特長隧道機械化配套與快速施工技術(shù)探討

【摘 要】 機械化配套是實現(xiàn)特長隧道快速施工的重要保障，本文以長洪嶺隧道為例，介紹了特長隧道機械化配套及快速施工技術(shù)，為特長隧道快速施工作出了積極有益的探索。

【關(guān)鍵詞】 特長隧道；機械化配套；快速施工

【Abstract】 Mechanized support is an important guarantee for the rapid construction of special long tunnels. In this paper， Changhongling tunnel is taken as an example to introduce the mechanized support and rapid construction technology for the long tunnels， which has made a positive and beneficial exploration for the rapid construction of the long tunnels.

【Key words】 Special long tunnel；Mechanized support；Rapid construction

1、工程概況

（1）新建鐵路渝利線是國家鐵路中長期規(guī)劃的“四橫四縱”中的“一橫”——滬寧漢渝蓉快速客運專線重要組成部分，西起重慶北站，向東途經(jīng)重慶市渝北區(qū)、江北區(qū)、長壽區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣和石柱縣，至湖北省利川市，線路全長260.4Km，設(shè)計時速200Km/h。

（2）渝利鐵路長洪嶺隧道位于中鐵隧道集團有限公司承建的4標(biāo)段，全長13294m，是渝利鐵路全線第二長隧，為全線主要控制性工程之一。其中隧道進口承擔(dān)隧道正洞4700m的施工任務(wù)，土建工程總工期為33.33個月。全隧以Ⅲ級圍巖為主，主要為泥巖，砂巖互層，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)較軟。

2、機械選擇應(yīng)考慮的因素

在特長隧道施工中，機械設(shè)備的配套是實現(xiàn)隧道快速施工的重要途徑。機械設(shè)備的配套，需從工程的總體規(guī)劃考慮，選擇機械設(shè)備時主要應(yīng)綜合考慮以下因素：

（1） 機械配套要以滿足業(yè)主對工程的工期、質(zhì)量、安全、環(huán)保等各項要求為前提，合理進行機械配置以滿足施工需要；

（2） 施工機械應(yīng)與施工環(huán)境、施工方法相配套，機械設(shè)備的選型與配套和施工方法密切相關(guān)。根據(jù)地質(zhì)條件、工期要求，通過比選，確定切合實際機械配套施工方案；

（3） 隧道工程施工機械配套要充分考慮人的因素，勞務(wù)工市場需求旺盛，人工成本越來越高，機械化程度的不斷提高可以較好的解決人工成本居高不下的困境；

（4） 應(yīng)充分考慮施工機械之間的配合及協(xié)調(diào)工作能力，根據(jù)本項目人員的綜合素質(zhì)、管理水平選擇機械，這是一個系統(tǒng)的配套工程，要充分考慮機械到場后的現(xiàn)場可操作性和效率的發(fā)揮程度；

（5） 企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略要求。技術(shù)裝備能力是企業(yè)展示自己重要手段，借助于重點大型工程，提高企業(yè)的裝備能力，既可以加快工程進度，又可以創(chuàng)造企業(yè)信譽，樹立企業(yè)形象，同時也促進了企業(yè)的技術(shù)進步。

3. 隧道施工機械配套技術(shù)

長洪嶺隧道進口施工機械選型經(jīng)過多個方案的比較和篩選，最后采用兩臺TAMROCK三臂鑿巖臺車進行開挖作業(yè)；輪胎式ZL50C裝載機配合大噸位自卸汽車出碴；Sika-PM500PC濕噴機械手進行初支混凝土濕噴作業(yè)；38m可移動式仰拱棧橋進行仰拱施工；兩臺12米液壓襯砌模板臺車進行二次襯砌混凝土施工，并配以地質(zhì)鉆機及TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，組成了隧道機械化施工作業(yè)線。

3.1 開挖施工機械。

3.1.1 鉆孔機械。

（1）長洪嶺隧道進口配置了兩臺TAMROCK三臂液壓鑿巖臺車進行全斷面開挖施工，在地質(zhì)條件允許的范圍內(nèi)鉆孔進尺最大可達5.35m，相比人工開挖循環(huán)最大進尺3.0～3.5m，液壓鑿巖臺車每循環(huán)進尺可達4.5～5.0m，且循環(huán)時間比人工開挖減少1.5小時以上，大大提高了施工速度，為確保工程按期完成提供了先進的設(shè)備保障。

（2）液壓鑿巖臺車的使用，不僅提高了施工進度，更增加了員工作業(yè)安全系數(shù)，改善了工作環(huán)境。臺車操作人員在固定的操作平臺上操作機械，距隧道掌子面約13m的安全距離，視線開闊，易于觀察圍巖的變化情況，加之操作平臺上設(shè)有安全頂棚，從硬件和機械的設(shè)計上增大了操作員工安全系數(shù)。相比于人工開挖噪音大，作業(yè)環(huán)境差的缺點，液壓鑿巖臺車采用人性化設(shè)計，采用電力作動力，清潔環(huán)保，極大地減少了隧道空氣污染和粉塵含量，并大大降低了噪音。

（3）鑿巖臺車電——液控制系統(tǒng)采用PLC可編輯邏輯控制，電信號通過電液比例閥控制終端執(zhí)行機構(gòu)，由此可以使各個鉆進參數(shù)達到最佳，從而達到快速高效精確的控制。通過長洪嶺隧道進口液壓鑿巖臺車鉆爆效果看，光爆效果明顯優(yōu)于人工手持風(fēng)鉆的操作模式，隧道殘眼保存率基本在92%以上，隧道的開挖成型得到保證，從而達到了以質(zhì)量促進效益的最佳效果。

3.1.2 出碴機械。

（1）出碴作業(yè)是隧道施工的一個重要工序，直接關(guān)系著隧道的整體開挖進度。長洪嶺隧道進口配置了雙橋驅(qū)動、載重量在20t以上的大型運輸車輛12臺，購置了廣西柳工和徐州徐工集團生產(chǎn)的ZL50C裝載機3臺，用以進行出碴配套作業(yè)，從出碴機械數(shù)量、質(zhì)量上保證單循環(huán)出碴作業(yè)的順利進行，能夠避免和減少因車輛故障影響洞碴外運。

（2）為了保證快速出碴，要做到爆破前車輛在規(guī)定位置等待，爆破通風(fēng)后，快速進入掌子面出碴。出碴時，采用2臺裝載機同時裝碴（第3臺備用），極大的加快了裝碴速度，12臺出碴車輛連續(xù)出碴，確保出碴時掌子面一直有車等待裝碴，裝載機始終處于工作狀態(tài)，為加快洞身開挖提供保障。

（3）開挖作業(yè)線機械化配套見表1。

3.2 錨噴機械。

錨桿孔采用臺車鉆眼，多功能作業(yè)臺架掛網(wǎng)，擠壓式注漿泵注漿。噴射混凝土采用西班牙制造的Sika-PM500PC濕噴機械手，該設(shè)備可通過操作有線“遙控器”來控制噴射頭進行噴混凝土作業(yè)，噴料速度4～24m3/h，噴射頭上安裝有擺動馬達（可240°擺動）和回轉(zhuǎn)馬達（可360°回轉(zhuǎn)），且機械手的大臂、小臂均能通過液壓驅(qū)動后靈活的轉(zhuǎn)動，噴射范圍較大，施工中噴頭與噴射面之間的角度能夠始終保持在最佳角度。Sika-PM500PC濕噴機采用液態(tài)添加劑計量輸送裝置，能夠精確地控制速凝劑用量，噴頭安裝紅外線距離感應(yīng)器，保證了噴頭到噴射面始終控制在0.8米，有效保證了噴射混凝土質(zhì)量，減少噴射混凝土回彈量，降低了粉塵污染，混凝土的施工質(zhì)量也因此得以保證，成本也得以大幅度降低（錨噴支護機械配套表見表2）。

3.3 仰拱施工機械。

長洪嶺隧道進口采用液壓移動仰拱棧橋，主橋38m，支點間跨度23m，一個循環(huán)最大施工長度20m，可橫向移動和縱向移動，施工方便。該棧橋主梁和橋面采用桁架式結(jié)構(gòu)，減少了自重和結(jié)構(gòu)高度，滿足了通行和橋下作業(yè)凈空要求，實現(xiàn)了仰拱全斷面作業(yè)。移動就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移動就位僅需1小時，提高了仰拱混凝土的施工速度（仰拱施工機械配套表見表3）。

3.4 二次襯砌施工機械。

為加快二次襯砌施工進度，長洪嶺隧道進口采用兩臺長度12m全液壓整體式模板臺車用于二次襯砌施工，隧道二次襯砌所用混凝土來自自建的大型自動計量混凝土拌合站。采用4臺容量8m3的罐式混凝土運輸車和2臺混凝土輸送泵進行混凝土澆筑。同備用兩臺250千瓦發(fā)電機，以防停電（二襯施工機械配套表見表4）。

3.5 超前地質(zhì)鉆孔及預(yù)報設(shè)備。

3.5.1 自行式全液壓旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機。

為了準(zhǔn)確的探明隧道地質(zhì)情況，為隧道快速掘進提供科學(xué)的地質(zhì)依據(jù)，在長洪嶺隧道進口配置日本生產(chǎn)的RPD-150C型自行式全液壓旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機，用以進行超前地質(zhì)探孔，可直接取芯、現(xiàn)場記錄，及時準(zhǔn)確的為施工服務(wù)，以便采取不同技術(shù)措施指導(dǎo)施工生產(chǎn)。

3.5.2 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報。

采用先進的TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，能方便快捷地預(yù)報掌子面前方100～350m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，不僅可以及時地為隧道施工變更施工工藝提供依據(jù)，而且可以減少隧道施工中突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的危險性，為隧道施工提供施工更安全保障。

3.5.3 地質(zhì)雷達。

當(dāng)TSP超前探測發(fā)現(xiàn)有重大異常體地質(zhì)時，采用地質(zhì)雷達超前探測前方約30m范圍內(nèi)的地質(zhì)預(yù)報，進一步確定異常體的規(guī)模、性質(zhì)、危害性。

4. 泥巖、砂巖互層圍巖快速掘進技術(shù)

長洪嶺隧道圍巖主要為泥巖夾砂巖、砂巖，兩者平互層。砂巖的位置、厚度、硬度變化較大，如果開挖時鉆孔、裝藥不合理，可能造成較大的臺階狀的超挖或欠挖。開挖成型很差，對施工安全、施工質(zhì)量、施工進度都可能造成較大的影響。

4.1 開挖方法。

4.1.1 超前探孔。

超前地質(zhì)鉆探作為超前地質(zhì)預(yù)報手段中最直接、最直觀、最有效的一種預(yù)報方法，在長大隧道施工中起著重要的作用。本隧道采用在拱頂部位、拱腰兩側(cè)各取一點作為超前探孔施作點，探孔深度均為5.0m。超前探孔的施作，可以超前準(zhǔn)確預(yù)報出掌子面前方圍巖發(fā)育情況及各種地質(zhì)災(zāi)害，為施工安全提供了有力的保障。

4.1.2 楔形掏槽。

由于本隧道設(shè)計跨度大、凈空高，采用全斷面一次爆破開挖，沒有大的掏槽自由面是很難實現(xiàn)的，施工人員經(jīng)過多次掏槽試驗，最后確定采用復(fù)式楔形斜眼掏槽。第一級掏槽角控制在45°～55°，不宜過大或過小。通常情況下，掏槽眼上下排間距取50～90cm，硬巖取小值，中硬巖取中值，軟巖取大值。同一隧道橫斷面上，一對掏槽眼眼底距離通常取20～30cm。

4.1.3 光面爆破。

采用光面爆破，可以減小對圍巖的破壞，增強圍巖自身的承載能力，要強調(diào)的是，在不良地質(zhì)條件下，更要加強光面爆破，取得良好的爆破效果，規(guī)避二次處理欠挖，避免出現(xiàn)圍巖冒落及塌坍現(xiàn)象。影響光面爆破的因素比較復(fù)雜，除了地質(zhì)條件、鉆孔的準(zhǔn)確性和爆破技術(shù)操作性外，還有光爆層厚度、周邊眼間距、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)以及起爆技術(shù)等。要根據(jù)圍巖地質(zhì)條件，確定合理的光面爆破參數(shù)。

（1）根據(jù)圍巖特點合理的選擇周邊眼間距和最小抵抗線，在硬巖處必須縮小周邊眼間距，增加藥量。

（2）減小二圈眼裝藥量。二圈眼距離輪廓線很近，過大的裝藥量可能使光爆層發(fā)生超爆甚至圍巖松動，因此，減小二圈眼藥量使十分必要的。

（3）采用毫秒微差有序起爆，創(chuàng)造良好的臨空面。

（4）加強操作人員技能培訓(xùn)，提高其鉆孔和爆破實際操作能力。

4.2 初期支護。

（1）噴射混凝土。

爆破后，立即對暴露面進行初噴（素混凝土），噴層厚3cm～5cm，以盡快的速度及早對圍巖進行封閉。待下一循環(huán)前，在施作了錨桿、鋼筋網(wǎng)片后再復(fù)噴，噴層厚度不小于12 crn。

（2）錨桿及鋼筋網(wǎng)。

系統(tǒng)錨桿的施作可以增加層面問的抗剪強度和摩擦力，向圍巖施加徑向壓力形成承載拱，可以減少圍巖變形，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。錨桿的鉆進方向必須是垂直掌子面巖層面，施工中，拱部采用22中空注漿錨桿，邊墻采用砂漿錨桿。錨桿施工后掛設(shè)6mm鋼筋網(wǎng)片。

5. 仰拱及二次襯砌快速施工

（1）施工實踐及測量資料證明，仰拱封閉前圍巖收斂變形較大，且發(fā)展速度快，很難穩(wěn)定，而施作了仰拱后，圍巖與支護很快趨于穩(wěn)定，可見仰拱及時封閉是關(guān)鍵。為了加快仰拱施工速度，在原有一座液壓棧橋的基礎(chǔ)上，又增加一座16m長自制移動棧橋，通過采用上述措施，既確保了安全，又保證了進度指標(biāo)的實現(xiàn)。

（2）長洪嶺隧道圍巖主要為泥巖夾砂巖，但泥巖遇水易軟化，初期支護后拱頂仍有掉塊及坍塌的可能性，及時進行二次襯砌施工顯得尤為重要。二次襯砌采用整體式模板臺車襯砌，混凝土集中拌和，輸送泵輸送，泵送入模。在圍巖變形發(fā)展加快或不穩(wěn)定，出現(xiàn)安全隱患的情況下，采取襯砌緊跟的措施，以確保隧道施工安全。

6. 施工通風(fēng)

搞好隧道通風(fēng)，改善作業(yè)環(huán)境，是實現(xiàn)隧道快速施工的必要條件。根據(jù)總體工期安排，長洪嶺隧道進口獨頭掘進4700m，通風(fēng)質(zhì)量尤為關(guān)鍵。根據(jù)精確論證，風(fēng)機選用高風(fēng)壓、大風(fēng)量的雙級SDF（C）-No12.5型軸流風(fēng)機。通風(fēng)管采用PVC增強維綸面制成的柔性風(fēng)管，有優(yōu)良的阻燃的抗靜電性能，節(jié)長一般在20～50m。施工中，根據(jù)通風(fēng)效果及時調(diào)整風(fēng)機數(shù)量，及時調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速，采用低速、中速或高速，在保證施工通風(fēng)效果的前提下，達到節(jié)約用電的目的。

7. 幾點創(chuàng)新點

（1）運用TSP203、地質(zhì)雷達并結(jié)合超前探孔等超前預(yù)報手段，總結(jié)出了一套針對高風(fēng)險隧道的超前地質(zhì)預(yù)報方法，對指導(dǎo)隧道施工起到了重要的作用，有效的減小了地質(zhì)災(zāi)害對隧道施工的影響，確保施工安全。

（2）針對泥巖、砂巖互層，水平巖層發(fā)育等地質(zhì)特性，在施工中不斷地總結(jié)，并通過現(xiàn)場不斷優(yōu)化，形成了一套適合于大斷面特長隧道水平巖層快速施工的工藝。

（3）通過采用液壓鑿巖臺車、混凝土濕噴機械手、液壓移動棧橋等先進的施工設(shè)備，實現(xiàn)了鐵路單線特長隧道的快速掘進，為特長鐵路隧道的機械化配套施工做出了有益的探索和實踐。

（4）人員安全定位系統(tǒng)，為了確保施工安全，強化對現(xiàn)場施工情況的動態(tài)控制，全面提高項目施工生產(chǎn)和安全管理的綜合水平，項目引進電子屏顯示和系統(tǒng)安全定位系統(tǒng)，可以自動統(tǒng)計隧道內(nèi)作業(yè)人員的進出時間，隨時反映隧道內(nèi)人員和機械的運行情況，極大提高了安全生產(chǎn)防控能力。

8. 經(jīng)驗與體會

（1） 特長鐵路隧道施工機械的選型配套，不僅要體現(xiàn)設(shè)備的先進性和穩(wěn)定性， 更要體現(xiàn)配套的合理性，應(yīng)著眼于機械配套后綜合作業(yè)能力的提高，盡量使各工序、各環(huán)節(jié)的作業(yè)效率相匹配，充分發(fā)揮機械化的整體性能。

（2）開挖成形光爆效果對隧道的初期支護及二次襯砌質(zhì)量有著直接影響，關(guān)系著整個項目的效益，必須嚴(yán)抓不放。

（3）與傳統(tǒng)人工開挖單價相比，機械化開挖單價指標(biāo)偏高，進度提升是降低開挖成本的重要手段；一般人工開挖進度指標(biāo)在150～180m/月，機械化施工能夠達到250～350/月之間，綜合成本大為降低，有利于機械化施工的大力推廣。

（4）搞好文明施工，創(chuàng)造良好的施工作業(yè)環(huán)境是實現(xiàn)快速施工的前提。良好的工作環(huán)境，既能激發(fā)職工的勞動潛力，又能提高工作效率。

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[文章編號] 1619-2737（2018）02-06-787

[作者簡介] 余清華（1971.2.28-），男，職稱：中級工程師（2004年），工作單位：中鐵隧道局集團有限公司，2003年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院（大專），專業(yè)：工程造價，2015年畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)（本科），專業(yè)：工程造價。