機(jī)械化快速施工技術(shù)在曼木樹隧道出口中的應(yīng)用

牛瑞強(qiáng)，吳世友

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連116011；2.遼寧地礦井巷建筑工程有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽122000）

1 工程概況

新建玉磨鐵路（玉溪—磨憨）作為泛亞鐵路中線中國境內(nèi)部分，起于云南省玉溪市，途經(jīng)普洱市、景洪市，止于磨憨口岸。曼木樹隧道出口工作區(qū)位于梭羅河—關(guān)累區(qū)間，為時速160 km/h 單線隧道（洞口70 m 為雙線車站），工作區(qū)起止里程DK431+574～DK429+600。隧道出口段右側(cè)存在順層偏壓；隧道出口右側(cè)路塹邊坡存在順層問題。DK430+265～DK430+500段洞身穿越侏羅系中統(tǒng)和平鄉(xiāng)組（J2h）頁巖夾泥巖、砂巖、炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)板巖[1]。

地下水主要類型有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。第四系孔隙潛水不甚發(fā)育，水量較小，僅碎石中含量豐富；下伏基巖巖體破碎，基巖裂隙水發(fā)育；和平鄉(xiāng)組（J2h）有泥灰?guī)r夾層，巖溶弱發(fā)育，巖溶裂隙發(fā)育巖溶水；地下水主要由大氣降水及地表水補(bǔ)給。圍巖遇水易軟化崩解現(xiàn)象較常見。隧道開挖后，拱頂易掉塊，掌子面圍巖易發(fā)生正面擠出或溜塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定。完成初期支護(hù)后，沉降及收斂變形較大，且變形持續(xù)時間長。

2 設(shè)備選型及參數(shù)

除采用傳統(tǒng)開挖、運輸設(shè)備挖掘機(jī)、側(cè)卸裝載機(jī)、自卸汽車外，考慮到曼木樹隧道圍巖較差，變形較大，為滿足隧道的施工安全性、減少危險工作面的工作人員、提高施工效率、達(dá)到圍巖“快封閉”的目的等方面要求，本工程采用了機(jī)械化程度較高的設(shè)備（見表1），分述如下：

1）三臂鑿巖臺車的采用，實現(xiàn)了管棚鉆孔和爆破鉆孔一體化，加強(qiáng)了預(yù)支護(hù)強(qiáng)度。同時，由于智能化程度高，管棚孔和爆破孔精度高，實現(xiàn)了預(yù)支護(hù)和開挖斷面的有效結(jié)合，并大大提升了施工速度，降低了人力成本。

2）多功能臺車可以在危險面下作業(yè)，明顯降低了人員操作的危險性，解放了體力勞動，工作效率明顯提升。

3）錨桿臺車完全解決了系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨管的鉆孔角度和鉆孔精度的問題，解決了初期支護(hù)系統(tǒng)性和整體性，有效提升了初期支護(hù)的可靠性。

4）濕噴車采用濕噴工藝，降低了勞動強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了質(zhì)量，大大縮短了工序時間。

5）自行式仰拱棧橋能夠?qū)崿F(xiàn)仰拱開挖和仰拱襯砌平行作業(yè)的問題，縮短了工序時間，解決了仰拱填充的養(yǎng)護(hù)問題。

6）防水板鋼筋臺車、智能襯砌臺車、電纜溝槽臺車對隧道施工進(jìn)度沒有直接影響，但涉及隧道快封閉和工程安全，與開挖段的機(jī)械化形成有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)了安全、高效的作業(yè)線[2]。

表1 設(shè)備選型及功能

3 施工流程

為了實現(xiàn)快速施工、提高專有選型機(jī)械設(shè)備的利用效率、保證設(shè)計和規(guī)范要求以及達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，確定施工流程及配套機(jī)械設(shè)備如下（括號中為配套設(shè)備）[3]：

超前支護(hù)（三臂鑿巖臺車）→開挖爆破（三臂鑿巖臺車）→出渣運輸（挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車）→拱架安裝（拱架臺車）→網(wǎng)片鋪設(shè)、安裝（拱架臺車）→系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管（錨桿臺車）→噴射混凝土（濕噴車）→仰拱施工（自行式仰拱棧橋）→防水板鋪設(shè)、鋼筋安裝（防水板、鋼筋臺車）→二次襯砌（智能化二襯臺車）→電纜溝槽（電纜溝槽臺車）。

4 工序時間及工效對比

機(jī)械化配套施工采用全斷面法或微臺階法開挖，Ⅳ級、V 級圍巖管棚施工時，每進(jìn)尺15 m、12 m（管棚長20 m、15 m，搭接5 m、3 m）施作一次，工效分析時，折算到每循環(huán)進(jìn)尺里。常規(guī)工法施工采取正臺階法，開挖設(shè)備采用常規(guī)氣腿式鑿巖機(jī)鉆爆破孔、超前小導(dǎo)管孔、錨桿孔和鎖腳錨管孔，挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車清底出渣，普通小型濕噴機(jī)噴護(hù)。

根據(jù)2 種方法在不同圍巖中的應(yīng)用，采用機(jī)械化施工時，IV 級圍巖循環(huán)進(jìn)尺4.8 m，V 級圍巖循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，而采用常規(guī)施工方法是，IV 級圍巖循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，V 級圍巖循環(huán)進(jìn)尺1.2 m（圍巖非常差時0.6 m）。

經(jīng)折算后，根據(jù)實際施工各工序用時，Ⅳ級圍巖循環(huán)時間由2 370 min 減少到1 680 min，V 級圍巖循環(huán)時間由1 610 min減少到1 010 min。以Ⅳ級圍巖為例，施工工序時間對比如表2所示。

表2 Ⅳ級圍巖機(jī)械化施工工序時間表

Ⅳ級圍巖機(jī)械化施工工效提高（2 370-1 680）÷2 370×100%=29.11%。

通過比較可知，采用機(jī)械化施工，隧道開挖和初期支護(hù)工效明顯提高，為快速開挖和初期支護(hù)封閉奠定了基礎(chǔ)，有利于控制圍巖變現(xiàn)。同時，由于開挖和初期支護(hù)階段提高了施工速度，為后面的仰拱施工和二次襯砌施工快速跟進(jìn)提供了有利條件。采用自行式仰拱棧橋、半自動防水板鋼筋臺車和智能襯砌臺車，也可以形成作業(yè)時間和進(jìn)度上的配套。通過與同標(biāo)段其他相似圍巖隧道統(tǒng)計對比，曼木樹隧道采用機(jī)械化施工月進(jìn)尺有大幅提高，Ⅳ級圍巖達(dá)到122 m/月（常規(guī)施工81 m/月），Ⅴ級圍巖機(jī)達(dá)到75 m/月（常規(guī)施工55 m/月）[4]。

5 需解決的重點問題

1）采用機(jī)械化配套施工后，通過全斷面開挖及一次封閉成環(huán)使安全得到了保證。因大型設(shè)備在原設(shè)計安全步距下難以施展、制約較多，所有工裝設(shè)備(輪胎式)施工完畢后均開出洞外或者輔助坑道處，仰拱棧橋有效搭接長度按照25 m算，設(shè)備錯車區(qū)30 m、共計55 m（考慮出渣及錯車的空間），設(shè)備作業(yè)區(qū)按25 m 計算，因此，仰拱安全步距調(diào)整為80 m，二襯臺車長12 m，自行式防水板鋪掛臺車6 m，考慮到出渣車上棧橋的距離7 m 及設(shè)備安全距離5 m，結(jié)合TB 10304—2018《鐵路 隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，針對本線實際情況，根據(jù)《滇南鐵路建設(shè)指揮部關(guān)于印發(fā)<玉磨鐵路隧道施工步距及施工工法指導(dǎo)意見試行的通知>》（滇南指工〔2018〕148號）的要求，調(diào)整Ⅳ級、Ⅴ級圍巖仰拱安全步距到70 m，二襯安全步距110 m。

2）按隧道的設(shè)計斷面尺寸完成錯車段設(shè)計，鑿巖臺車、拱架臺車等大型設(shè)備需要退出到洞外。因此，開挖距離超過150 m后，快速施工會受到一定程度影響。鑒于此，施工過程中，采取分段設(shè)置避車洞和停車帶。曼木樹隧道采取每隔300 m 設(shè)置1 個避車洞，與停車帶設(shè)置在同一洞段。該洞段二次襯砌暫時不施工，長度預(yù)留36 m，中部一側(cè)設(shè)置避車洞。如圖1 所示。

圖1 錯車段設(shè)置圖

6 取得的成果

通過總結(jié)機(jī)械化配套施工參數(shù)，形成了一套完整的隧道機(jī)械化施工管理模式，發(fā)揮機(jī)械化配套施工優(yōu)勢，達(dá)到工管中心工效指標(biāo)（Ⅴ級圍巖45 m/月、Ⅳ級圍巖65 m/月、Ⅲ級圍巖100 m/月），并取得了以下成果：

1）達(dá)到了快速施工的預(yù)期目的。通過對機(jī)械設(shè)備的合理組合選型、采用有效的技術(shù)方案和措施，并進(jìn)行科學(xué)的組織和管理，IV 級、V 級圍巖的進(jìn)尺分別達(dá)到了122 m/月和75 m/月，與常規(guī)施工方法相比，月進(jìn)尺分別提高了41 m 和20 m。

2）施工安全性大大提升。開挖掌子面每循環(huán)都有強(qiáng)大的預(yù)支護(hù)（管棚），圍巖坍塌和失穩(wěn)現(xiàn)象極少發(fā)生，可以實現(xiàn)快速封閉。從開挖到形成初期支護(hù)，IV 級、V 級圍巖每循環(huán)時間分別減少330 min 和420 min。

3）提升了管理水平。熟練掌握機(jī)械化配套設(shè)備的性能及使用，結(jié)合機(jī)械化施工的特點，優(yōu)化工序銜接，合理組織施工，發(fā)揮機(jī)械化施工安全、高質(zhì)、高效的特點。為配套的機(jī)械化設(shè)備配備專職人員和材料，既滿足快速施工要求，又不至于浪費資源。根據(jù)隧道機(jī)械化施工特點，對施工工藝參數(shù)、工效指標(biāo)、工序銜接、配置標(biāo)準(zhǔn)及成本測算等方面進(jìn)行總結(jié)并形成系統(tǒng)性成果推廣。