大斷面隧道機械化施工作業(yè)技術(shù)研究與應(yīng)用

王志杰 WANG Zhi-jie

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，北京 100855）

0 引言

目前我國基建行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，尤其是國家高鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運行更是改變了人們的生活與觀念，由于我國是一個多山國家，在高鐵網(wǎng)絡(luò)線路建設(shè)中難免會穿越各種山嶺，因此山嶺隧道一直是鐵路項目中的重難點。我國當前隧道施工技術(shù)還處于“以人為主，機械為輔”的局面，尤其在炮眼開鑿、裝藥、拱架安裝、混凝土噴射及二次襯砌施工等方面，還在采用人海戰(zhàn)術(shù)，不但施工效率低下，而且安全風險也很高，隧道施工中的新技術(shù)新設(shè)備應(yīng)用還處于空白階段。但隨著鐵路隧道斷面越來越大，隧道施工要求越來越高，傳統(tǒng)的隧道施工技術(shù)已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展需求。因此為了適應(yīng)隧道未來的發(fā)展趨勢，確保隧道施工質(zhì)量、安全及進度，填補大斷面隧道施工機械化作業(yè)技術(shù)應(yīng)用的空白，施工單位在宜興鐵路采用機械化配套設(shè)備對隧道進行施工，通過現(xiàn)場實際應(yīng)用得出隧道機械化作業(yè)不但減少了對圍巖的多次擾動，保證了圍巖的整體穩(wěn)定性，確保了施工安全、降低了施工風險，同時采用也避免了傳統(tǒng)的多部開挖工序，能夠在超前支護施做的基礎(chǔ)上，可完成全斷面一次性開挖支護，減少了工序循環(huán)時間，有利于施工進度指標提升，降低施工成本。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，宜興鐵路項目大斷面隧道機械化施工作業(yè)所涉及的工藝技術(shù)在施工中取得很好的效果。

1 目前國內(nèi)隧道施工狀況及未來發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)隧道以礦山法應(yīng)用最為廣泛，該方法可以在任何地質(zhì)環(huán)境中使用，但該施工方法也存在以下缺點：一是鉆爆法各施工工序要求銜接密切，后道工序需及時跟進，并且工序之間干擾影響較大；二是施工效率低，施工進度慢；三是隧道內(nèi)施工安全風險較大，在施工過程中極易發(fā)生塌方、突水突泥等狀況，嚴重影響施工人員的人身安全；四是隧道超欠挖情況較為嚴重。

隨著我國基建行業(yè)的迅速發(fā)展，隧道施工也迎來一場革命與挑戰(zhàn)，必須及時轉(zhuǎn)變隧道工程管理理念：以“機械施工為主、人工施工為輔”，建立“組建一流的管理團隊、配置一流的工裝設(shè)備、采用一流的工藝工法，創(chuàng)一流的施工產(chǎn)品”的指導(dǎo)思想，以隧道全工序機械化施工為基礎(chǔ)，實現(xiàn)大斷面隧道“快挖、快支、主動支、快封閉”。

2 工程概況

宜興鐵路ZQ-2標線路起止里程DK32+818.45～DK67+702.06，正線全長34.883km，主要工程10橋7隧1車站，橋隧比99.3%，其中隧道工程長度31.1km，主要以Ⅱ、Ⅲ級花崗巖為主，占比達93.8%。標段合同總造價26.15億元，合同工期60個月。

該項目位于鄂西北山區(qū)，工程線路選線高，大小臨建、施工便道引入、場站建設(shè)困難，線路緊鄰三峽水源保護區(qū)，環(huán)保、水保要求極高。見圖1。

圖1 Ⅱ級圍巖隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 隧道機械化作業(yè)工序及關(guān)鍵施工工藝

3.1 機械化配套施工工藝流程

三臂鑿巖機管棚施工→三臂鑿巖機開挖鉆孔→三臂鑿巖機裝藥、爆破→出渣→三臂鑿巖機打設(shè)錨桿、鎖腳→拱架拼裝機安裝拱架→濕噴機械手噴射砼→自行式仰拱棧橋仰拱施工→自動化防水板鋪掛臺車鋪設(shè)防水板及鋼筋綁扎安裝→澆筑二襯砼。

3.2 隧道機械化開挖工藝

隧道開挖采用ZYS113智能型三臂鑿巖臺車，該鑿巖臺車自帶測量系統(tǒng)，操作人員僅需要預(yù)埋點于邊墻上，間距為每隔20m左右，測量人員對預(yù)埋點的坐標進行復(fù)核，導(dǎo)入三臂鑿巖臺車電腦內(nèi)，三臂鑿巖臺車根據(jù)導(dǎo)入的坐標，通過將提前完成的鉆孔參數(shù)設(shè)計導(dǎo)入駕駛室內(nèi)車載主控電腦，全智能三臂鑿巖臺車將按照預(yù)設(shè)鉆孔參數(shù)自動工作，每個孔都由程序進行定位、定向和定深度，鉆孔參數(shù)實時反饋控制，鉆孔外偏值由電腦程序設(shè)定，鉆孔后進行自動驗證檢查，實現(xiàn)鉆孔數(shù)量，位置、孔數(shù)、角度、深度等參數(shù)自動控制，最大限度地減少了超挖和欠挖的發(fā)生，確保開孔準確。通過鑿巖鉆孔參數(shù)檢測傳感器進行反饋狀態(tài)，自動控制鑿巖機防卡鉆、防空打、開孔模式等，5m范圍的深孔鉆進作業(yè)可在120s內(nèi)全部完成，開挖鉆孔速度較大提升。見圖2、圖3。

圖2 正洞Ⅱ級圍巖開挖爆破參數(shù)表

圖3 ZYS113智能型三臂鑿巖臺車

3.3 炮眼裝藥

清孔及裝藥利用自帶的工作平臺及現(xiàn)場增加的工作平臺進行，清孔采用空壓機噴射法，利用氣流吹出孔內(nèi)渣體。清孔時，孔內(nèi)渣體要完全清除，以確?？讖胶涂咨顫M足施工要求。鉆進完成的炮孔應(yīng)采用抹布或編織袋等進行填塞，防止石子等雜物進入孔內(nèi)。在裝藥過程中要注意以下幾點：

①在炸藥填裝前，由專人對炮孔內(nèi)部進行檢查，防止孔內(nèi)有雜物等。

②每個孔的裝藥量要嚴格控制，預(yù)先將炸藥進行計量分份。

③裝藥作業(yè)應(yīng)符合下列要求：在裝藥前，技術(shù)人員需與班組長、爆破工等一起對炮眼進行全面檢查，對有問題的炮眼需及時進行處理，對不符合要求的炮眼嚴禁裝藥，嚴格注意裝藥作業(yè)面與鉆孔作業(yè)面之間的安全距離[1]。

④炮孔檢查無誤后，需按有關(guān)規(guī)定和設(shè)計要求進行裝藥，裝藥過程中嚴格控制裝藥量、起爆順序等要求，裝藥完畢后采用木棍將藥卷推進至孔底位置。

3.4 拱架安裝

拱架安裝采用拱架拼裝機進行施工，機械化配套施工是采用機械自帶的機械夾手對拱架進行抓取和按照，在安裝過程中可利用其靈活性對拱架角度進行調(diào)節(jié)，位置固定后由工人對拱架之間進行栓接或焊接，從而加快施工進度。與人工作業(yè)相比投入人員少，勞動強度低，安全性能高。見圖4。

圖4 IV級圍巖IVK1型襯砌4Φ22格柵鋼架斷面圖

3.5 噴射混凝土

噴射砼采用濕噴機械手進行施工，濕噴機械手作業(yè)效率效率可達0.5m3/min，是傳統(tǒng)的人工噴射效率的500%，其優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

①濕噴機械手噴射混凝土速度快。

②濕噴機械手壓力大，可提高噴射混凝土密實度，避免人工噴射空洞、強度不達標的缺點，且回彈小。

③操作人員采用遙控器對噴射機械手進行遙控支護，作業(yè)面距離人員較遠，確保人員安全。

3.6 仰拱施工

仰拱利用自行式液壓仰拱棧橋進行施工，自帶自動行走裝置，不需要裝載機等外部動力，安全性好，實用性強；仰拱找棧橋配備仰拱曲模裝置，下掛式模板組裝方便，僅需一次組裝，無需重復(fù)，大大降低了工人勞動強度，且定位準確，仰拱施工質(zhì)量提高，提高了仰拱澆筑工效。

3.7 防水板施工

利用自動化防水板鋪掛臺車進行施工，避免人工定位及定位不準確的現(xiàn)象發(fā)生，避免掛設(shè)的防水板松緊不一而導(dǎo)致空洞現(xiàn)象的發(fā)生，該防水板臺車采用步履式行走，通過L型懸臂，將防水板套在轉(zhuǎn)軸上，通過懸臂的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鋪掛，垂直方向通過液壓油缸調(diào)整標高，適合各種斷面施工，同時鋪掛小車上裝有微調(diào)壓緊裝置，可以調(diào)節(jié)防水板與初支面之間的距離，節(jié)省人力，鋪設(shè)方便，便于操作。

防水板間自動熱熔焊接用自動雙縫熱熔焊接機，焊接前應(yīng)試焊，掌握了合適的焊接溫度和速度后進行焊接。在防水板焊接前需將其表面灰塵污漬等清理感覺，每組防水板之間搭接≥150mm，焊接后的焊縫≥15mm[2]。

3.8 二次襯砌施工

在臺車就位后測量定位，測量必須要保證隧道凈空以及二襯砼面幾何尺寸，模板架立時，要測量放線，確定隧道中線及拱頂標高，同時，要按縱坡、橫坡控制，防止臺車偏位和傾斜，拱頂預(yù)留下沉量為5cm。臺車尺寸校對完成后，安裝臺車上的絲杠，對臺車進行加固。臺車配備混凝土分層布料機，機械操作澆筑口轉(zhuǎn)換，機械完成輸料管清洗，實現(xiàn)逐窗分層澆筑，拱部預(yù)留注漿孔實現(xiàn)帶模注漿功能，提高襯砌施工效率和質(zhì)量，減少二襯混凝土通病的發(fā)生[3]。

4 隧道機械化作業(yè)施工工效分析

采用大斷面機械化配套設(shè)備施工工法，從管理觀念上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，確立了機械代替人工是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢、是智能化管理施工發(fā)展的基礎(chǔ)。采用大斷面工法施工時，減少了對圍巖的多次擾動，施做超前支護措施，保證了圍巖的整體穩(wěn)定性，各工序采用機械化配套設(shè)備施工作業(yè)，確保了施工安全、降低了施工風險。采用全斷面工法施工避免了傳統(tǒng)的多部開挖工序，在超前支護施做的基礎(chǔ)上，可完成全斷面一次性開挖支護，減少了工序循環(huán)時間，有利于施工進度指標提升，降低施工成本。

4.1 三臂鑿巖臺車施工工效分析（雙機）

①鑿巖臺車開挖進度：正洞Ⅲ級圍巖平均（最大）月進度：144（169）m，Ⅳ級圍巖92（121）m，Ⅴ級圍巖65（75）m；相比傳統(tǒng)工藝提高40%。

②工序循環(huán)時間：雙線鐵路隧道機械化大斷面法施工工點整體循環(huán)時間Ⅲ級圍巖約12h～18h（進尺3.8～4.0m），Ⅳ級圍巖約18h～24h（進尺2.4～3.6m），Ⅴ級圍巖約18h～26h（進尺1.2～3.0m）。其中臺車定位30min，雙機鉆孔130min～150min（200-230孔），裝藥作業(yè)約90min～120min，相比傳統(tǒng)工藝提高34%。

③人員情況：臺車班7人，配合裝藥8-9人，支護班9人（含3人噴混）。

4.2 其他配套設(shè)備工效

①自行式仰拱液壓棧橋：長度37m，作業(yè)長度24m。無鋼筋段6人，每組（12m）2~3天，有鋼筋段12人，每組（12m）3~3.5天，相比傳統(tǒng)工藝提高43%。

②6m幅寬防水板鋼筋臺車：長度9.5m，作業(yè)長度6m。每班3~4人，每組0.8~1天，相比傳統(tǒng)工藝提高29%。

③12m成套技術(shù)襯砌模板臺車：含作業(yè)平臺上下通道爬梯總長度16m，作業(yè)長度12m。無鋼筋段8人，每組2~3天；有鋼筋段18人，每組3~3.5天，相比傳統(tǒng)工藝提高22%。

5 施工安全質(zhì)量保障措施

①所有機械設(shè)備操作人員必須經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)并經(jīng)考試合格后方可上崗作業(yè)，作業(yè)前需由項目部進行書面交底。

②施工作業(yè)前需由專人檢查設(shè)備機械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、智能系統(tǒng)各部分是否正常，如發(fā)現(xiàn)故障，則應(yīng)排除故障后再進行作業(yè)。

③洞內(nèi)用電必須符合有關(guān)規(guī)定，所用電力線路必須為合格產(chǎn)品并設(shè)置漏電保護裝置。

④鉆孔過程中操作人員要注意觀察掌子面情況，人員維修鉆桿等設(shè)施時，必須佩戴安全帽，在設(shè)備停止運轉(zhuǎn)時進行維修。

6 結(jié)束語

通過對大斷面隧道施工中的各項工序采用機械化作業(yè)，并且在機械化作業(yè)中對工序施工技術(shù)、工效比等進行認真分析研究，選擇合理的參數(shù)用于現(xiàn)場施工中，大大加快了施工進度，提高了生產(chǎn)效率，而且減少了人員洞中作業(yè)時間，降低了安全施工風險。另一方面也減少了質(zhì)量管理的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了施工質(zhì)量從管理人員操作到直接管理機械設(shè)備操作的過渡，施工質(zhì)量達到明顯加強。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，該項目大斷面隧道機械化施工作業(yè)所涉及的工藝技術(shù)在施工中取得很好的效果，也為后續(xù)類似項目尤其是川藏鐵路等高海拔地區(qū)隧道施工提供了借鑒和參考。