據(jù)掌子面當(dāng)前的狀況選擇手動模式、半自動模式和全自動模式三種操作模式：(1)手動模式，在特殊工況下，操作手可通過肉眼觀察鉆臂位置，手動調(diào)整鉆臂角度，進行鉆孔作業(yè)；(2)半自動模式，在數(shù)據(jù)輸入電腦后，操作手通過電腦屏幕的實時顯示，移動操縱桿，使屏幕中鉆臂的投影線條與預(yù)設(shè)布控線條相吻合，確認位置后，設(shè)備開始自動鉆孔；(3)全自動模式，操作員向電腦錄入測量坐標，由電腦控制設(shè)備按照預(yù)設(shè)方案自動校準和鉆進。

全電腦液壓三臂鑿巖臺車成功應(yīng)用于吳家屯隧道，憑借其智能、高效、經(jīng)濟、穩(wěn)定的技術(shù)特點，使施工效率明顯提升。其以電腦自動控制代替人工操作，減少對操作手經(jīng)驗的過度依賴，降低工人勞動強度，改善現(xiàn)場環(huán)境，有效地縮短了工序時間，大幅提高了開挖進度，隧道界面輪廓成型效果好，超欠挖量小，降低了初期支護成本。該臺車操作人員距掌子面13 m，提高了操作人員的安全系數(shù)，鉆進過程中噪音小，能減少噪音對作業(yè)人員的影響，可記錄施工數(shù)據(jù)，為優(yōu)化爆破方案和后續(xù)工序提供信息反饋。

3.3 噴射混凝土

隧道開挖后應(yīng)及時初噴。噴錨支護必須緊跟開挖工作面，應(yīng)先噴后錨，噴射作業(yè)應(yīng)有人隨時觀察圍巖變化情況。隧道施工存在安全隱患最大的部位為開挖后未進行支護封閉的圍巖，普通濕噴機械需要人員較多，且在圍巖下面進行作業(yè)存在較大的安全隱患。而濕噴機械手操作人員可在已完成初支且遠離掌子面10 m的地方對機械臂進行遙控操作，降低了施工安全風(fēng)險，避免塌方對人員和機械的安全威脅，使作業(yè)安全性能大大提高。

濕噴機械手的工作效率是普通濕噴機的4倍左右，有效提升了噴射效率和質(zhì)量。其噴射混凝土結(jié)構(gòu)密實，降低施工成本，回彈量少，可縮短施工時間，使巖面快速封閉成環(huán)，改善圍巖結(jié)構(gòu)受力，增強圍巖自身穩(wěn)定性。機械臂操控可使距離及角度控制精準，采用預(yù)拌混凝土，噴射機具有穩(wěn)定的風(fēng)壓和空壓，能使噴射的混凝土密實均勻，無空洞。

濕噴機械手實現(xiàn)了機械化減人、智能化換人的目的，減少了粉塵的產(chǎn)生，改善了現(xiàn)場施工環(huán)境，提高了工效，降低了工人勞動強度，減少了材料浪費。

噴射前應(yīng)清除松動巖塊，清洗巖壁面粉塵，清除邊角處的巖屑、雜物等。有滲水時，須引排處理。局部水量較大時，采用鑿槽埋管將水引導(dǎo)疏出后再噴射混凝土。通過埋設(shè)標志控制噴射混凝土的厚度，確保厚度滿足設(shè)計要求。噴射混凝土混合料應(yīng)隨拌隨噴，回彈物不得重新用作噴射混凝土材料。首層噴混凝土?xí)r，要著重填平補齊，將小的凹坑噴圓順，后一層應(yīng)在前一層混凝土終凝后進行。為了防止后續(xù)的防水卷材破損，噴射應(yīng)使圍巖的凹凸處完全被覆蓋。

3.4 錨桿作業(yè)

錨桿施工宜在初噴后及時進行，所有錨桿都必須安裝墊板，墊板需與噴射混凝土緊密接觸，錨桿施作位置用紅漆進行標識。

液壓錨桿鉆機能多角度旋轉(zhuǎn)鉆孔，錨桿鉆孔精準，安裝方便，能有效避免人員處在未支護的開挖面下作業(yè)，提高工人的安全系數(shù)。

3.5 拱架安裝

鋼架分節(jié)段制作，型鋼鋼架宜采用冷彎法制作成型，鋼架節(jié)段可采用工廠化加工制作。拱架接頭鋼板厚度及螺栓規(guī)格必須符合設(shè)計要求，螺栓孔采用機械鉆孔，孔口采用砂輪機清除毛刺和鋼渣，每榀之間可以轉(zhuǎn)換。鋼架基礎(chǔ)應(yīng)置于牢固密實的地基上，腳底超挖、拱腳高程不足時應(yīng)用噴射混凝土填充。

多功能拱架安裝臺車施工不再借助簡易臺架，施工便捷，減少人員投入，勞動強度低，機械配套施工更加高效，施工安全可靠，定位精準。

3.6 仰拱棧橋

隧道仰拱應(yīng)及時施工，整斷面一次成型，使支護結(jié)構(gòu)早閉合，改善圍巖受力狀況，控制圍巖變形，保障施工安全。超挖在允許范圍內(nèi)采用與襯砌同強度等級混凝土澆筑回填；大于規(guī)定時，應(yīng)按設(shè)計要求回填，不得用洞渣隨意回填，嚴禁侵入襯砌斷面。

隨著隧道技術(shù)的不斷提高，仰拱施工成為相對滯后的施工環(huán)節(jié)。自行式全液壓移動式棧橋能實現(xiàn)橋上通行、橋下施工互不干擾，使仰拱和仰拱填充的澆筑更加快捷。施工車輛可在棧橋上正常行駛而不影響前方開挖支護作業(yè)，橋下可正常進行仰拱的襯砌，鋼筋綁扎、仰拱填充、隧道出渣也可正常作業(yè)。仰拱初支和填充依次成型，減少了施工縫。

可調(diào)式自動升降液壓系統(tǒng)能滿足不同條件下隧道施工需求，配套仰拱水溝模板、兩側(cè)邊部和端頭弧形模板，有效提升了隧道機械化施工水平。該棧橋可依次進行仰拱和仰拱填充的澆筑，在完成仰拱襯砌后，模板前移，在澆筑完第二模后，澆筑第一模的仰拱填充，并且不影響前面開挖、出渣工作，可有效疊加工序，加快施工進度。

自行式全液壓移動式棧橋主要由行走系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)、主橋、坡道、滑移小車等部分組成。全橋長30 m，工作長度為18 m，行車寬度為3.5 m，荷載為50 t。棧橋移動、作業(yè)采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，可以自由前行和左右移動。棧橋采用模塊化拼裝式結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)合理，重量輕便穩(wěn)定，增加了棧橋的承載能力，有效拓展了隧道施工空間，使整個施工面可以平行開展，是隧道安全、快速施工的保證。

3.7 防排水作業(yè)

防水層在初期支護基本穩(wěn)定時施工。初期支護表面應(yīng)平整，無空鼓、裂縫、松酥。對于初支表面外露的錨桿頭、鋼筋頭等堅硬物采用電焊或氧焊齊根切除，并用1∶2水泥砂漿抹平，防止頂破排水板；對局部凹凸部分，應(yīng)修鑿、噴補，使其表面平順；對超挖較大的部位必須掛網(wǎng)噴錨。

防水板施工采用防水板鋪掛臺車安裝。該臺車就位前仔細檢查初期支護有無空洞，斷面范圍內(nèi)是否有各類凸起物，通過激光三維掃描儀檢查斷面是否侵線，各類預(yù)埋件是否準確，檢驗均合格后方可進行防水層施工。土工布和熱熔墊片使用紅外線激光定位，射釘槍固定。熱熔墊片使用紅外線激光定位，防水板鋪設(shè)和安裝自動卷放，從一側(cè)邊墻底部向?qū)?cè)邊墻的順序進行展鋪。防水板和熱熔墊片使用超聲波焊機進行焊接，搭接采用爬焊機焊接。利用鋪掛臺車可將防水板幅寬增加為7 m，有效減少焊縫，提高施工效率，降低勞動強度。

縱向止水帶卡具主要由緊線器、止水帶夾緊裝置、卡槽、可調(diào)定位裝置組成。緊線器拉直縱向止水帶，安裝止水帶夾緊裝置，夾緊卡槽托架與仰拱邊墻模板連接?；滋幚砗箐佋O(shè)土工布，防水板、背貼式止水帶，安裝加固仰拱下端模、中埋式環(huán)向止水帶和仰拱上端模。

3.8 襯砌作業(yè)

鋼筋集中加工、統(tǒng)一配送，鋼筋制作必須按設(shè)計輪廓進行大樣定位。鋼筋安裝采用鋼筋臺車，每2 m一個單元，鋼筋保護層應(yīng)全部采用高強砂漿墊塊來控制，能有效控制鋼筋間距、位置及保護層厚度。

二襯混凝土施工在周邊位移、拱頂下沉速率和總位移等方面滿足規(guī)范要求，初期支護和圍巖變形基本穩(wěn)定，錨桿拉拔試驗和注漿飽和度檢查合格后方可進行。二襯施工前須對初期支護斷面進行激光測量，對不符合要求的應(yīng)進行處理。二襯距離掌子面的距離控制在安全步距范圍內(nèi)，各類洞室預(yù)埋件位置經(jīng)檢查均符合要求后方可進行施工?；炷铃e縫控制在2 mm內(nèi)，臺車模板與混凝土搭接應(yīng)加固封堵，防止?jié)B漏漿。已完成的襯砌地段，應(yīng)繼續(xù)觀察二襯的穩(wěn)定性，注意變形、開裂、侵入凈空等現(xiàn)象，并及時記錄。

為了確保混凝土外觀質(zhì)量，吳家屯隧道二襯臺車鋼板采用10 mm鋼板加2 mm不銹鋼板壓制而成，以確保澆筑的混凝土潔凈光亮。二襯臺車按照模板準入制驗收合格后拼裝，現(xiàn)場拼裝完成后，在軌道上往返行走3～5次后再次緊固螺栓，并對部分連接部位加強焊接以提高其整體性。每施作襯砌500～600 m，臺車應(yīng)全面校驗一次。校驗可在隧道加寬帶進行。

混凝土澆筑前需清理基底的雜物并沖洗干凈，模板應(yīng)打磨干凈并均勻涂刷脫模劑，泵送前用水泥砂漿潤滑管道。采用滑槽逐窗入模澆筑技術(shù)，混凝土通過地泵的泵管泵入頂平臺主料斗，再進入滑槽，三通分流。通過調(diào)節(jié)三通分流槽擋板控制混凝土流向分流串筒，經(jīng)分滑槽導(dǎo)流至一級工作窗口，關(guān)閉分滑槽串筒流向一級分滑槽方向擋板，導(dǎo)流混凝土至二級工作窗口，最后到三級窗口，更換泵管，進行沖頂施工。混凝土應(yīng)對稱均勻澆筑，左右高差和水平分層不超過50 cm，邊墻和拱腳采用插入式振搗器進行振搗，時間控制在20 s左右，拱頂采用附著式振搗器進行振搗，時間控制在40 s左右，防止過振或漏振。

3.9 襯砌養(yǎng)護

隧道養(yǎng)護采用二襯噴淋養(yǎng)護臺車，以降低水化熱，保護混凝土養(yǎng)護質(zhì)量。洞口100 m養(yǎng)護期≥14 d，洞身養(yǎng)護期≥7 d，對已貫通的隧道二襯養(yǎng)護期≥14 d。普通二襯混凝土養(yǎng)護采用高壓水噴淋存在養(yǎng)護不均勻、不到位等問題，因而在噴淋養(yǎng)護臺車外側(cè)沿著隧道輪廓布設(shè)噴淋系統(tǒng)，水霧均勻噴灑到二襯表面，可以沿著軌道移動。根據(jù)施工規(guī)范要求，定期進行養(yǎng)護，確保二襯混凝土養(yǎng)護質(zhì)量。對比普通的養(yǎng)護方式，養(yǎng)生均勻到位，有效減少了混凝土收縮裂縫和裂紋，提高了混凝土耐久性。另外可有效降塵，凈化隧道空氣，改善隧道施工環(huán)境。

3.10 溝槽作業(yè)

采用軌行式液壓水溝電纜槽臺車進行水溝電纜槽施工。

傳統(tǒng)鋼模每次施工都需要將每個鋼板拼接，施工工序多、耗時長、溝槽成品整體性差。水溝電纜槽臺車實現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動定位、模架整體走行，溝槽一次成型，提高了水溝施工質(zhì)量和工效，比傳統(tǒng)作業(yè)節(jié)省時間60%以上，且交叉作業(yè)干擾小、使用壽命長，優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)語

在桂林至柳州改擴建高速公路爭創(chuàng)百年品質(zhì)工程和山嶺重丘區(qū)示范工程中的吳家屯隧道使用成套施工機械設(shè)備，極大減輕了工人勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，減少了人員安全隱患，工程質(zhì)量和進度得到極大提升。成套施工機械設(shè)備將在項目其他隧道推廣使用。