躍龍門隧道多功能安裝機快速施工技術研究

劉正龍

新建成蘭鐵路躍龍門隧道穿越我國著名的龍門山山脈，隧道采用雙線分修，左線全長19981m、右線全長20021m，施工組織管理及工期壓力極大，屬控制工期性隧道工程，且由于其地質條件復雜多變導致安全管理風險極高。隧道初支鋼拱架安裝是一個重點工序，尤其是軟弱圍巖條件下人工作業(yè)安全和質量管控難度較大。本文結合躍龍門隧道機械化配置中的多功能鋼拱架安裝機的配置和配套技術研究，可形成“快速”施工機械化作業(yè)的關鍵點，突現(xiàn)多功能、集成化、功效高專業(yè)施工特點。結合現(xiàn)場配套管理及應用效果，優(yōu)勢顯著，可為我國同類型隧道機械化配置配套及施工技術發(fā)展提供有益參考。

一、引言

近些年，隨著我國經(jīng)濟水平的高速發(fā)展，在“一帶一路”的推動下，我國鐵路建設網(wǎng)全面鋪開，尤其是在鐵路隧道建設方面逐漸趨于長大隧道、特長隧道，必然帶動隧道施工專業(yè)機械化設備的飛速發(fā)展。目前，我國的鐵路隧道建設機械化推廣和應用還受軟弱圍巖的局限，多數(shù)施工單位認為機械化設備只適用于中硬質圍巖，軟弱圍巖不可行。

當前，我國鐵路隧道施工方法正處在由分部開挖向全斷面開挖過渡的階段。因為全斷面施工能采用大型高效的機械，工序減少，干擾也比較小，安全性能高；工法的轉變帶動整體機械化設備的專業(yè)水平及配套技術的成熟應用，尤其是鑿巖臺車的“開挖快”、濕噴機械手的“噴砼快”已經(jīng)突顯出絕對優(yōu)勢，隧道施工，尤其是軟弱圍巖施工關鍵就是一個字“快”，鋼拱架安裝機設備的研發(fā)和現(xiàn)場應用，正好彌補了“支護快”這一關鍵環(huán)節(jié)。以下，本文將結合技術研究依托項目，躍龍門隧道的工程建設，詳細介紹隧道機械化配置配套中“快速”機制，并進行深入分析和探討，旨在為我國鐵路隧道機械化施工提供一些有益參考。

圖1 躍龍門隧道（輔助坑道及線路）平面示意圖

二、技術研究依托項目

由中鐵十九局集團負責承建的躍龍門隧道是成蘭線的控制工期性隧道，隧道采用雙線分修，左線長19981m、右線長20042m，隧道最大埋深1440m；全隧采用“1 平導+3 斜井+2 橫洞+2 泄水洞+1 副洞”輔助坑道設計結構；本標段施工成都端左線12685m，右線11156m，平導5735.033m。平導工區(qū)是整個成蘭線施工的控制及重難點工程，隧道施工組、獨頭掘進距離長、反坡排水壓力大、交通運輸及通風排煙難度大。

按照鐵路總公司安全支撐、機械配置高度化指導思想，共配置了阿特拉斯兩臂三臂鑿巖臺車、履帶式扒渣機、鐵建重工濕噴機械手、多功能鋼拱架安裝機、C6 多功能地質鉆機、仰拱多功能移動模板、防水材料及鋼筋施工臺架、全液壓帶逐窗溜槽系統(tǒng)二襯臺車、軌行式水溝電纜槽整體模板臺車等50 多臺配套機械化專業(yè)設備。整體上形成以平導超前掘進為主攻方向，“長隧短打”增開施工作業(yè)面的快速機械化綜合配套隧道施工組織。

三、躍龍門隧道快速機械化的前期配置分析及不足探討

躍龍門隧道在施工前期，機械化配置主要是應用重點在施工組，尤其是“快速開挖”方面，通過配置阿特拉斯鑿巖臺車相較人工鉆爆而言，機械化快速優(yōu)勢極為顯著；隨后相繼配置了濕噴機械手、扒渣機等設備，逐步形成“快速噴砼”作業(yè)形式，但還不能算作全作業(yè)工序的設備配置配套。

1.鑿巖臺車“開挖快”

（1）鑿巖臺車采用的液壓鑿巖機效能遠高于人工風動鑿巖機，大大壓縮了開挖鉆爆的工序時間，從時間上講，時間同等時鑿巖臺車與人工開挖成本基本持平。

（2）從開挖進尺上講，每一循環(huán)進尺鑿巖臺車比人工開挖要長50cm 左右，單孔鉆進時間1-2 分鐘， 鑿巖臺車開挖功效可提高20%左右；鑿巖臺車采用的固定軌道式鉆臂可確保鉆桿鉆進過程中線性穩(wěn)定不變，不受軟硬巖變化、卡鉆、夾鉆等影響；鉆孔質量大大提高，爆破效果極為顯著，見圖2。

圖2 鑿巖臺車快速鉆爆開挖

2.濕噴機械手“噴砼快”

（1）采用混凝土濕噴機械手可配合鑿巖臺車形成“快挖快噴”的機械化施工組合，圖3。

圖3 濕噴機械手快速噴砼封閉施工

濕噴機械手采用機控+無線遙控，最大遙控距離為100m，安全操控性較高；機械手最遠噴射距離為15.3m，最大噴射混凝土30m3/h，功效遠高于人工噴射混凝土12m3/h。

（2）施工完畢后的初支表面圓順平整、受力均勻、整體密實。混凝土回彈量比普通濕噴機小，普通濕噴機混凝土回彈量在15%～25%，機械手可以控制在10%左右。

3.“快挖快噴”機械配置的不足分析

（1）人工安裝“支護慢”：前期隧道施工階段，在隧道支護工序中，鋼拱架安裝采用人工配合作業(yè)臺架施工，這種安裝方式施工人員多、勞動強度大、作業(yè)效率低，且安裝質量較差，施工安全風險較大。

（2）根據(jù)隧道洞周應力演化規(guī)律的研究結果表明，采用及時支護可有效改善洞周應力分布和減少圍巖破碎范圍的發(fā)展，采用人工安裝鋼架和進行支護作業(yè)，時間效應方面存在嚴重的質量安全隱患。

（3）“快挖快噴”大型機械化高效的體現(xiàn)，但隧道是全工序流水線作業(yè)，隨著我國隧道全斷面、兩臺階帶仰拱等大斷面開挖工法的應用，人工支護繼而變成限制機械化發(fā)展的“短板”，同時也局限了大斷面開挖技術的推廣。

綜上所述，鋼拱架安裝的機械化設備發(fā)展勢在必行，并且在功能方面不僅僅局限于鋼拱架安裝，需要呈現(xiàn)出功能多樣化、靈活化方面。

四、躍龍門隧道XZGMT411 多功能鋼拱架安裝機施工配套技術

1. XZGMT411 多功能鋼拱架安裝機設備介紹

XZGMT411 多功能鋼拱架安裝機由四川新筑智能工程裝備制造有限公司研發(fā)制造，可用于隧道工程鋼拱架（工字鋼、H 型鋼、鋼格柵拱架等）的安裝。整機設置3 個鋼拱架安裝機械臂和1 個鑿巖臂，鑿巖臂配置1 臺18kW大功率鑿巖機，可滿足隧道初支系統(tǒng)錨桿、超前支護、鎖腳錨桿（管）的多樣性施工，設備具體參數(shù)詳見表1：

XZGMT411 多功能鋼拱架安裝機技術特點：

（1）整機設計先進：整機采用正T 型結構全工程底盤，四輪驅動；整機模擬工況下最優(yōu)化匹配設計，重心位置佳、通過性好、抗傾覆性強；整機運輸尺寸（長x 寬x 高）9600x2760x3280，滿足整體遠距離運輸。

（2）洞里及形式性能優(yōu)越：采用油電混合雙動力系統(tǒng)，滿足全工況施工要求；三臂前伸行駛，滿足小斷面隧道施工；變速器一鍵式換檔，最大時速20km/h、爬坡度30%，進場、山路轉場輕松快速；離地間隙450mm 通過性優(yōu)越；

（3）作業(yè)功能多用途、幅域大、效率高：滿足隧道鋼拱架安裝并具備安裝錨網(wǎng)、錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測排險等輔助作業(yè)功能；拱架機械手可加裝工作吊籃，三工作臂可單獨或平行作業(yè)，近地面抓取、快捷裝夾、靈活精準。

（4）操作、維護、保養(yǎng)方便：雙無線遙控器操作，工作平臺獨立操控盒，三臂機械手獨立控制，同時工作；整機布置合理，潤滑點集中引出加注。

表1 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機設備參數(shù)表

（5）安全、環(huán)保、節(jié)能：采用低壓控制系統(tǒng)；行車制動采用雙回路液壓制動，安全可靠；國III 電噴柴油發(fā)動機，燃油經(jīng)濟性好，廢氣排放低；IE3 高效三相交流異步電機，高效節(jié)能，低噪音。

圖4 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機現(xiàn)場鋼架施工照片

2. 鋼拱架安裝施工操作要點

（1）鋼架進場擺放：采用測方式裝載機或者自卸車進行鋼拱架的裝運，在卸裝時應提前做好分類，主要將左右兩側預拼鋼架做好分區(qū)擺放，放在掌子面的兩側；應避免野蠻卸車導致鋼架變形無法拼裝。

（2）臺車就位固定：由班組長根據(jù)隧道中線指揮安裝臺車準確就位，同時必須保證就位區(qū)域平穩(wěn)堅硬，一般臺車鉆臂最前端應距離掌子面約5 ～10m（視隧道斷面大小確定）；排險后及時進行測量放樣，可采用工作裝搭載測量人員在掌子面放設鋼拱架測量定位點。

鋼拱架安裝班組配置：班組長1 名，操作手1 名，電焊工（兼輔助工）4 名，合計6 人。

（3）系統(tǒng)錨桿施工：測量放樣完畢后，操作鑿巖臂進行錨桿的鉆進施工，采用工作平臺2 人跟進進行錨桿的安裝固定。

（4）鋼架場地預裝：安排工人2 名，采用固定螺栓將連接板進行拼裝固定，分左右兩段進行預拼安裝，拼接右2 節(jié)A 單元+1 節(jié)B 單元，左邊1 節(jié)A 單元+1 節(jié)B 單元，并采用墊腳撐將鋼拱架水平墊高30cm；同時安排2 名工人做好隧道支護所使用電焊機（至少3 臺）、鎖腳錨管、設備用電等工作。

（5）左右兩臂裝夾：左右拱架臂分別抓取右側2A+1B 和左側1A+1B 段，夾裝固定應牢固；且抓舉范圍內不得有人員靠近。

（6）整體鋼架舉升：操作左右拱架臂分別舉升至兩側初支對應安裝位置，進行空中對接。

（7）空中合攏固定：有班組長進行指揮，2 名工人可直接站在平臺工作臂欄中操作平臺工作臂指導空中合攏操作，鋼架合攏后進行測量點符合，確保安裝進度滿足驗標要求；隨即可通過工作平臺進行鋼拱架的連接板法蘭螺栓、環(huán)向連接筋、鋼筋網(wǎng)片的固定連接施工，或者可采用左右兩臂將夾具更換成工作臂欄加快焊工操作速度；鋼拱架安裝應采用由外而內的順序逐榀施工。

（8）腿腳鎖腳施工：鋼架安裝完畢后應立即進行鎖腳施工，采用鑿巖臂進行鉆孔，有人工配合完成安裝和注漿作業(yè)。

（9）臺車清理撤離：所有施工作業(yè)完畢后，將臺車液壓支腿收攏后撤離。

3.隧道軟巖大變形段“快速支護”應用技術及效果

針對躍龍門隧道軟巖大變形段落施工，總體施工宗旨體現(xiàn)在一個“快”字，確?！伴_挖快、支護快、成環(huán)快”，結合鑿巖臺車、濕噴機械手的高效應用，最大限度縮短整體開挖到成環(huán)時間。

（1）軟巖大變形施工在“快速支護”方面重點控制工序為系統(tǒng)錨桿施工和鋼拱架安裝兩個環(huán)節(jié)，隧道開挖初噴后應立即施作系統(tǒng)錨桿，而后安裝鋼拱架以及超前支護，自帶鑿巖機械臂的多功能鋼拱架安裝機可以“一次就位、三工序銜接”，免去了采用鑿巖臺車設備進出作業(yè)面的調轉時間。

（2）軟巖大變形段機械化施工普遍采用全斷面或兩臺階帶仰拱的大斷面施工方法，相對于傳統(tǒng)的兩臺階、三臺階人工操作而言，鋼拱架A 單元重量（I20b：199kg、HW175：258kg、HW200：384kg），人工安裝需大量體力方可實現(xiàn)，且需要8 ～14 人共同操作，功效低，且安全風險較高。

（3）采用XZGMT411 多功能鋼拱架安裝機進行大變形段H 型鋼進行鋼架安裝，利用其三個可伸縮式機械臂采用電比例控制，能夠靈活、精準、快速實現(xiàn)對拱架的抓舉安裝，三臂可單獨或平行作業(yè)；單臂單臂機械手最大夾持重量1t，作業(yè)高度可達12.8m。

從鋼拱架抓舉、粗調、精調、定位、焊接等總體工序時間約每榀1 小時，較傳統(tǒng)人工整整減少了近8 小時；且該設備采用雙無線遙控器操作，三臂機械手獨立操控，操作人員處于安全區(qū)域，有效避免零散落石的危險。

綜上探討分析，結合躍龍門隧道軟巖大變形施工中機械化配置及應用情況，通過相互協(xié)調配合、優(yōu)勢互補形成“快速”施工，變形控制極其顯著。

五、隧道鋼拱架安裝機配置選型淺析

結合前期市場調研分析，目前在鋼拱架安裝機設備專業(yè)廠家主要有3 家，分別為：北京新能正源環(huán)境科技有限公司、四川新筑智能工程裝備制造有限公司、北京景隆重工機械有限公司，結合我單位躍龍門隧道施工工況及技術要求，分析如下：

1.目前市場中現(xiàn)有鋼拱架安裝機的設備調研分析

（1）北京新能正源環(huán)境科技有限公司生產隧道多功能支護臺車(XM1200)：①臺車配置3 個工作臂其中1 個主抓舉臂和2 個輔助臂，安裝拱架作業(yè)時操作手通過操作位于大臂前段吊籃內的主操作臺進行控制，未配置無線遙控器。輔助臂采用卷揚機抓舉結構角度不靈活，現(xiàn)場拱架安裝精度調整慢，而且卷揚機抓舉鋼絲繩容易斷裂存在安全隱患。②輔助臂未配置鑿巖系統(tǒng)，不能進行錨桿鉆孔作業(yè)，需單獨配置液壓錨桿機。③3#斜井工區(qū)掌子面較多，掌子面距離較長，各掌子面交叉作業(yè)頻繁，履帶式行走較慢，不適合長距離行走，效率低。

（2）北京景隆重工機械有限公司生產的隧道多功能支護臺車(LCM3-120)：①臺車配置3 個工作臂其中1個主抓舉臂和2 個輔助臂，2 個輔助臂分別配置鑿巖機(HYD200)，單根鉆桿4.5 米，施工8 米錨桿和2.5 米鎖腳時需接桿，接桿花費時間較長，成本增加。②臺車安裝拱架作業(yè)時操作手通過操作位于大臂前段吊籃內的主操作臺進行控制，未配置無線遙控器。③臺車底盤采用重汽豪沃，行駛速度最大能達到50km/h，適合長大隧道各掌子面的調轉；但由于隧道內道路坑洼，路面狀況較差，采用汽車底盤后期日常維護保養(yǎng)頻率高且使用壽命短。

2.鋼拱架安裝機配置選型建議原則

根據(jù)前期設備調研及目前現(xiàn)場設備應用情況總結，隧道機械化施工設備的配置應綜合分析，按照“配置配套”的總體思路進行選型，針對鋼拱架安裝機配置選型提出以下幾點建議原則：

（1）隧道開挖斷面及工法：鋼拱架安裝機適用于全斷面及兩臺階大斷面隧道施工，單線小斷面、輔助坑道及三臺階施工不建議使用；同時應根據(jù)實際施工情況合理選擇機械臂數(shù)量配置，目前均為三臂操控，新筑生產的XZGMT411 為四臂單線隧道施工空間受限，可參考XZGT311 三臂型號。

（2）隧道作業(yè)面數(shù)量及施工組織：工程機械底盤和履帶式底盤在隧道施工工況條件下均能滿足復雜環(huán)境，如工作面較多且頻繁調轉建議考慮靈活性較高的工程機械輪式行走臺車，如單工作面且錯車空間較大的作業(yè)面建議采用履帶式機械底盤，因其配重大工作性能穩(wěn)定。

（3）隧道支護參數(shù)及措施：按照鋼架形式、單元重量、錨桿形式及數(shù)量選擇機械臂方案，避免出現(xiàn)“小馬拉大車”的不合理配置。

（4）隧道造價：機械化配置配套設備費用較高，應結合隧道投資造價，綜合分析機械化與人工成本的對比，選擇最優(yōu)經(jīng)濟性方案；但是考慮到“以人為本”的宗旨，鋼拱架安裝機的普及推廣十分必要。

六、結語

以躍龍門隧道工程建設為技術研究依托項目，結合隧道機械化配置配套施工技術研究，針對隧道初期支護中多功能鋼拱架安裝機的設備應用，經(jīng)過現(xiàn)場試驗和經(jīng)驗總結出了一些配套施工技術。本論文旨在通過工程應用和技術研究解決隧道初支“快速”施工問題，其中針對設備管理、使用、配套技術及方案選型等方面進行了探討和研究，其中一些經(jīng)驗及觀點，可供相關技術人員和類似工程建設參考。