全工序機(jī)械化大斷面法施工技術(shù)研究

趙建岐

【摘要】本文結(jié)合鄭萬某隧道采用Ⅱ型機(jī)械化配置施工的案例，從工藝流程和操作要點(diǎn)等方面總結(jié)了大斷面超前預(yù)加固技術(shù)、機(jī)械化大斷面快速開挖技術(shù)、機(jī)械化大斷面初期支護(hù)施工技術(shù)，重點(diǎn)介紹了機(jī)械化裝藥技術(shù)如何從真正意義上實現(xiàn)了隧道全工序機(jī)械化施工。

【關(guān)鍵詞】山嶺隧道;全工序;快速開挖;機(jī)械化裝藥

1.引言

在人員匱乏與技術(shù)難題的雙重作用下，隧道施工由傳統(tǒng)人工作業(yè)向機(jī)械化智能化方向轉(zhuǎn)變，如何實現(xiàn)無人化、少人化已成為當(dāng)下亟待解決的難題。隧道作為一個系統(tǒng)工程，無論從設(shè)計理論[1～2]、施工工法[3]、支護(hù)形式[4]、裝備配套[5]還是風(fēng)險管控等方面均需深入研究。因此，亟待提出一套適合中國國情的隧道建設(shè)理論和隧道建造方法。

目前，山嶺隧道智能化建造[6]目前主要處于機(jī)械化大斷面法建造階段和智能設(shè)備及工裝開發(fā)階段。機(jī)械化大斷面法建造體系是結(jié)合了鄭萬高鐵機(jī)械化施工的成功經(jīng)驗，將大斷面法施工與機(jī)械化作業(yè)形成了一套施工工法體系[7～10]。張丕界[11]西（安）南（京）鐵路桃花鋪2#隧道工程探討了單線長大隧道鉆爆法開挖機(jī)械設(shè)備選型與配套技術(shù)，認(rèn)為機(jī)械化施工是未來隧道施工的發(fā)展方向，對于長大隧道施工，機(jī)械設(shè)備的選型及配套是其成敗的最主要因素之一，選擇時要因地制宜，結(jié)合具體情況綜合考慮;王磊[12]闡述了長大隧道機(jī)械化配套原則、各條作業(yè)線配套的基本模式及保障措施，強(qiáng)調(diào)了機(jī)械設(shè)備的選型和配套的重要性。

以上文獻(xiàn)主要從設(shè)備配置、支護(hù)理論、設(shè)計方法等方面展開研究，本文結(jié)合鄭萬某隧道采用Ⅱ型機(jī)械化配置施工，從工藝流程和操作要點(diǎn)等方面總結(jié)了機(jī)械化大斷面超前預(yù)加固技術(shù)、機(jī)械化大斷面快速開挖技術(shù)、機(jī)械化大斷面初期支護(hù)施工技術(shù)、機(jī)械化大斷面防排水施工技術(shù)和機(jī)械化大斷面襯砌施工技術(shù)。

2. 機(jī)械化大斷面超前預(yù)加固施工技術(shù)

掌子面穩(wěn)定性問題是軟弱圍巖隧道施工過程中最突出的問題之一。

2.1? 超前管棚（小導(dǎo)管）

2.1.1 工藝流程

圖1? 施工工藝流程

2.1.2 操作要點(diǎn)

鉆孔作業(yè)前采用噴射混凝土封閉掌子面作為止?jié){墻措施，封閉厚度4～6cm。管棚（小導(dǎo)管）安裝利用三臂鑿巖臺車自帶吊籃作為安裝平臺，每根管棚由3m、6m三個節(jié)段組裝而成，兩段之間采用絲扣連接;管棚單雙序號的連接絲扣錯開半個節(jié)長，管棚（小導(dǎo)管）底部安裝排氣管;注漿作業(yè)采用注漿單元向孔內(nèi)注漿，順序從下而上，跳孔注漿，注漿壓力 0.5～1.0MPa。超前小導(dǎo)管采用鑿巖臺車鉆孔時，超前小導(dǎo)管角度不大于10°，搭接長度不小于1m;超前管棚宜在立架前施工，采用鑿巖臺車鉆孔時，管棚角度不大于15°，管棚搭接長度不小于3m。

2.2? 掌子面錨桿

在軟巖大斷面隧道開挖過程中，超前玻璃纖維錨桿及注漿均能顯著提高核心土自身的強(qiáng)度和剛度，大大減小塑性區(qū)的深度。玻璃纖維錨桿注漿有對巖體的改良效果更能控制掌子面的擠出位移，更有效地減小超前核心圍巖塑性區(qū)的深度和范圍。

2.2.1 工藝流程

圖2? 施工工藝流程

2.1.2 操作要點(diǎn)

根據(jù)掌子面穩(wěn)定性評價結(jié)果，選取對應(yīng)的掌子面纖維錨桿注漿加固措施，繪制纖維錨桿注漿加固設(shè)計圖。注漿作業(yè)采用注漿單元現(xiàn)場注漿，注漿材料采用普通水泥單液漿或普通水泥-水玻璃雙液漿。漿液配比，普通水泥單液漿： W：C= （0.6～0.8） ：1;普通水泥-水玻璃雙液漿W：C=1：1，C：S=1：1，注漿壓力控制在 2～3MPa。

2.3? 掌子面封閉

隧道掌子面進(jìn)行錨噴支護(hù)加固措施，對減小隧道掌子面的擠出位移作用效果明顯。同時，通過適當(dāng)優(yōu)化施工工序，加快隧道斷面閉合時間，加強(qiáng)監(jiān)控量測，確保掌子面穩(wěn)定。

2.3.1 工藝流程

圖3? 施工工藝流程

2.3.2 操作要點(diǎn)

（1）施工準(zhǔn)備

噴射作業(yè)應(yīng)認(rèn)真清除受噴面上浮土，回彈物等松散積料，用高風(fēng)吹凈，調(diào)整濕噴機(jī)械手的風(fēng)壓、水壓，做好準(zhǔn)備;Ⅳ級圍巖掌子面噴砼厚度4cm，V級圍巖段掌子面噴砼厚度6cm。

（2）掌子面封閉噴漿

采用C25鋼纖維噴射混凝土封閉掌子面，見圖4，噴射作業(yè)應(yīng)分層、分段、分片依次進(jìn)行，噴射順序應(yīng)由下而上移動。

3.? 機(jī)械化大斷面開挖施工技術(shù)

3.1? 工藝流程

如圖4。

3.2? 操作要點(diǎn)

根據(jù)圍巖分級結(jié)果，選擇全斷面或微臺階法。

3.2.1臺車定位

臺車在進(jìn)行襯砌工作前，必須要對臺車進(jìn)行定位，使臺車輪廓斷面尺寸與要求尺寸一致。

3.2.2導(dǎo)入鉆爆參數(shù)

根據(jù)不同圍巖，采用Temviewer軟件繪制炮眼布置圖，計算單孔裝藥集中度、裝藥系數(shù)等鉆爆參數(shù)，導(dǎo)入三臂鑿巖臺車系統(tǒng)。

3.2.3臺車鉆孔

為充分發(fā)揮六個機(jī)械臂的效率，避免機(jī)械臂碰撞，系統(tǒng)根據(jù)炮眼布置圖，自動分配6個機(jī)械臂的工作范圍和鉆孔順序。

3.2.4 機(jī)械化裝藥及爆破

（1）裝藥器就位。鉆孔完畢后，裝藥器就位，與鑿巖臺車水電連通。

（2）炸藥入箱，清洗潤滑管路。炸藥采用散裝乳化炸藥，根據(jù)設(shè)計總量，一次裝填至料箱。

（3）設(shè)定裝藥量和耦合度

在裝藥器電控柜上設(shè)置每個炮眼裝藥量和耦合度。

（4）裝藥。起爆彈放在孔口，通過輸藥管推送起爆彈至孔底;利用鑿巖臺車吊籃裝藥，輸藥管自動送管、拔管，通過裝藥量控制爆破耦合度;連接起爆網(wǎng)路起爆。

3.2.5 通風(fēng)出渣、初噴

挖機(jī)與裝載機(jī)配合出渣。為防止拱部及邊墻掉塊，采用C30噴射混凝土進(jìn)行噴漿作業(yè)，初噴厚度4cm。

4.? 機(jī)械化大斷面初期支護(hù)施工技術(shù)

初期支護(hù)主要是采用鋼架、錨桿、掛網(wǎng)和噴射混凝土與圍巖形成初期支護(hù)受力整體，從而達(dá)到控制圍巖變形的目的。錨桿主要是采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿與傳統(tǒng)的砂漿錨桿結(jié)合，通過鑿巖臺車或錨桿鉆注一體機(jī)快速施工，對圍巖形成初始應(yīng)力，減少圍巖松動圈;鋼拱架安裝采用隧道多功能拱架安裝臺車，優(yōu)化拱架分節(jié)，減少人力輸出，形成快速成環(huán)結(jié)構(gòu);噴射混凝土主要采用大型濕噴臺車，通過大輸送量噴射高強(qiáng)噴射混凝土，使混凝土強(qiáng)度在短時間內(nèi)強(qiáng)度值增長較快，形成早強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而保證整個初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較好。工藝流程見圖5。

圖5? 初期支護(hù)施工流程圖

4.1? 漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝

漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿通過鑿巖臺車自帶注漿機(jī)實現(xiàn)鉆孔、安裝和注漿一體化施工。通過錨桿漲殼頭脹開，短時間內(nèi)對圍巖形成初始張拉力，從而約束圍巖早期變形。

4.2? 鋼拱架機(jī)械化拼裝施工工藝

鋼拱架安裝主要采用隧道多功能拱架安裝臺車代替?zhèn)鹘y(tǒng)臺架操作。通過多功能拱架安裝臺車手臂加吊籃相結(jié)合，實現(xiàn)拱架節(jié)點(diǎn)拼裝。拱架分節(jié)根據(jù)拱架臺車手臂夾取特點(diǎn)進(jìn)行處理，主要分為全斷面和仰拱拱架，且成環(huán)設(shè)置。具有合理優(yōu)化拱架分節(jié)，提高施工質(zhì)量;優(yōu)化拱架安裝順序，提高施工工效;優(yōu)化勞動力配置，降低勞動強(qiáng)度，確保施工安全等方面的優(yōu)點(diǎn)。

4.2.1 工藝流程

圖6? 施工工藝流程

4.2.2 操作要點(diǎn)

拱架安裝采用拱架安裝臺車，型鋼鋼架在鋼構(gòu)廠加工后，集中配送至隧道洞口存貯廠存放。安裝步驟：

（1）測立鋼架位置

利用全站儀測定拱架內(nèi)弧拱頂、拱腰、邊墻、拱腳和隧底標(biāo)記點(diǎn)，保證凈空尺寸符合設(shè)計要求。

（2）鋼架拼裝

全斷面立架時，鋼架拼裝采用4段式，分為拱墻與仰拱，其中拱墻鋼架采用3段式拼裝。拼裝順序先邊墻再拱部后邊墻，最后施做仰拱;微臺階法立架時，鋼架拼裝分為5段，分為上臺階、下臺階與仰拱，其中上、下臺階均采用2段式拼裝，仰拱拱架采用整體式拼裝。

（3）鋼筋網(wǎng)片焊接

鋼筋網(wǎng)片焊接采用直徑6mm或8mm網(wǎng)片，搭接1～2片網(wǎng)格。

4.3? 濕噴臺車噴射工藝

噴射混凝土主要通過濕噴臺車進(jìn)行噴射作業(yè)，采用C30混凝土，提高混凝土早期強(qiáng)度，有助于加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，減少變形。

4.3.1 工藝流程

圖7? 施工工藝流程

4.3.2 操作要點(diǎn)

噴漿工序按照平面噴射→拱架吹平→噴平→初支收面。噴漿先進(jìn)行平面噴射，垂直噴射鋼筋網(wǎng)與圍巖;當(dāng)拱架內(nèi)側(cè)混凝土厚度與拱架間混凝土厚度差值超過3～4cm時，在拱架混凝土終凝前采用噴嘴進(jìn)行拱架吹平;拱架吹平后，進(jìn)行復(fù)噴至設(shè)計厚度。觀察混凝土面平整度，通過噴嘴進(jìn)行吹平，達(dá)到收面效果。

5.? 結(jié)論

5.1機(jī)械化大斷面超前預(yù)加固技術(shù)、機(jī)械化大斷面開挖施工技術(shù)、機(jī)械化大斷面初期支護(hù)施工技術(shù)等組成隧道全工序機(jī)械化大斷面施工技術(shù)。

5.2機(jī)械化裝藥技術(shù)解決了傳統(tǒng)裝藥機(jī)械化的問題，實現(xiàn)了真正意義上的隧道機(jī)械化施工。

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（作者單位：中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司）

【中圖分類號】U455.3

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1671-3362（2020）07-0080-03