成蘭鐵路隧道施工機械化配套應(yīng)用分析

鮮 國

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

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成蘭鐵路隧道施工機械化配套應(yīng)用分析

鮮 國

(成蘭鐵路有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

通過對成蘭鐵路隧道施工機械化配套的研究，提出了一整套新的施工機械化配套管理思路，有效地控制了施工、質(zhì)量及安全，降低了風(fēng)險，為今后鐵路隧道工程的機械化配套施工提供了參考。

鐵路，隧道，機械化，施工配套

1 工程概況

成蘭鐵路位于四川、甘肅兩省境內(nèi)，處于地震高發(fā)區(qū)，起于成都，經(jīng)什邡、茂縣、松潘至九寨溝，向北延伸連接在建蘭渝鐵路的哈達鋪，全長457.651 km。先期開工的成都至川主寺(黃勝關(guān))試驗段位于四川省境內(nèi)，全長275.8 km，隧道17座/175.524 km，其中最長隧道28.4 km，長度大于20 km的隧道3座，隧道占正線長度的63.64%。

基于成蘭鐵路長隧多、埋深大、軟巖多、地震烈度高、活動斷裂多、地形地質(zhì)條件特別復(fù)雜的特點，成蘭鐵路被路內(nèi)外專家公認(rèn)為目前國內(nèi)已完及在建最難工程之一。經(jīng)風(fēng)險評估成川段17座隧道中Ⅰ級風(fēng)險隧道6座，Ⅱ級風(fēng)險隧道10座，風(fēng)險控制已成為建設(shè)管理的重中之重。如何提高隧道施工的安全性和施工效率，顯得尤為重要。在如此高風(fēng)險的隧道中進行機械化配套施工，近年來已成為業(yè)內(nèi)研究和實踐的熱點[1-9]，以提高效率、降低施工安全風(fēng)險。

2 機械化配套總體原則及具體做法

隧道施工機械化能夠提高施工效率，減少作業(yè)人員的投入，減輕作業(yè)人員的勞動強度，保障施工安全，實現(xiàn)隧道快速施工，初支快速封閉成環(huán)，有利于圍巖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其優(yōu)越性無可厚非。但如何才能在隧道施工中適當(dāng)投入設(shè)備，合理控制設(shè)備投入的規(guī)模，合理有效地進行機械化配套，是隧道施工機械化配套的關(guān)鍵。

2.1 總體原則

研究以不同斷面、不同圍巖、不同工法的機械設(shè)備配套技術(shù),并按不同階段進行配套及比對。

2.2 極高風(fēng)險隧道施工機械化配套

根據(jù)中國鐵路總公司及施工規(guī)范相關(guān)要求，結(jié)合成蘭鐵路現(xiàn)場實際特點，按“35611”模式組織機械化配套施工。即三全“全方位、全過程、全工序”；五性“系統(tǒng)性、技術(shù)性、適應(yīng)性、經(jīng)濟性、先進性”；六點“超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護、開挖作業(yè)、初期支護、仰拱和二次襯砌六個關(guān)鍵點”；一通風(fēng)和一集中。

成蘭鐵路機械化配置配套具體從超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護、開挖作業(yè)、初期支護、仰拱和二次襯砌六個關(guān)鍵作業(yè)線分別形成一條隧道施工機械化作業(yè)線。同時結(jié)合不同圍巖、不同工法及不同斷面，對全線控制工程的柿子園(14 069 m)、躍龍門(20 044 m)、茂縣(9 913 m)、榴桐寨(16 262 m)、平安(28 426 m)和云屯堡(22 923 m)等隧道進行了施工機械化配套研究，提出成蘭線在無軌運輸條件下不同斷面、不同工法三種型式(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級)的機械化配套方案，本文重點針對單線隧道Ⅰ級機械化配置進行研究。

3 隧道機械化設(shè)備配套方案

針對鐵路單線隧道斷面，為保證重點控制工期的極高風(fēng)險隧道按期完工，6座極高風(fēng)險隧道控制工期工作面均按照Ⅰ級機械化設(shè)備配套施工。嚴(yán)格機械設(shè)備管、用、養(yǎng)、修制度，科學(xué)管理，其余按照Ⅱ級進行配置，以達到快速施工的目的。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報作業(yè)線

配置了不同型號進口多功能鉆機，用于超前水平鉆孔，可大大縮短鉆孔時間及增加鉆孔深度，該鉆機配置了電腦監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確設(shè)定鉆孔角度，準(zhǔn)確掌握鉆進深度等信息，其最大鉆孔深度可達200 m,鉆孔直徑64 mm～194 mm，可對開挖掌子面前方進行30 m～150 m的鉆探。每小時可鉆進10 m以上，具有鉆進速度快的優(yōu)點。同時可實現(xiàn)套管作業(yè)，內(nèi)鉆桿和外套管同時鉆進，成孔后可抽出內(nèi)管保留套管，在管棚施工、超前注漿施工中可大大提高施工效率和成孔質(zhì)量，確保前方軟弱圍巖能夠及時得到加固，實現(xiàn)鉆注一體化。

3.2 隧道鉆爆作業(yè)線

在單線隧道鉆爆作業(yè)線，可根據(jù)現(xiàn)場情況采用一臺三臂(兩臂)鑿巖臺車施工。相對于人工手持風(fēng)鉆鉆爆法開挖，鑿巖臺車具有以下優(yōu)點：一是作業(yè)人員投入少；二是作業(yè)效率高，循環(huán)進尺長，三臂(兩臂)鑿巖臺車進行開挖作業(yè)鉆孔時間比人工作業(yè)鉆孔時間節(jié)約2 h左右，每循環(huán)進尺比人工作業(yè)多30%左右；三是輔助設(shè)施少，配套簡單，三臂(兩臂)鑿巖臺車在隧道作業(yè)僅需要配套高壓電及高壓水，減少了空壓機、大容量變壓器、高壓風(fēng)管配置；四是節(jié)能環(huán)保，作業(yè)面能見度高，環(huán)境污染?。辉肼曅?，全斷面施工僅有一臺鑿巖臺車進行鉆孔作業(yè)，而人工風(fēng)鉆鉆孔需18臺氣腿式鑿巖機同時作業(yè)。能耗低，和人工作業(yè)比，減少30%左右用電量；五是安全性高。三臂(兩臂)鑿巖臺車作業(yè)時，作業(yè)人員離掌子面較遠(yuǎn)，掌子面發(fā)生圍巖失穩(wěn)坍塌時，基本不會傷及作業(yè)人員。

3.3 裝碴運輸作業(yè)線

在隧道裝運作業(yè)線，根據(jù)隧道斷面大小和單循環(huán)進尺2.5 m的出碴時間在2 h～3 h左右完成的工序要求，單線隧道或雙車道斜井、橫洞配置1臺VOLVO挖掘機和1臺SEM650裝載機對1臺大型碴車進行雙機裝碴，平導(dǎo)或單車道斜井、橫洞采用一臺312電動挖裝機以加快裝碴速度，節(jié)約循環(huán)時間，碴車為國產(chǎn)紅巖金剛自卸汽車，單車裝碴的時間控制在5 min以內(nèi)。

3.4 噴錨支護作業(yè)線

在隧道噴錨支護作業(yè)線，根據(jù)不同圍巖選取了不同的施工工法：全斷面法、臺階法、臺階法加臨時仰拱(橫撐)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或三臺階七步流水作業(yè)法等。現(xiàn)場配置機械設(shè)備時即考慮了適合全斷面噴射混凝土的阿立瓦濕噴機械手；在臺階法施工時采用機泵分離式的科達KS80+KP25濕噴機械手；針對采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或三臺階七步流水作業(yè)法等小斷面的初期支護作業(yè)選用巖峰小型濕噴機或自行研發(fā)的Superman速噴206噴漿機進行施工。

采用機械手與傳統(tǒng)的小型濕噴機作業(yè)相比，具有以下優(yōu)點：一是人員投入少；二是工作效率高：與傳統(tǒng)的小型濕噴機比作業(yè)效率提高1倍以上；三是安全有保障：采用傳統(tǒng)的小型濕噴機作業(yè)時，作業(yè)人員需要借助作業(yè)臺架進入裸露的圍巖下方作業(yè)，易被拱頂落石傷人，而采用機械手作業(yè)時，借助機械手的長臂，人員及設(shè)備是停留在后方已支護段下方，有安全保障；采用機械手噴混凝土作業(yè)時間短，縮短了開挖后圍巖的暴露時間；四是可保證初支結(jié)構(gòu)的質(zhì)量：采用機械手作業(yè)時，通過精確設(shè)定噴射壓力、噴射量和速凝劑參數(shù)，有效保證了噴射混凝土的強度。同時引進錨桿臺車、管棚鉆機及適合拱頂(預(yù)留核心土)工法施工系統(tǒng)錨桿施工的專用鉆機。

3.5 仰拱填充作業(yè)線

單線隧道施工中，受制于仰拱棧橋橫移空間的限制，采用簡易棧橋和兩套仰拱弧形模架，一次施工仰拱長度為12 m，該形式的棧橋吊裝靈活，結(jié)構(gòu)簡單，加工制作容易。采用仰拱弧形模架可保證襯砌輪廓符合設(shè)計要求，減少作業(yè)人員的勞動強度，保證工程施工質(zhì)量并加快仰拱施工速度。

3.6 二次襯砌作業(yè)線

配置全液壓整體式模板臺車、混凝土輸送泵、混凝土運輸車及混凝土攪拌站進行二次襯砌作業(yè)。模板臺車長12 m，臺車空間大，易于通風(fēng)，配置1臺60 m3/h的混凝土輸送泵，3臺10 m3混凝土輸送車運送混凝土；120 m3/h生產(chǎn)能力的全自動混凝土攪拌站生產(chǎn)混凝土。

為滿足端部中埋式止水帶的安裝要求，采用分塊式鋼端模進行止水帶安裝固定，端模(擋頭模板)分為兩部分加工，靠內(nèi)凈空部分的模板采用螺栓固定在模板臺車上。臺車就位后將支撐千斤頂、加固螺旋頂撐到位后，沿內(nèi)端模安裝環(huán)向中埋式止水帶，再安裝止水帶與初支面(防水板)之間的外端模，最后封堵端模與初支面(防水板)之間的縫隙。操作簡單方便，安裝速度快；便于控制止水帶的中心線，使中心線與施工縫重合，安裝的止水帶圓順、平直，不會發(fā)生扭曲現(xiàn)象。

3.7 隧道施工通風(fēng)、集中加工作業(yè)線

全方位配套了強力通風(fēng)、集中加工兩條配套作業(yè)線，配置全自動化拌合站、洞外工廠化集中加工車間；通風(fēng)作業(yè)線除選用相配套的大功率軸流式風(fēng)機(變頻式長距離通風(fēng)機)外，為解決隧道長距離通風(fēng)問題，研究了新型全隔離式進風(fēng)巷道和大風(fēng)箱的通風(fēng)方案。

4 機械化配置配套實施效果

公司通過按“35611”模式組織機械化配套施工后，在風(fēng)險控制、質(zhì)量控制及提高功效方面取得了實效。

4.1 有效降低掌子面安全突發(fā)事件的發(fā)生

2013年9月29日3時50分，柿子園隧道1號橫洞HD1K0+233.8里程處(埋深44 m)，受曉壩場2號斷層等因素影響，突發(fā)巖溶突水突泥，并持續(xù)發(fā)展，造成地表塌陷，洞內(nèi)持續(xù)涌水，正是基于現(xiàn)場按機械化配套要求施工，避免了人員傷亡安全事故的發(fā)生。

2014年2月24日，躍龍門隧道3號斜井施工至XJ3K1+510時，現(xiàn)場實施超前水平鉆探，累計鉆進52 m時，水量突然增大，有明顯的水壓，水從孔口噴出5 m～6 m，出水量達133 L/s，迅速將掌子面淹沒，由于現(xiàn)場采用了機械化程度較高的鉆孔設(shè)備，給人員安全撤離贏得了時間，避免了人員傷亡安全事故的發(fā)生。

4.2 不同圍巖級別、不同工法條件下的進度指標(biāo)

成蘭鐵路通過機械化配套后施工至今，在輔助坑道，單線，雙線Ⅲ級圍巖全斷面，Ⅳ，Ⅴ級圍巖臺階，Ⅳ，Ⅴ級圍巖三臺階法施工情況下，月平均進度指標(biāo)見表1，均接近或達到Q/CR 9004—2015鐵路工程施工組織設(shè)計規(guī)范要求的指標(biāo)高值，月最高施工進度均達到Q/CR 9004—2015鐵路工程施工組織設(shè)計規(guī)范要求的指標(biāo)高值，并且在安全質(zhì)量方面得到了提升和保證。

表1 不同圍巖級別、不同工法條件下的進度指標(biāo)

5 結(jié)語

本文在其他機械化施工研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了機械化施工，關(guān)鍵需要配套，才能有效發(fā)揮機械化施工的作用，也是降低安全事故的有效途徑。從全方位、全過程、全工序及不同斷面、不同工法推行隧道施工機械化配置配套，是降低鐵路建設(shè)風(fēng)險，順利、成功建設(shè)成蘭鐵路行之有效的手段。然而，由于國內(nèi)目前人工施工成本與機械化施工成本相比較，人工施工成本仍存在著明顯的優(yōu)勢，成為鐵路隧道推行施工機械化的阻力。

施工機械化是提高工效的有效途徑。以前所提的機械化施工主要針對全斷面施工，本文針對臺階法施工提出了機泵分離的濕噴機械手或適合三臺階施工的superman濕噴機；采用調(diào)研煤礦結(jié)合成蘭實際研發(fā)的專用拱部系統(tǒng)錨桿施工機械；在軟巖小斷面開挖中，采用小型挖掘機代替手工開挖，大大提高了隧道的施工工效。

施工機械化是提高隧道工程質(zhì)量的根本。通過在成蘭推行機械化配置配套明顯提高了關(guān)鍵工序的施工質(zhì)量，比如采取多點焊機加工網(wǎng)片，避免了人為操作帶來的漏焊、過焊等質(zhì)量問題；全面推行濕噴機械手，大幅提高了噴射混凝土的施工質(zhì)量，確保了初期支護的強度；通過仰拱弧形模板的采用既解決了仰拱分層施工問題，同時確保了施工質(zhì)量，這些均體現(xiàn)了采用機械化的優(yōu)勢。

鑒于推行機械化存在的諸多問題，我們將根據(jù)成蘭線的特點，同時結(jié)合其他線成功的經(jīng)驗進一步完善機械化配套的研究，使其能發(fā)揮更大的作用。

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Application analysis on construction mechanization in Chengdu-Lanzhou railway tunnel

Xian Guo

(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd,Chengdu610036,China)

Through the research on the mechanization matching of Chengdu-Lanzhou railway construction, this paper proposed a new set of management based on the study of machine configuration during the tunnel construction. The construction process would be safe, qualified. What’s more, the risk for the project might be reduced. It is meaningful for the future railway tunnel engineering.

railway, tunnel, mechanization, construction matching

1009-6825(2016)27-0144-03

2016-07-13

鮮 國(1965- )，男，高級工程師

U455

A