隧道大坡度斜井機(jī)械化配套施工技術(shù)研究

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056）

1 工程概況

涪陵至豐都至石柱高速公路是《重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的“三環(huán)十射三聯(lián)線”中“十射”的關(guān)鍵組成部分。項(xiàng)目為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，主線建設(shè)中整體式路基寬24.5 m，分離式路基寬12.25 m；沿線橋涵建設(shè)工作中，汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

2 隧道大坡度斜井機(jī)械化配套施工技術(shù)

2.1 工作原理與適用范圍

以現(xiàn)狀隧道斜井施工機(jī)械為立足點(diǎn)，經(jīng)過合理的整合與改裝后，形成全新的斜井機(jī)械化配套技術(shù)體系，用于大坡度斜井的建設(shè)工作。

斜井坡度較大，傳統(tǒng)的普通輪式開挖臺(tái)車在井內(nèi)運(yùn)行構(gòu)成中潛在諸多安全隱患，機(jī)械化配套施工技術(shù)注入了更多的創(chuàng)新理念。采用煤礦專用鋼筋混凝土軌枕，并通過應(yīng)用軌距拉桿將鋼軌緊密連接，經(jīng)整體澆筑后，形成完整的道板混凝土結(jié)構(gòu)。

在掌子面后方30 m的位置布設(shè)臨時(shí)軌道，在已建設(shè)完成的施工段設(shè)置永久軌道，在斜井開挖進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)下，以永久軌道逐步替換臨時(shí)軌道。開挖臺(tái)架經(jīng)焊接后，應(yīng)穩(wěn)定連接在挖掘機(jī)底盤處，可保證行走的安全性。斜井內(nèi)部配套豐富的施工機(jī)械，該部分采用電力驅(qū)動(dòng)的方法，氣腿鑿巖機(jī)和開挖臺(tái)車共同參與至掌子面的開挖工作中，施工效率較高。

在電力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制下，可帶動(dòng)有軌運(yùn)輸?shù)V車運(yùn)行并及時(shí)出渣，保障了運(yùn)行過程的安全性。依托現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合安全監(jiān)控裝置等相關(guān)硬件，可營造安全的隧道施工環(huán)境。挖掘機(jī)在掌子面扒渣，由礦車裝載后出渣。根據(jù)礦車提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，配套PLC電控自動(dòng)化系統(tǒng)，以便靈活調(diào)整，提高作業(yè)的精準(zhǔn)性。

2.2 施工工藝流程

技術(shù)創(chuàng)新是大坡度斜井機(jī)械化配套中的突出特征，引入業(yè)內(nèi)主流的TSP303地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)和全站儀激光定位技術(shù)，在多項(xiàng)技術(shù)的支持下，可提高施工的可控性。經(jīng)焊接后將開挖胎架穩(wěn)定至挖掘機(jī)底盤處，此方式可確保行走的安全性。

在斜井的掌子面開挖過程中，采取氣腿鑿巖機(jī)與開挖臺(tái)車協(xié)同作業(yè)的方案，將臨時(shí)軌道與永久軌道結(jié)合，礦車高效出渣。得到現(xiàn)代化信息技術(shù)的支持后，可配套硬件設(shè)施，如安全監(jiān)控裝置，以滿足實(shí)時(shí)預(yù)警的要求[1]。

3 隧道大坡度斜井機(jī)械化配套施工技術(shù)實(shí)施方法

3.1 礦用提升機(jī)的布置與安裝

礦用提升機(jī)卷筒繩板至天輪之間鋼絲繩的內(nèi)外偏角控制在1°30′內(nèi)，在此空間關(guān)系下，可保證鋼絲繩順利纏繞，避免出現(xiàn)咬繩、背繩等異常現(xiàn)象，保障摘鉤和掛鉤的安全性和便捷性，礦車可穩(wěn)定運(yùn)行。天輪選用固定天輪，以地面的位置為參照基準(zhǔn)，調(diào)整鋼絲繩夾角，保證其不小于15°，可改善礦用提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

絞車卷筒、天輪、洞口相對位置圖如圖1所示。

圖1 絞車卷筒、天輪、洞口相對位置

3.2 超前預(yù)報(bào)與軌道鋪設(shè)

通過地質(zhì)雷達(dá)、TSP303、超前鉆孔的協(xié)同運(yùn)用，可準(zhǔn)確揭露斜井掌子面前方的地質(zhì)情況，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的精度，為施工提供參考。在斜井開挖施工中，軌道包含臨時(shí)軌道、永久軌道，每根鋼軌對應(yīng)2組防爬設(shè)備，必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加，每對鋼軌有3根軌距拉桿、安全閘等配套設(shè)施，按照規(guī)范將其與軌道同步鋪設(shè)到位。

隨施工進(jìn)程的推進(jìn)，掌子面進(jìn)尺持續(xù)增加，臨時(shí)軌道隨之接長。通過軌距拉桿的應(yīng)用，可有效固定鋼軌的距離，使其可維持穩(wěn)定。應(yīng)取長度為2、4、6 m的鋼軌，經(jīng)組合后共同構(gòu)成軌排，每循環(huán)開挖爆破后，以進(jìn)尺情況為準(zhǔn)，將合適長度的軌排安裝到位。掌子面30 m范圍內(nèi)的區(qū)域，采用臨時(shí)軌道，其他成洞段均使用永久軌道。

軌道道床為整體式道床，完成斜井仰拱的澆筑作業(yè)后，按規(guī)范鋪設(shè)軌枕。為確保軌道穩(wěn)定性，采用Ф22×1 500 mm錨桿，利用該裝置將軌枕錨固至底板基巖處。在井口、井底停車處兩個(gè)區(qū)域分別配套阻車器，可維持礦車運(yùn)行的穩(wěn)定性，以免在絞車系統(tǒng)剎車失靈的情況下出現(xiàn)溜車的情況[2]。

鋼軌級(jí)別為43 kg/m，使用200 mm×160 mm×3 000 mm鋼筋混凝土枕作枕木，按照800 mm的間距標(biāo)準(zhǔn)依次設(shè)置；在地輥處配備16號(hào)槽鋼軌枕，使用適量的螺栓將軌道與鋼枕穩(wěn)定連接，地輥距軌面40 mm。

3.3 測量定位與鉆孔爆破

斜井測量定位工作選用全站儀，在掌子面處架設(shè)儀器，由專員精準(zhǔn)操作。在掌子面后方20 m的位置配套激光定向儀，待其安裝到位后，開啟儀器，準(zhǔn)確掌握激光束的位置。使用全站儀復(fù)核，若存在偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整，直至光束與全站儀放射的點(diǎn)重合為止。確定掌子面的爆破孔孔位，隧道斜井施工現(xiàn)場的坡度較大，常規(guī)的輪式鑿巖臺(tái)車缺乏可行性，不宜作為鉆孔設(shè)備使用[3]。

斜井施工具有較高的難度，人工鉆孔的方式易受到現(xiàn)場空間的限制，鉆孔方向的控制難度較大，若缺乏全方位的控制措施，易出現(xiàn)超欠挖現(xiàn)象。經(jīng)詳細(xì)分析后，提出“定人定位”的方法，根據(jù)斜井施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，固定鉆孔作業(yè)人員的具體工位，各自負(fù)責(zé)自身范圍內(nèi)的控制工作，以規(guī)避質(zhì)量問題。

3.4 檢查工作

斜井的坡度較大，若采用輪式開挖臺(tái)車，難以在斜井上穩(wěn)定行走。在PC160挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在底盤處焊接開挖臺(tái)階，并配套多個(gè)空心圓筒，以便鋼筋穿過。在鋼筋上緊密鋪設(shè)鋼筋格柵，適度綁扎鋼絲，提高整體穩(wěn)定性[4]。

經(jīng)過改裝作業(yè)后，開挖臺(tái)車可根據(jù)需求展開相關(guān)工作，完成相應(yīng)的工作后收攏，按照既定的施工路線駛離斜井施工掌子面，進(jìn)而組織出渣等后續(xù)的工作。在采取該改造方案后，可解決施工受限于現(xiàn)場作業(yè)空間的問題。可引入電力驅(qū)動(dòng)的方式，以提供充足的動(dòng)力支持，在大坡度斜井段仍可正常開挖鉆孔[5]。

3.5 扒渣、出渣

全面檢查軌道、監(jiān)控設(shè)備等相關(guān)設(shè)施后，若無誤應(yīng)啟用挖掘機(jī)，進(jìn)行扒渣，使用礦車裝渣外運(yùn)。全過程中各崗位工作人員密切配合，斜井底信號(hào)工經(jīng)檢查且確認(rèn)無誤后，與斜井口信號(hào)工溝通，發(fā)出開車信號(hào)。在經(jīng)過斜井口信號(hào)工的檢查且確保無誤后，可進(jìn)一步與礦用提升機(jī)司機(jī)取得聯(lián)系，并向其發(fā)出信號(hào)，由其選擇擋位并有序開車，經(jīng)過提升操作后，轉(zhuǎn)至洞外斜渣點(diǎn)。

在礦用提升機(jī)出渣過程中，專職信號(hào)員應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)場情況，積極與斜井底、斜井口的工作人員溝通。在斜井口處配套阻車器，安排專員采取管理措施，正常情況下阻車器呈關(guān)閉的狀態(tài)，存在放車需求時(shí)則開啟[6]。

在車身上配套斷繩脫鉤保險(xiǎn)器，通過該裝置的應(yīng)用，若現(xiàn)場出現(xiàn)斷繩脫鉤的情況，抓鉤可及時(shí)做出響應(yīng)，自動(dòng)下落并鉤住軌枕，以免礦車非正常下滑。洞外設(shè)置有卸渣點(diǎn)，在該處配備裝載機(jī)和自卸車，兩者聯(lián)合作業(yè)，將施工產(chǎn)生的棄渣有序轉(zhuǎn)移至指定的堆放場所。

3.6 初期支護(hù)

出渣后，若現(xiàn)場條件良好，可及時(shí)使用濕式噴漿機(jī)噴漿，在該裝置運(yùn)行期間，機(jī)旁及噴嘴外的粉塵濃度均較低，符合環(huán)保施工的理念，可減輕對現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康的威脅。

濕噴施工的可控性較好，可根據(jù)實(shí)際情況靈活控制水灰比，混凝土的綜合性能較佳，可保證噴射混凝土的質(zhì)量。相關(guān)人員應(yīng)以現(xiàn)場施工需求為準(zhǔn)，由洞外攪拌機(jī)生產(chǎn)混凝土，遵循隨拌隨用原則，及時(shí)轉(zhuǎn)移至施工現(xiàn)場，用于噴射施工。

4 結(jié)語

綜上所述，隧道大坡度斜井的施工具有作業(yè)條件差、干擾因素多、難度高等特點(diǎn)，通過機(jī)械化配套施工技術(shù)的應(yīng)用，可充分發(fā)揮信息技術(shù)的軟件應(yīng)用優(yōu)勢，結(jié)合視頻監(jiān)控設(shè)施等相關(guān)硬件，有效改善作業(yè)環(huán)境，以便在安全的前提下高效施工。通過PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大幅度提高礦井提升機(jī)的運(yùn)行性能，充分彰顯斜井施工的綜合效益，該機(jī)械化配套施工技術(shù)的應(yīng)用效果較佳，具有參考價(jià)值。