軟弱圍巖全斷面隧道機(jī)械化施工優(yōu)化與效益分析

劉建國

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 工程概況

新建鄭萬高速鐵路湖北段站前工程ZWZQ-6標(biāo)蘇家?guī)r隧道DK478+80—DK483+440，中心里程DK480+760，全長5 360m，最大埋深約439m；進(jìn)口至DK479+22段位于半徑為12 000m的右偏曲線上，其余地段均為直線。

蘇家?guī)r隧道進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)正洞2 595m施工，起訖里程DK478+080—DK480+675，其中明洞9m，Ⅴ級圍巖251m，Ⅳ級圍巖2 135m，Ⅲ級圍巖200m，主要以弱風(fēng)化炭質(zhì)頁巖為主，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育。

蘇家?guī)r隧道進(jìn)口根據(jù)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化配套設(shè)備布置及相關(guān)規(guī)范要求，IV級圍巖采用全斷面帶仰拱一次性開挖或全斷面不帶仰拱開挖，大斷面開挖仰拱安全步距要求不大于55m，Ⅳ，Ⅴ級圍巖地段二次襯砌安全步距不宜大于120m。在確保圍巖穩(wěn)定和施工安全的前提下，蘇家?guī)r隧道進(jìn)口根據(jù)監(jiān)控量測及應(yīng)力、應(yīng)變測試情況合理確定二次襯砌安全步距。

2 全斷面機(jī)械化施工作業(yè)線

以“實(shí)用先進(jìn)、選型科學(xué)、著重工效、優(yōu)化合理”為原則布置施工作業(yè)線。①開挖作業(yè)線配置2臺三臂鑿巖臺車；②運(yùn)輸作業(yè)線配置3臺側(cè)卸式裝載機(jī)、5臺自卸車和2臺挖掘機(jī)；③噴錨支護(hù)作業(yè)線配備1臺三臂拱架安裝臺車和2臺混凝土濕噴機(jī)械手；④仰拱施工作業(yè)線配備1臺自行式液壓仰拱棧橋；⑤防水板施工作業(yè)線配備1臺防水板鋪掛多功能臺車；⑥二次襯砌施工作業(yè)線配置1臺自行式液壓大模板二襯臺車；⑦二次襯砌養(yǎng)護(hù)注漿作業(yè)線配備1臺敲擊檢測臺車和1臺霧化車；⑧施工作業(yè)線配備1臺整體移動(dòng)式溝槽模板臺車；⑨輔助作業(yè)線配備超前水平鉆機(jī)或鑿巖臺車、地質(zhì)雷達(dá)、大功率變頻通風(fēng)機(jī)、地質(zhì)預(yù)報(bào)及全站儀監(jiān)控量測等輔助設(shè)備。

3 工序優(yōu)化措施及效果分析

蘇家?guī)r隧道采用互聯(lián)網(wǎng)+云平臺技術(shù)打造智慧工地，建立工程公司、項(xiàng)目部、作業(yè)面三級信息化管理系統(tǒng)(PM系統(tǒng))，對隧道月度進(jìn)尺、工序循環(huán)數(shù)及循環(huán)時(shí)間、混凝土超耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)。對2019年4—11月蘇家?guī)r隧道進(jìn)口186個(gè)開挖循環(huán)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其中，4—6月為優(yōu)化措施試驗(yàn)階段，7—8月為優(yōu)化措施培訓(xùn)階段，9—11月為措施鞏固階段。4月各工序平均循環(huán)時(shí)間占比如圖1所示，可看出鉆孔爆破及噴錨占總循環(huán)時(shí)間比重較大。本文主要從鉆孔爆破、噴錨和優(yōu)化開挖進(jìn)尺3個(gè)方面開展優(yōu)化措施研究。

圖1 各工序平均循環(huán)時(shí)間占比

3.1 鉆孔爆破方案優(yōu)化

3.1.1制定測量放線規(guī)則

采用萊卡TPS1201全站儀進(jìn)行測量放線，測量前視人員通過鑿巖臺車中間的云梯臺架，利用紅油漆畫出周邊眼孔位，具體需注意以下幾點(diǎn)。

1)按輪廓線程序?qū)㈤_挖的周邊眼孔位測量畫出，整體孔位應(yīng)呈一條圓滑的弧線，同時(shí)將邊墻2m 高的拱部和邊墻分界點(diǎn)畫出(曲墻應(yīng)畫出起拱點(diǎn)、邊墻弧度分界點(diǎn))。

2)用固定尺(按爆破設(shè)計(jì)炮孔間距)將輔助眼輪廓線畫出，炮眼間距60cm。

3)由測量人員在掌子面后方1m 處放置里程線，并在開挖巖面環(huán)向畫出1條里程線，以便鑿巖臺車操作人員控制鉆孔鉆進(jìn)深度。

3.1.2明確三臂鑿巖臺車鑿巖作業(yè)原則

根據(jù)全斷面法開挖作業(yè)空間，合理布置臺車。測量放樣后及時(shí)進(jìn)行鑿巖臺車定位，根據(jù)隧道中線準(zhǔn)確就位，同時(shí)須保證就位區(qū)域底板平穩(wěn)堅(jiān)硬，一般臺車鉆臂最前端距掌子面0.8～1.0m。

鑿巖臺車就位后，立即安裝高壓水管、供電線纜，確認(rèn)水電安裝到位后啟動(dòng)臺車電氣系統(tǒng)，利用液壓系統(tǒng)將臺車整體調(diào)整為水平狀態(tài)。

鑿巖臺車推進(jìn)梁定位應(yīng)遵循1條平行線、2個(gè)基本點(diǎn)的原則，在不影響施鉆的前提下，確保推進(jìn)梁與隧道中心線平行，重點(diǎn)控制推進(jìn)梁頂端與末端位置。

臺車就位后，應(yīng)嚴(yán)格按測量放樣和爆破設(shè)計(jì)孔位進(jìn)行鉆孔，鉆孔順序如圖2所示。

圖2 鑿巖臺車鉆孔順序示意

3.1.3采用縱向切縫管定向斷裂控制爆破和環(huán)向切縫聚能管掏槽技術(shù)

將縱向雙切縫聚能爆破技術(shù)應(yīng)用于周邊眼裝藥可增加孔距、減少藥量、降低超挖和提高光面爆破效果。環(huán)向切縫聚能管采用壁厚2mm、內(nèi)徑36mm、外徑40mm PVC管制作，長85cm，即 33cm× 2(2節(jié)藥卷)+19cm(預(yù)留長度利于裝藥)。環(huán)向切縫由環(huán)向三等分、相間120°的切縫組成，切縫寬24mm，環(huán)向切縫間距2～6cm。掏槽孔孔底安裝環(huán)向切縫聚能管，接近孔口未裝藥部位填塞事先加工好的炮泥，以增強(qiáng)掏槽效果，填塞長度為0.5～1m。

以上措施大幅度縮減了鉆孔爆破用時(shí)，4月鉆孔爆破平均用時(shí)7.77h，5月平均用時(shí)6.88h，6月平均用時(shí)6.51h。5月的平均用時(shí)較4月減少0.89h，降幅較明顯。

3.2 噴射混凝土質(zhì)量優(yōu)化

通過對噴錨工序用時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)噴射混凝土質(zhì)量對噴錨工序的時(shí)間影響較大。采取以下針對性措施改善噴射混凝土質(zhì)量，進(jìn)而縮短噴錨工序時(shí)間。

1)選用普通硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)大于2.5的硬質(zhì)潔凈砂，粒徑5～12mm連續(xù)級配碎(卵)石，化驗(yàn)合格的拌合用水。

2)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行拌合，配合比及攪拌均勻性檢查每班不少于2次。

3)噴射前檢查隧道斷面，對欠挖部分及所有開裂、破碎、出水點(diǎn)、崩解的破損巖石進(jìn)行處理，清除浮石和墻角虛渣，并用高壓水或風(fēng)沖洗巖面。

4)噴頭距巖面0.6～1.2m，垂直于受噴面，噴射初期支護(hù)鋼架、鋼筋網(wǎng)時(shí)，噴頭稍加偏斜。噴射混凝土作業(yè)按分段、分塊，先墻后拱、自下而上的順序進(jìn)行。噴頭做連續(xù)不斷的圓周運(yùn)動(dòng)，后1圈壓前1圈1/3，螺旋狀噴射。

5)噴嘴做反復(fù)緩慢的螺旋形運(yùn)動(dòng)，螺旋直徑 20～30cm， 以保證混凝土噴射密實(shí)。同時(shí)，控制風(fēng)壓、水壓及噴射距離，減少回彈量。

6)隧道噴射混凝土厚度>5cm時(shí)分2層作業(yè)，第2次噴射混凝土須在第1層混凝土終凝1h后進(jìn)行。

7)噴射混凝土終凝2h后進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)。

8)下次爆破與噴射混凝土完成時(shí)間間隔不得小于4h。

9)初噴完成后用刮板刮平工字鋼表面混凝土，并補(bǔ)噴平整。用粉狀減水劑代替水狀減水劑，可節(jié)約減水劑循環(huán)時(shí)間。

4—6月噴錨施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由圖3可知，噴錨過程最大工序時(shí)間、最小工序時(shí)間和平均工序時(shí)間都呈下降趨勢，說明以上措施可明顯縮短噴錨工序時(shí)間。5月平均工序時(shí)間較4月減少1.37h，降幅達(dá)17.96%，效果明顯，受開挖進(jìn)尺由3.6m變更為4.2m的影響，6月平均工序時(shí)間有小幅度回升，但增幅不大，說明優(yōu)化噴射混凝土質(zhì)量可將噴錨工序時(shí)間維持在一個(gè)較低水平。

圖3 4—6月噴錨施工時(shí)間

4月設(shè)計(jì)噴射混凝土811m3，實(shí)際噴射混凝土1 829m3， 超耗率為125.52%；5月設(shè)計(jì)噴射混凝土1 054m3， 實(shí)際噴射混凝土2 216m3，超耗率為110.25%；6月設(shè)計(jì)噴射混凝土1 056m3，實(shí)際噴射混凝土2 306m3，超耗率為118.37%。通過控制混凝土質(zhì)量，5月平均混凝土實(shí)際噴射量和超耗率均比4月有所下降，尤其是超耗率，下降15.27%。

3.3 開挖進(jìn)尺優(yōu)化

由現(xiàn)場實(shí)際施工效果看，3.6m進(jìn)尺并不能很好地滿足生產(chǎn)要求，為探尋更優(yōu)的開挖進(jìn)尺，根據(jù)隧道實(shí)際結(jié)構(gòu)形式及地質(zhì)條件，構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，研究3.6m和4.2m進(jìn)尺隧道圍巖安全性。3.6m進(jìn)尺模型選取蘇家?guī)r隧道DK479+80—DK479+152段，平均埋深300m。模型x軸為水平方向，取-30～30m，z軸為垂直方向，取-30～30m，y軸為縱向，取0～-72m。

4.2m進(jìn)尺模型選取蘇家?guī)r隧道DK479+240—DK479+324段，平均埋深300m。模型x，z軸方向取值同3.6m進(jìn)尺模型，y方向取0～-84m。 拱頂沉降與拱底隆起隨開挖步變化曲線如圖4所示，不同進(jìn)尺開挖過程應(yīng)力變化云圖如圖5所示。

圖4 拱頂沉降與拱底隆起隨開挖步變化曲線

圖5 不同進(jìn)尺開挖過程應(yīng)力變化云圖

由圖4，5可知，開挖進(jìn)尺的增大對豎向位移和應(yīng)力會產(chǎn)生一定影響，對拱頂沉降影響最大，但最大變形量均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，說明在蘇家?guī)r隧道進(jìn)口Ⅳ級圍巖情況下增加開挖進(jìn)尺安全可靠。蘇家?guī)r隧道在7月施工中開挖進(jìn)尺變更為4.2m。

3.6m進(jìn)尺用時(shí)8.93h/延米，4.2m進(jìn)尺用時(shí)7.8h/延米，較3.6m進(jìn)尺節(jié)省1.13h/延米。每月按30d工作時(shí)間考慮，則在理想狀態(tài)下以3.6m進(jìn)尺開挖，月度進(jìn)尺可達(dá)80.62m，以4.2m進(jìn)尺開挖，月度進(jìn)尺可達(dá)92.31m，4.2m進(jìn)尺較3.6進(jìn)尺每月可提高進(jìn)尺11.69m，由此可見，增大開挖進(jìn)尺可提高月進(jìn)尺。

4 效益及成本分析

2019年4—11月機(jī)械開挖月度進(jìn)尺及單延米用時(shí)統(tǒng)計(jì)如圖6所示。由圖6可知，月度進(jìn)尺在4—6月有明顯提升，單延米用時(shí)明顯下降，說明優(yōu)化措施的實(shí)施取得了顯著效果，7—8月月度進(jìn)尺和單延米用時(shí)有小幅波動(dòng)，主要因?yàn)楝F(xiàn)場施工人員應(yīng)用相關(guān)優(yōu)化措施時(shí)需一定時(shí)間領(lǐng)會掌握。9—11月月度進(jìn)尺和單延米用時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均月進(jìn)尺穩(wěn)定在96.23m左右，平均單循環(huán)用時(shí)穩(wěn)定在7.53h左右。由此可見現(xiàn)場施工人員在培訓(xùn)后能較好地掌握優(yōu)化措施，提升施工效率。

圖6 開挖月度進(jìn)尺及單延米用時(shí)統(tǒng)計(jì)

4.1 機(jī)械與人工開挖效益分析

2019年1—11月月平均開挖進(jìn)尺，機(jī)械開挖為82.9m，人工開挖為75.89m，機(jī)械開挖比人工開挖月度進(jìn)尺快7.01m，其中，人工開挖多為III級圍巖，機(jī)械開挖主要為IV級圍巖，綜合考慮圍巖等客觀因素，機(jī)械開挖比人工開挖月度進(jìn)尺要大得多。

2019年7—11月份機(jī)械與人工開挖月度混凝土超耗對比如圖7所示。由圖7可知，機(jī)械開挖月平均超耗率為72.15%，人工開挖月平均超耗率為89.59%，機(jī)械開挖月平均超耗率比人工開挖小17.44%，且人工開挖月均超耗率起伏較大，而機(jī)械開挖月均超耗率較穩(wěn)定。由此可見，機(jī)械開挖比人工開挖混凝土超耗率要低得多，同時(shí)機(jī)械開挖穩(wěn)定性較好，推廣可行性大。

圖7 7—11月機(jī)械與人工開挖月度混凝土超耗率對比

4.2 機(jī)械與人工開挖成本對比分析

機(jī)械開挖在人工費(fèi)和現(xiàn)場管理費(fèi)方面較人工開挖具有一定優(yōu)勢，人工開挖的機(jī)械費(fèi)和配件費(fèi)、油費(fèi)和電費(fèi)較低。機(jī)械開挖的總固定成本為1 459 049 元，人工開挖為1 303 159元，機(jī)械開挖較人工開挖固定成本高出155 890元。

機(jī)械開挖方式在材料費(fèi)和機(jī)械租賃、配電費(fèi)方面較人工開挖具有一定優(yōu)勢，其他如人工費(fèi)、間接管理費(fèi)和集團(tuán)公司管理費(fèi)方面二者持平。機(jī)械開挖的單延米可變成本為43 125元，人工開挖為46 930 元，機(jī)械開挖較人工開挖固定成本低 3 805 元。

機(jī)械開挖與人工開挖成本差值如圖8所示，由圖8可知，在月進(jìn)尺30m和40m時(shí)，機(jī)械開挖總成本高于人工開挖。由計(jì)算可知，在月進(jìn)尺為40.97m時(shí)，機(jī)械開挖和人工開挖總成本持平，在月進(jìn)尺50～100m時(shí)，機(jī)械開挖總成本將小于人工開挖，且月度開挖進(jìn)尺越大，機(jī)械開挖總成本優(yōu)勢越明顯。

圖8 機(jī)械開挖與人工開挖成本差值

5 結(jié)語

1)良好的光面爆破(聚能爆破)效果在提高工序效率和降低循環(huán)時(shí)間方面有明顯優(yōu)勢，對鉆孔爆破、出渣和噴錨等工序有先決性影響，應(yīng)不斷提高光面爆破效果。

2)利用PM系統(tǒng)對蘇家?guī)r隧道實(shí)時(shí)采集大量的工程數(shù)據(jù)，實(shí)施“PDCA”有效管理，對控制噴射混凝土超耗和提高工序循環(huán)工效意義重大。

3)噴射混凝土質(zhì)量對提高噴錨工效有重要影響，應(yīng)嚴(yán)格控制噴錨材料質(zhì)量。

4)軟弱圍巖全斷面開挖進(jìn)尺可適當(dāng)增大，根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場施工情況，4.2m進(jìn)尺較安全、經(jīng)濟(jì)合理。

5)機(jī)械開挖較人工開挖有明顯效率優(yōu)勢，且月度進(jìn)尺越高，機(jī)械化施工成本優(yōu)勢越明顯。