機械化施工在公路隧道安全管理中的應用

藍樹雄　余永盛　黃偉倫

摘要：文章結合堆角隧道工程實例，介紹了三臂鑿巖臺車、濕噴機械手、多功能拱架臺車及其他隧道機械化設備在公路隧道安全管理施工中應用的優(yōu)點，并與傳統施工工法進行對比，從人員投入、工時、質量、安全性等方面分析了機械化施工在公路隧道安全管理中所起到的作用，為同類工程的施工安全管理提供經驗借鑒。

關鍵詞：公路隧道施工;機械化;安全管理

中圖分類號：U455.1A240884

0 引言

公路隧道施工正朝著機械化施工方向發(fā)展，各類機械化施工設備不斷推陳出新。實現施工機械化不僅能從降低施工人員人數、減少施工作業(yè)時間、改善施工作業(yè)方式這幾方面對施工人員提供安全保障，還能保障施工作業(yè)質量，提升結構安全性及耐久安全性[1]。在大跨徑公路隧道施工過程中，新奧法施工理念中充分利用圍巖自穩(wěn)能力與及時支護封閉成環(huán)的觀點，也是保障不良地質段大跨徑公路隧道施工安全的重要手段，而機械化施工的高效則能夠強化開挖支護循環(huán)作業(yè)的連續(xù)性，符合隧道施工早封閉的理念。國內外對隧道機械設備的性能、施工工藝、施工質量等都有深入的研究，本文通過對三臂鑿巖臺車、濕噴機械手、多功能拱架臺車及其他隧道機械化設備在公路隧道施工中對安全管理起到的作用進行研究，為隧道安全管理提供借鑒和參考。

1 工程概況

堆角隧道為雙洞分離式長隧道，位于廣西壯族自治區(qū)百色市榜圩鎮(zhèn)，隧道區(qū)地處低緯度地區(qū)，屬亞熱帶季風性氣候。隧道為雙洞單向三車道，設計長度為1 282 m，設計時速為120 km/h。非加寬段最大開挖寬度為18.48 m，最大開挖高度為12.38 m，斷面尺寸較大，施工難度較高。隧道區(qū)屬構造剝蝕丘陵地貌，山體連綿，地形起伏較大。隧道巖性以粉砂質泥巖、砂巖和泥巖為主，圍巖均為Ⅳ級、Ⅴ級，且存在沖溝、水平巖層等不良地質段，冒頂片幫、涌水突泥風險較高。

根據實際情況，現場投入三臂鑿巖臺車進行不良地質段鉆孔作業(yè);投入濕噴機械手進行噴射混凝土作業(yè);投入拱架臺車進行鋼拱架安裝作業(yè)，力求解決大跨徑隧道施工中風險過高，安全隱患較大的問題。

2 施工機械在隧道安全管理中的應用

2.1 三臂鑿巖臺車

項目采用湖南五新隧道WD310D電腦導向三臂鑿巖臺車。該電腦導向鑿巖臺車可以按照程序預設自動完成如鉆孔定位、鉆進、反饋與調整等一系列工作，也可完成系統錨桿鉆孔安裝作業(yè)，顯著提升施工效率與精度，同時作業(yè)環(huán)境得以改善、勞動強度低。

三臂鑿巖臺車在爆破開挖與錨桿作業(yè)的安全管理方面有如下優(yōu)點。

（1）通過電腦控制系統，輔以現場實際圍巖條件人工調整參數，能根據鉆爆設計精確控制鉆眼角度及深度，避免補炮，節(jié)約工時，提升工序的銜接性，讓斷面更快支護成環(huán)，提升穩(wěn)定性。同時，對比人工操作失誤引起的斷面超欠挖情況，開挖斷面更為均勻，使襯砌支護結構受力更為均勻，提升襯砌結構總體安全性。

（2）鉆孔時通過傳感器反饋自適應控制壓力值，減少鉆具消耗，降低配件成本，減少設備維護耗時而提升工序的銜接性，讓斷面更快支護成環(huán)，提升穩(wěn)定性。

（3）鉆孔過程中設備僅需2人操作，采用全封閉式駕駛室，減少噪音與粉塵的傷害，減少職業(yè)病風險;無須開挖施工人員貼近掌子面施工，避免因排險不當或地質情況較差造成的落石、掉塊風險，同時也避免了使用開挖臺車作業(yè)時的高空作業(yè)風險。

（4）施工速度快，鑿巖效率高，減少施工時間，提升工序的銜接性。

（5）避免人工清孔時孔渣造成的物體打擊風險。

（6）避免傳統風鎬開挖中風水管破損產生的意外，如高壓風管破損造成的物體打擊事故，水管破損漏水導致隧道拱腳下沉等。

（7）避免空壓機設備維護不當等產生的火災、爆炸事故。

2.2 濕噴機械手

濕噴機采用耿力機械GHP3015D工程混凝土濕噴臺車。該濕噴機械手能夠高效進行濕噴作業(yè)，顯著減少混凝土回彈量，并降低粉塵，營造較好的施工環(huán)境。

濕噴機械手在噴射混凝土作業(yè)的安全性方面有如下優(yōu)點：

（1）無須施工人員貼近掌子面施工，同時也避免了使用開挖臺車作業(yè)時的高空作業(yè)風險。

（2）及時高效封閉圍巖，提升工序的銜接性。有效控制圍巖松動變形，保證施工安全，提升斷面穩(wěn)定性、安全性。

（3）濕噴料可精確控制配合比，避免干噴過程中人工拌和操作不當而引起的強度不均、強度不足現象[2]。

（4）采用信號脈沖反饋，對速凝劑流量實時精確控制，使混凝土強度提升更快，更利于提前形成環(huán)向穩(wěn)定結構。

（5）粉塵明顯降低，降低職業(yè)病風險，同時避免因視線不佳產生的意外[3]。

（6）混凝土回彈量較少，減少因處理回彈料而耗費的風險區(qū)域作業(yè)時間。

2.3 多功能拱架臺車

項目計劃引進五新隧裝WXHLC1215多功能拱架臺車，可用于鋼拱架安裝與鋼筋網鋪設、錨桿安裝作業(yè);同時可兼顧質量檢測、風水管安裝、缺陷修復、注漿等多種高空平臺作業(yè)。

多功能拱架臺車在支護作業(yè)安全管理方面有如下優(yōu)點。

（1）配備兩支機械臂和兩個工作平臺，工人離掌子面較遠，避免排險不當或地質情況較差產生的落石、掉塊風險，作業(yè)環(huán)境更加安全，同時也降低了勞動強度。

（2）通過遙控操作，僅需4人即可完成鋼架安裝與鋼筋網鋪設，減少危險作業(yè)面所需的施工人員。

（3）機械化施工提高工作效率，安裝一榀拱架僅需20～30 min，加快工序循環(huán)，提升工序的銜接性，及時封閉成環(huán)，提升安全性。

（4）使用拱架臺車安裝鋼拱架，間距、傾斜度、安裝偏差等指標控制較好，能夠提升鋼架受力性能，提升結構安全性[4]。

2.4 其他機械化設備

此外，項目還投入自行式鋼棧橋、自動防水板鋪掛臺車、液壓襯砌臺車進行襯砌作業(yè)，后期也將會投入電纜溝臺車進行電纜溝槽作業(yè)。以下為這些設備在提升作業(yè)安全性方面的優(yōu)點。

2.4.1 自行式鋼棧橋

（1）保證仰拱施工周期的行人、車輛通行安全，同時保障平行作業(yè)的需求。

（2）保證仰拱填充強度達到規(guī)范要求的100%強度前的車輛通行，保障結構強度。

2.4.2 自動防水板鋪掛臺車

（1）減少人員頻繁上下臺車而導致高空墜落的風險。

（2）鋪掛松弛有度，對比人工操作可更為方便地控制搭接寬度，保證防水板搭接質量，保障結構耐久性。

2.4.3 智能液壓襯砌臺車

（1）液壓支撐約211 m3混凝土，保障澆筑過程的安全，方便調整，保證襯砌厚度。

（2）采用平板振搗器與施工窗口插入式振搗棒結合振搗，避免出現襯砌不密實的現象。

3 傳統施工工法與成套機械化施工對比分析

3.1 施工人員投入對比

以堆角隧道Ⅳ級圍巖臺階法為例。隧道采用傳統風鉆爆破法施工時，按要求掌子面不得超過9人同時作業(yè)，但一循環(huán)上臺階鉆眼需9人同時作業(yè)5 h，為了縮短工期，勞務隊伍會增加作業(yè)人員數量進而縮短作業(yè)時間，加大了安全生產風險。表1為采用傳統風鉆爆破法進行施工，一循環(huán)所需人員數據統計表。

替換成套機械化進行施工，對一循環(huán)所需人員進行統計，收集數據如表2所示。

分析表1、表2，可以得出，采用成套機械化施工可降低隧道施工班組的人數，能夠減少風險區(qū)域的施工人員人數，減少勞務成本，同時降低風險發(fā)生的概率。

3.2 所需工時對比

以開挖至下一次開挖作為一次循環(huán)作業(yè)，對一循環(huán)所需工時進行統計，收集數據如表3所示。

分析表3可知，采用成套機械化施工可降低隧道循環(huán)施工次數，能夠減少每循環(huán)作業(yè)所需時間，提高效率，保證支護作業(yè)的及時性，及時封閉成環(huán)，減少因支護不及時導致的圍巖變形沉降，提升安全性。

3.3 整體質量對比

隧道施工質量是影響隧道施工過程與隧道完工后整體穩(wěn)定性的重要因素。采用成套機械化工藝施工，對比傳統施工方法，能夠更有效地對施工技術規(guī)范與質量標準進行控制。

三臂鑿巖臺車能有效控制隧道超欠挖，保證后續(xù)施工初期支護、二次襯砌厚度，避免拱架因欠挖導致安裝偏位等情況，使襯砌支護按照設計均勻受力，更為穩(wěn)定。

濕噴機械手能夠較好地解決初支空洞這一質量缺陷，確保安全性。

多功能拱架臺車能對拱架的安裝進行精準調整，從而控制拱架間距、傾斜度、安裝偏差，保證保護層厚度，同時也方便進行連接鋼筋的安裝，保障拱架受力合理。

自行式鋼棧橋能保證仰拱回填達到強度后再開發(fā)交通，避免出現開裂等現象，影響結構強度。

防水板臺車能夠較好控制防水板搭接寬度，避免搭接不足導致脫焊現象。

液壓二襯臺車能夠通過充分振搗，確保襯砌背部密實，保證混凝土襯砌整體強度，提升安全性，同時其自身剛性可以保證墻面平整度。

3.4 整體安全性對比

成套機械化隧道施工設備能夠多方位、多角度對隧道施工安全進行保障。

（1）減少危險區(qū)域施工人數，降低管理難度，使作業(yè)人員較為遠離掌子面施工，減少落石、掉塊風險，保障施工環(huán)境的安全性。

（2）提升工作效率，能夠及時、迅速地封閉巖面，支護成環(huán)，有效控制圍巖松動變形，保證施工安全。

（3）降低勞動強度、改善施工環(huán)境，減少施工人員因惡劣環(huán)境高強度施工而引發(fā)的危險。

（4）提升施工質量，提升隧道結構安全性。

4 結語

公路隧道施工通過采用成套機械化設備作業(yè)，不僅能夠有效提升生產效率，節(jié)約人工成本，加快施工流程進度，縮短建設工期，還能有效保障施工過程中的安全，同時保證和提高工程質量，確保工程的結構安全性、耐久性[5]。公路隧道建設應朝著機械化施工方向發(fā)展，在發(fā)展過程中應考慮如雙側壁開挖法中的側導坑這類狹窄作業(yè)場所限制，可往小型化、輕量化、智能化、信息化發(fā)展，同時降低設備成本，提升設備在各種環(huán)境中的適用性、可操作性，以覆蓋更多的公路隧道工程作業(yè)，進而提升公路隧道施工的安全性。

參考文獻

[1]賈志龍.公路隧道施工機械的科學配置探究[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（2）：118-120.

[2]郭海斌.長大隧道混凝土濕噴機配套施工技術[J].山西建筑，2021，47（2）：141-142.

[3]劉吉昌，劉朝陽，王清標，等.長大隧道混凝土濕噴機配套施工技術[J].工程技術，2021，47（20）：112-113.

[4]姜 超，石修燈，路修強，等.拱架臺車的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].建筑機械，2020（9）：12-15.

[5]馬殷軍.山嶺公路隧道機械化施工現狀與展望[J].中國鐵路，2020（12）：150-155.

作者簡介：

藍樹雄（1973—），高級工程師，主要從事公路工程安全管理工作;

余永盛（1997—），助理工程師，主要從事公路工程安全管理工作;

黃偉倫（1995—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作。