公路隧道機(jī)械化配套快速施工技術(shù)探討

劉澤陽(yáng)

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北武漢 430060）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)的公路網(wǎng)正在持續(xù)擴(kuò)大，大長(zhǎng)隧道的施工也很普遍。此時(shí)，要想提升隧道的施工質(zhì)量與效率，就必須打造機(jī)械化施工模式，做好相關(guān)的機(jī)械化配套工作，在降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)還能改善隧道施工環(huán)境，同時(shí)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也可得到改善。整體來(lái)說(shuō)，隧道的機(jī)械化作業(yè)已經(jīng)是今后的隧道施工技術(shù)主流。

1 工程概況

以烏魯木齊繞城高速公路為例，該項(xiàng)目具有重要的戰(zhàn)略意義，不僅是國(guó)家高速公路網(wǎng)西部區(qū)域的重要組成部分，同時(shí)還是“三橫兩縱兩環(huán)八通道”的重要一環(huán)。項(xiàng)目涉及到隧道施工，葛家溝隧道長(zhǎng)度達(dá)1452.5 m，所在區(qū)域?yàn)榈湫偷臇|山斷層破碎帶地形，整體來(lái)說(shuō)地質(zhì)條件復(fù)雜，伴隨有明顯的大跨度、大開挖特點(diǎn)，而這均是施工中的難點(diǎn)內(nèi)容。

2 機(jī)械配套原則及方案

2.1 機(jī)械配套原則

（1）應(yīng)對(duì)施工實(shí)際需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上做好機(jī)械配置工作。在當(dāng)前的隧道施工作業(yè)中，多以大型機(jī)械為主，但如果隧道需要進(jìn)行分布開挖，此時(shí)所能允許的機(jī)械操作空間相對(duì)狹小，因此大型機(jī)械依然停留在全斷面施工階段?？傮w來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)備的配置應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境形成相協(xié)調(diào)的關(guān)系，由此在最大限度上發(fā)揮出設(shè)備的作業(yè)效率。

（2）引入的所有機(jī)械設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，只有各機(jī)械設(shè)備之間形成良好的配合，才能創(chuàng)造更高的施工效率。對(duì)此，應(yīng)確定合理的施工工序，只有工序足夠合理，才能夠提升設(shè)備之間的協(xié)作能力[1]。

（3）綜合考慮工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)的要求，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)械配置。盡管部分機(jī)械能夠帶來(lái)更高效的施工效率，但工程成本對(duì)其產(chǎn)生了制約作用，此時(shí)應(yīng)選用低成本、高效率的設(shè)備。機(jī)械設(shè)備應(yīng)具有一定的自動(dòng)化水平，同時(shí)滿足低能耗施工的基本需求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、效率3方面因素，確定最適宜工程實(shí)況的機(jī)械設(shè)備。

（4）確保施工質(zhì)量，做好安全保障工作。設(shè)備需要交由專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操縱，但縱觀當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀可知，多數(shù)操作人員對(duì)設(shè)備作業(yè)的重視程度不足，一方面存在技術(shù)的缺失，另一方面則是工作態(tài)度的問(wèn)題。在此背景下，即便引入了高效的機(jī)械設(shè)備，也無(wú)法將其施工效率發(fā)揮到最大水平。

2.2 機(jī)械化配套方案

考慮到隧道的實(shí)際特點(diǎn)，綜合分析合同工期的要求，對(duì)隧道進(jìn)出口作業(yè)區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)械化配套，具體圍繞開挖、混凝土噴射、仰拱以及襯砌這4大施工環(huán)節(jié)而展開。

（1）開挖環(huán)節(jié)，引入2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車，由此完成鉆孔處理，為后續(xù)的光面爆破創(chuàng)設(shè)條件。

（2）噴錨環(huán)節(jié)而言，引入三臂鑿巖臺(tái)車，由此完成錨桿鉆孔處理，而后使用濕噴射混凝土機(jī)械手進(jìn)行施工作業(yè)。

（3）仰拱環(huán)節(jié)，引入自行式移動(dòng)棧橋，在此基礎(chǔ)上綜合使用自行式仰拱移動(dòng)邊模，在其協(xié)同配合下完成仰拱施工。

3 機(jī)械化配套快速施工技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

工程選用了型號(hào)為JXU—1000的鉆機(jī)（圖1）。此設(shè)備具有高度的可操縱性，它可以在施工中更換不同功能的動(dòng)力頭，由此具有針對(duì)性地對(duì)錨桿、鉆探、注漿等環(huán)節(jié)進(jìn)行施工。鉆機(jī)可以對(duì)鉆孔出水情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)鉆進(jìn)壓力以及速度進(jìn)行合理的調(diào)整，同時(shí)對(duì)前方施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件做以預(yù)測(cè)，對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)距離可達(dá)到30 m。

3.2 開挖作業(yè)

圖1 JXU—1000鉆機(jī)

基于光面爆破的方式完成隧道開挖作業(yè)，相較于傳統(tǒng)的人工手持風(fēng)槍鉆孔作業(yè)方式而言，此處的炮眼施工具有一定的特殊性，即引入了三臂鑿巖臺(tái)車（圖2）。此設(shè)備對(duì)于長(zhǎng)隧道而言具有較高的適用性，所創(chuàng)造的鉆進(jìn)效率高，同時(shí)具有低噪聲、低污染的特點(diǎn)。鉆孔施工時(shí)應(yīng)遵循底板眼、周邊眼、輔助眼、掏槽眼的基本作業(yè)順序，當(dāng)完成斷面施工后應(yīng)形成154個(gè)鉆孔。其中任何一個(gè)鉆孔的深度都應(yīng)達(dá)到4 m，單孔所需的作業(yè)時(shí)間（2～3）min。結(jié)束鉆孔作業(yè)后便可進(jìn)行人工裝藥，由于采用的是機(jī)械鉆孔的方式，因此整個(gè)環(huán)節(jié)所需的施工時(shí)間較少，能夠確保爆破輪廓線的準(zhǔn)確性。

圖2 三臂鑿巖臺(tái)車

3.3 初支作業(yè)

在進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)時(shí)，宜選用多功能立架臺(tái)車，此設(shè)備共設(shè)有3層，由此可以提升鋼拱架施作業(yè)的靈活度。基于提升初支噴混凝土效率的目的，工程引入了型號(hào)為GSP-D的濕噴機(jī)，此設(shè)備可以自動(dòng)對(duì)確定合適的材料配合比，而后進(jìn)行均勻攪拌，在運(yùn)輸罐車的作用下將材料輸送至指定施工地點(diǎn)，而后注入噴射機(jī)中，在機(jī)泵的作用下將材料推送到噴頭部位，此時(shí)受電腦自動(dòng)化程序的指導(dǎo)便可完成高壓噴射施工。所選用的濕噴機(jī)可以靈活地進(jìn)行移動(dòng)，兼泵送、噴射于一體，所能創(chuàng)造的最大噴射高度達(dá)到17.5 m，對(duì)應(yīng)寬度上限為31.4 m，因此作業(yè)范圍極廣?；跐駠姍C(jī)作業(yè)的方式，能夠顯著緩解噴漿作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)能夠提升混凝土的密實(shí)性與粘結(jié)水平[2]。

3.4 仰拱作業(yè)

應(yīng)及時(shí)進(jìn)行仰拱混凝土施工，盡可能縮短中間空檔時(shí)間，使其盡早閉合成環(huán)。當(dāng)完成施工后支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行開挖作業(yè)，而后進(jìn)行灌注仰拱混凝土施工?；跍p少施工干擾，提升掌子面掘進(jìn)效率的目的，工程選用了液壓棧橋，通過(guò)全自動(dòng)化的方式能夠提升現(xiàn)場(chǎng)的交通運(yùn)輸能力，此時(shí)不會(huì)對(duì)仰拱澆筑作業(yè)造成影響，確保掌子面前方能夠進(jìn)行正常的機(jī)械通行。

4 施工效率分析

4.1 三臂鑿巖臺(tái)車施工工效

如果只選用三臂鑿巖臺(tái)車，顯然無(wú)法達(dá)到預(yù)期施工要求，此時(shí)有必要對(duì)該設(shè)備的工效進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，單臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車所能創(chuàng)造的效率較高，相當(dāng)于傳統(tǒng)方式7個(gè)人的效率，但依然未達(dá)到高效掘進(jìn)的要求。之所以出現(xiàn)此現(xiàn)象，是因?yàn)樵O(shè)備單次成孔數(shù)量?jī)H為3個(gè)，同時(shí)在成孔后還需要對(duì)其位置進(jìn)行調(diào)整，此過(guò)程將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，因此最終的效率與7人鉆進(jìn)幾乎相當(dāng)。通過(guò)調(diào)配后，單洞配備了2臺(tái)設(shè)備，能夠縮短38%的時(shí)間。出于成本控制的考慮，應(yīng)將左右洞室的鉆孔時(shí)間進(jìn)行錯(cuò)調(diào)，確保2臺(tái)設(shè)備能夠同時(shí)服務(wù)于同一洞內(nèi)施工，此時(shí)進(jìn)尺深度得到提升，由原132 m上升到144 m。

表1 三臂鑿巖臺(tái)車施工功效分析

4.2 濕噴機(jī)械

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析可知，盡管引入了單臺(tái)濕噴機(jī)械手，但工作效率依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，當(dāng)引入2臺(tái)相同設(shè)備進(jìn)行同時(shí)作業(yè)后，此時(shí)所需的施工時(shí)間縮短至3 h，相比以往單臺(tái)設(shè)備作業(yè)方式，縮減了2 h。當(dāng)利用濕噴機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)時(shí)，對(duì)混凝土產(chǎn)生的回彈率進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果為10%左右，由此可知，基于此方式能夠?qū)貜棳F(xiàn)象進(jìn)行良好控制。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)施工耗時(shí)

在進(jìn)行初期支護(hù)開挖作業(yè)時(shí)，對(duì)其單個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)單次進(jìn)尺為3.6 m時(shí)，對(duì)應(yīng)所需的時(shí)間為970 min。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，將單月進(jìn)尺設(shè)定為30 d，基于下述資源配置方式可以創(chuàng)造的開挖深度達(dá)161 m。以三臂鑿巖臺(tái)車為主，在此基礎(chǔ)上引入了濕噴機(jī)械手以及仰拱棧橋等設(shè)備，通過(guò)彼此之間的協(xié)同作業(yè)下，對(duì)于單個(gè)循環(huán)為3.6 m的施工要求而言，月進(jìn)尺深度達(dá)到了161 m，這對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖工程而言表現(xiàn)出高度的效益性。

4.4 環(huán)保功效

工程引入了濕噴機(jī)械設(shè)備，在進(jìn)行噴錨作業(yè)時(shí)可以顯著降低區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度。相較于干噴混土方式而言，全新方式下對(duì)應(yīng)的呼吸粉塵量由原來(lái)的21.7 mg/m大幅縮減至0.4 mg/m。此外全塵也已經(jīng)降低到1.5 mg/m。噴射混凝土施工時(shí)均以電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，整個(gè)過(guò)程不存在尾氣排放問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)對(duì)掌子面的穩(wěn)定性造成影響，設(shè)備的安全性極高，所創(chuàng)造的施工效率優(yōu)良，充分彰顯了“安全快速，以人為本”的核心工程理念。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐證明可知，在進(jìn)行隧道施工時(shí)，做好機(jī)械設(shè)備的配套工作可以顯著提升施工效率，為隧道施工營(yíng)造安全穩(wěn)定的環(huán)境，有助于安全管理工作的展開。總體來(lái)說(shuō)，機(jī)械化配套的合理性對(duì)于隧道工程的開展具有積極意義。