大断面隧道机械化施工作业技术研究与应用

王志杰 WANG Zhi-jie

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

0 引言

目前我国基建行业正处于高速发展阶段，尤其是国家高铁网络的建设和运行更是改变了人们的生活与观念，由于我国是一个多山国家，在高铁网络线路建设中难免会穿越各种山岭，因此山岭隧道一直是铁路项目中的重难点。我国当前隧道施工技术还处于“以人为主，机械为辅”的局面，尤其在炮眼开凿、装药、拱架安装、混凝土喷射及二次衬砌施工等方面，还在采用人海战术，不但施工效率低下，而且安全风险也很高，隧道施工中的新技术新设备应用还处于空白阶段。但随着铁路隧道断面越来越大，隧道施工要求越来越高，传统的隧道施工技术已经无法满足未来发展需求。因此为了适应隧道未来的发展趋势，确保隧道施工质量、安全及进度，填补大断面隧道施工机械化作业技术应用的空白，施工单位在宜兴铁路采用机械化配套设备对隧道进行施工，通过现场实际应用得出隧道机械化作业不但减少了对围岩的多次扰动，保证了围岩的整体稳定性，确保了施工安全、降低了施工风险，同时采用也避免了传统的多部开挖工序，能够在超前支护施做的基础上，可完成全断面一次性开挖支护，减少了工序循环时间，有利于施工进度指标提升，降低施工成本。通过现场实际应用，宜兴铁路项目大断面隧道机械化施工作业所涉及的工艺技术在施工中取得很好的效果。

1 目前国内隧道施工状况及未来发展趋势

目前国内隧道以矿山法应用最为广泛，该方法可以在任何地质环境中使用，但该施工方法也存在以下缺点：一是钻爆法各施工工序要求衔接密切，后道工序需及时跟进，并且工序之间干扰影响较大；二是施工效率低，施工进度慢；三是隧道内施工安全风险较大，在施工过程中极易发生塌方、突水突泥等状况，严重影响施工人员的人身安全；四是隧道超欠挖情况较为严重。

随着我国基建行业的迅速发展，隧道施工也迎来一场革命与挑战，必须及时转变隧道工程管理理念：以“机械施工为主、人工施工为辅”，建立“组建一流的管理团队、配置一流的工装设备、采用一流的工艺工法，创一流的施工产品”的指导思想，以隧道全工序机械化施工为基础，实现大断面隧道“快挖、快支、主动支、快封闭”。

2 工程概况

宜兴铁路ZQ-2标线路起止里程DK32+818.45～DK67+702.06，正线全长34.883km，主要工程10桥7隧1车站，桥隧比99.3%，其中隧道工程长度31.1km，主要以Ⅱ、Ⅲ级花岗岩为主，占比达93.8%。标段合同总造价26.15亿元，合同工期60个月。

该项目位于鄂西北山区，工程线路选线高，大小临建、施工便道引入、场站建设困难，线路紧邻三峡水源保护区，环保、水保要求极高。见图1。

图1 Ⅱ级围岩隧道断面结构设计图

3 隧道机械化作业工序及关键施工工艺

3.1 机械化配套施工工艺流程

三臂凿岩机管棚施工→三臂凿岩机开挖钻孔→三臂凿岩机装药、爆破→出渣→三臂凿岩机打设锚杆、锁脚→拱架拼装机安装拱架→湿喷机械手喷射砼→自行式仰拱栈桥仰拱施工→自动化防水板铺挂台车铺设防水板及钢筋绑扎安装→浇筑二衬砼。

3.2 隧道机械化开挖工艺

隧道开挖采用ZYS113智能型三臂凿岩台车，该凿岩台车自带测量系统，操作人员仅需要预埋点于边墙上，间距为每隔20m左右，测量人员对预埋点的坐标进行复核，导入三臂凿岩台车电脑内，三臂凿岩台车根据导入的坐标，通过将提前完成的钻孔参数设计导入驾驶室内车载主控电脑，全智能三臂凿岩台车将按照预设钻孔参数自动工作，每个孔都由程序进行定位、定向和定深度，钻孔参数实时反馈控制，钻孔外偏值由电脑程序设定，钻孔后进行自动验证检查，实现钻孔数量，位置、孔数、角度、深度等参数自动控制，最大限度地减少了超挖和欠挖的发生，确保开孔准确。通过凿岩钻孔参数检测传感器进行反馈状态，自动控制凿岩机防卡钻、防空打、开孔模式等，5m范围的深孔钻进作业可在120s内全部完成，开挖钻孔速度较大提升。见图2、图3。

图2 正洞Ⅱ级围岩开挖爆破参数表

图3 ZYS113智能型三臂凿岩台车

3.3 炮眼装药

清孔及装药利用自带的工作平台及现场增加的工作平台进行，清孔采用空压机喷射法，利用气流吹出孔内渣体。清孔时，孔内渣体要完全清除，以确保孔径和孔深满足施工要求。钻进完成的炮孔应采用抹布或编织袋等进行填塞，防止石子等杂物进入孔内。在装药过程中要注意以下几点：

①在炸药填装前，由专人对炮孔内部进行检查，防止孔内有杂物等。

②每个孔的装药量要严格控制，预先将炸药进行计量分份。

③装药作业应符合下列要求：在装药前，技术人员需与班组长、爆破工等一起对炮眼进行全面检查，对有问题的炮眼需及时进行处理，对不符合要求的炮眼严禁装药，严格注意装药作业面与钻孔作业面之间的安全距离[1]。

④炮孔检查无误后，需按有关规定和设计要求进行装药，装药过程中严格控制装药量、起爆顺序等要求，装药完毕后采用木棍将药卷推进至孔底位置。

3.4 拱架安装

拱架安装采用拱架拼装机进行施工，机械化配套施工是采用机械自带的机械夹手对拱架进行抓取和按照，在安装过程中可利用其灵活性对拱架角度进行调节，位置固定后由工人对拱架之间进行栓接或焊接，从而加快施工进度。与人工作业相比投入人员少，劳动强度低，安全性能高。见图4。

图4 IV级围岩IVK1型衬砌4Φ22格栅钢架断面图

3.5 喷射混凝土

喷射砼采用湿喷机械手进行施工，湿喷机械手作业效率效率可达0.5m3/min，是传统的人工喷射效率的500%，其优势主要有以下几个方面：

①湿喷机械手喷射混凝土速度快。

②湿喷机械手压力大，可提高喷射混凝土密实度，避免人工喷射空洞、强度不达标的缺点，且回弹小。

③操作人员采用遥控器对喷射机械手进行遥控支护，作业面距离人员较远，确保人员安全。

3.6 仰拱施工

仰拱利用自行式液压仰拱栈桥进行施工，自带自动行走装置，不需要装载机等外部动力，安全性好，实用性强；仰拱找栈桥配备仰拱曲模装置，下挂式模板组装方便，仅需一次组装，无需重复，大大降低了工人劳动强度，且定位准确，仰拱施工质量提高，提高了仰拱浇筑工效。

3.7 防水板施工

利用自动化防水板铺挂台车进行施工，避免人工定位及定位不准确的现象发生，避免挂设的防水板松紧不一而导致空洞现象的发生，该防水板台车采用步履式行走，通过L型悬臂，将防水板套在转轴上，通过悬臂的旋转实现铺挂，垂直方向通过液压油缸调整标高，适合各种断面施工，同时铺挂小车上装有微调压紧装置，可以调节防水板与初支面之间的距离，节省人力，铺设方便，便于操作。

防水板间自动热熔焊接用自动双缝热熔焊接机，焊接前应试焊，掌握了合适的焊接温度和速度后进行焊接。在防水板焊接前需将其表面灰尘污渍等清理感觉，每组防水板之间搭接≥150mm，焊接后的焊缝≥15mm[2]。

3.8 二次衬砌施工

在台车就位后测量定位，测量必须要保证隧道净空以及二衬砼面几何尺寸，模板架立时，要测量放线，确定隧道中线及拱顶标高，同时，要按纵坡、横坡控制，防止台车偏位和倾斜，拱顶预留下沉量为5cm。台车尺寸校对完成后，安装台车上的丝杠，对台车进行加固。台车配备混凝土分层布料机，机械操作浇筑口转换，机械完成输料管清洗，实现逐窗分层浇筑，拱部预留注浆孔实现带模注浆功能，提高衬砌施工效率和质量，减少二衬混凝土通病的发生[3]。

4 隧道机械化作业施工工效分析

采用大断面机械化配套设备施工工法，从管理观念上实现了转变，确立了机械代替人工是基础设施建设领域未来发展的必然趋势、是智能化管理施工发展的基础。采用大断面工法施工时，减少了对围岩的多次扰动，施做超前支护措施，保证了围岩的整体稳定性，各工序采用机械化配套设备施工作业，确保了施工安全、降低了施工风险。采用全断面工法施工避免了传统的多部开挖工序，在超前支护施做的基础上，可完成全断面一次性开挖支护，减少了工序循环时间，有利于施工进度指标提升，降低施工成本。

4.1 三臂凿岩台车施工工效分析（双机）

①凿岩台车开挖进度：正洞Ⅲ级围岩平均（最大）月进度：144（169）m，Ⅳ级围岩92（121）m，Ⅴ级围岩65（75）m；相比传统工艺提高40%。

②工序循环时间：双线铁路隧道机械化大断面法施工工点整体循环时间Ⅲ级围岩约12h～18h（进尺3.8～4.0m），Ⅳ级围岩约18h～24h（进尺2.4～3.6m），Ⅴ级围岩约18h～26h（进尺1.2～3.0m）。其中台车定位30min，双机钻孔130min～150min（200-230孔），装药作业约90min～120min，相比传统工艺提高34%。

③人员情况：台车班7人，配合装药8-9人，支护班9人（含3人喷混）。

4.2 其他配套设备工效

①自行式仰拱液压栈桥：长度37m，作业长度24m。无钢筋段6人，每组（12m）2~3天，有钢筋段12人，每组（12m）3~3.5天，相比传统工艺提高43%。

②6m幅宽防水板钢筋台车：长度9.5m，作业长度6m。每班3~4人，每组0.8~1天，相比传统工艺提高29%。

③12m成套技术衬砌模板台车：含作业平台上下通道爬梯总长度16m，作业长度12m。无钢筋段8人，每组2~3天；有钢筋段18人，每组3~3.5天，相比传统工艺提高22%。

5 施工安全质量保障措施

①所有机械设备操作人员必须经专业培训并经考试合格后方可上岗作业，作业前需由项目部进行书面交底。

②施工作业前需由专人检查设备机械结构、电控系统、液压系统、智能系统各部分是否正常，如发现故障，则应排除故障后再进行作业。

③洞内用电必须符合有关规定，所用电力线路必须为合格产品并设置漏电保护装置。

④钻孔过程中操作人员要注意观察掌子面情况，人员维修钻杆等设施时，必须佩戴安全帽，在设备停止运转时进行维修。

6 结束语

通过对大断面隧道施工中的各项工序采用机械化作业，并且在机械化作业中对工序施工技术、工效比等进行认真分析研究，选择合理的参数用于现场施工中，大大加快了施工进度，提高了生产效率，而且减少了人员洞中作业时间，降低了安全施工风险。另一方面也减少了质量管理的环节，实现了施工质量从管理人员操作到直接管理机械设备操作的过渡，施工质量达到明显加强。通过现场实际应用，该项目大断面隧道机械化施工作业所涉及的工艺技术在施工中取得很好的效果，也为后续类似项目尤其是川藏铁路等高海拔地区隧道施工提供了借鉴和参考。