隧道Ⅳ級(jí)圍巖大斷面機(jī)械化施工技術(shù)

何 畏

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 工程概況

某隧道左線(xiàn)長(zhǎng)2162 m、右線(xiàn)長(zhǎng)2273 m，為分離式雙向6 車(chē)道形式，設(shè)計(jì)速度100 km/h，凈寬14.75 m，高5 m。隧址區(qū)地質(zhì)條件較差，以Ⅳ級(jí)圍巖居多，巖溶分布范圍廣，施工期間易遇到諸多安全隱患。為在安全環(huán)境下完成隧道施工作業(yè)，擬采取機(jī)械化施工技術(shù)，配置鑿巖臺(tái)車(chē)和濕噴機(jī)機(jī)組，形成機(jī)械設(shè)備聯(lián)合作業(yè)模式。

2 鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔開(kāi)挖施工工藝分析

2.1 施工工藝流程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求將具體工藝參數(shù)（如鉆孔深度、孔徑、孔距等）輸入至鑿巖臺(tái)車(chē)系統(tǒng)內(nèi)，使其按照設(shè)定的參數(shù)有序鉆孔。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有自動(dòng)化運(yùn)行的特征，能夠控制臺(tái)車(chē)大臂、推進(jìn)梁等各關(guān)鍵組件，鑿巖作業(yè)可自動(dòng)完成。鑿巖機(jī)運(yùn)行期間，僅需操作手根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況操作車(chē)載電腦即可，無(wú)需投入大量的施工人員。

鑿巖臺(tái)車(chē)自動(dòng)鉆孔的基本作業(yè)流程為：鉆孔前由設(shè)計(jì)人員根據(jù)施工需求合理設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)，繪制鉆爆圖，將所得數(shù)據(jù)拷貝至臺(tái)車(chē)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；隨后，由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求自動(dòng)生成作業(yè)流程；臺(tái)車(chē)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)控制臺(tái)車(chē)大臂等相關(guān)裝置，根據(jù)布控圖確定鉆進(jìn)點(diǎn)位，于該處自動(dòng)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度處并洗孔；在完成某孔的鉆進(jìn)作業(yè)后，若無(wú)誤則轉(zhuǎn)至下一目標(biāo)孔，按照此方式有序鉆進(jìn)。必要時(shí)可采取手動(dòng)操作的模式，此時(shí)由操作人員操縱控制器，順利完成鉆孔作業(yè)。

2.2 鉆孔注意事項(xiàng)

（1）鉆孔深度的控制。以圍巖特性為參考依據(jù)，鑿巖臺(tái)車(chē)電腦系統(tǒng)在獲取定位數(shù)據(jù)以及巖層特性（凹凸程度）后，自動(dòng)計(jì)算并確定實(shí)際鉆孔深度，以該參數(shù)為作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，依次完成鉆孔作業(yè)，最終使各炮眼底共處相同的垂直面上。

（2）周邊眼鉆孔角度的控制。以圍巖類(lèi)別、超挖量控制標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)為基本依據(jù)，經(jīng)計(jì)算后確定合適的周邊眼鉆孔角度。若巖層處存在鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)，宜采取長(zhǎng)短孔交叉組合的方式，以免出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象[1]。

（3）定位鉆臂鉆孔位置的控制。通常，此環(huán)節(jié)的鉆孔作業(yè)不宜選擇在凹凸不平的區(qū)域，否則在凸出部分鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)孔深不足的情況，且將進(jìn)一步影響后續(xù)的爆破效果；而對(duì)于凹入?yún)^(qū)域，在該處鉆孔時(shí)則容易導(dǎo)致孔深超過(guò)設(shè)計(jì)值，產(chǎn)生的爆破面偏大。

（4）傳感器誤差的控制。鉆孔施工期間孔深、孔徑等參數(shù)的測(cè)量均要得到傳感器的支持，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要做好誤差鑒定工作，以臺(tái)車(chē)電腦系統(tǒng)確定的隧道底角和中線(xiàn)位置標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，判斷傳感器實(shí)測(cè)結(jié)果與之是否存在偏差，若確有存在，則需及時(shí)調(diào)整。

（5）眼孔開(kāi)孔的精度控制。施工期間需要密切關(guān)注掌子面開(kāi)挖以及鑿巖機(jī)開(kāi)孔兩方面的具體情況，必要時(shí)采取人工干預(yù)手段，以確保鑿巖機(jī)的姿態(tài)具有合理性，使其始終維持在最佳開(kāi)孔狀態(tài)。

（6）鉆孔期間的質(zhì)量控制措施。以既定的鉆孔順序?yàn)闇?zhǔn)，按順序依次完成底板眼、掏槽眼等各部分的鉆進(jìn)施工[2]。從底眼處開(kāi)始鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度要求后清理孔內(nèi)的碎石、碎渣屑，完成鉆孔作業(yè)后洗孔，若孔內(nèi)沉渣厚度達(dá)標(biāo)，即可退出鉆桿，有效堵眼。鉆臂是鑿巖臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部分，機(jī)械操作手需要嚴(yán)格控制鉆臂的移動(dòng)方向和幅度，不可與洞臂巖石發(fā)生碰撞。其中以周邊眼眼孔的鉆進(jìn)更為特殊，操作手必須嚴(yán)格控制鑿巖機(jī)的位置，禁止與周邊物體磕碰。存在欠挖現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)由施工人員根據(jù)實(shí)際情況合理處理。鑿巖臺(tái)車(chē)施工情況如圖1 所示。

圖1 鑿巖臺(tái)車(chē)施工

3 濕噴機(jī)組的噴錨支護(hù)施工工藝分析

3.1 施工工藝流程

拌合站按照設(shè)計(jì)配比要求取適量質(zhì)量達(dá)標(biāo)的原材料，經(jīng)過(guò)集中拌和后生產(chǎn)滿(mǎn)足施工所需的混凝土，通過(guò)出廠(chǎng)質(zhì)量檢查后及時(shí)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，卸至濕噴機(jī)組的料斗內(nèi)，通過(guò)輸送泵機(jī)組的作用將該部分混凝土進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至濕噴機(jī)的噴嘴處，用于濕噴作業(yè)。濕噴作業(yè)期間使用到適量的液體速凝劑，需將其倒入混合器內(nèi)，與其中的壓縮空氣有效混合，組成均勻性較好的速凝劑氣液混合物，再將該部分轉(zhuǎn)入機(jī)組噴嘴中，在與混凝土混合后即可高壓噴射。在壓力的作用下，該混合料將被均勻噴至巖面上，由于使用到適量的速凝劑，因此混合料可以快速凝結(jié)，構(gòu)成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2 前期準(zhǔn)備工作

3.2.1 清理濕噴斷面

受?chē)妿r面保持潔凈是濕噴作業(yè)的必要前提[3]，因此需在施工前做全面的清理。松動(dòng)的石塊、浮碴等易于清理的部分可由施工人員完成；遇浮塵以及巖屑時(shí)，可利用高壓水清理干凈；若待噴射的巖面具有遇水易潮解的特點(diǎn)，則不宜采取高壓水清理的方式，較為可行的有高壓風(fēng)清理。清理期間需采取防護(hù)措施，以免因雜物掉落而傷人。

3.2.2 機(jī)組準(zhǔn)備

根據(jù)隧道Ⅳ級(jí)圍巖的地質(zhì)情況以及工程施工需求，將合適型號(hào)的機(jī)組轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，將其平穩(wěn)架設(shè)在預(yù)先經(jīng)過(guò)平整和夯實(shí)處理的場(chǎng)地上，試運(yùn)行，分析伸展噴射臂、起動(dòng)液壓系統(tǒng)等裝置的運(yùn)行情況，要求各部分均無(wú)異常。運(yùn)輸車(chē)將混凝土運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，先向料槽內(nèi)倒入噴射料（達(dá)到槽容量的1/3 以上），在此基礎(chǔ)上方可正式開(kāi)機(jī)，若未滿(mǎn)足此要求，則容易發(fā)生堵管現(xiàn)象。制作孔徑為15 mm 的鋼筋網(wǎng)，將其加裝至料斗口，目的在于攔截超粒徑骨料，確保混合料的質(zhì)量。

3.3 濕噴施工

（1）啟動(dòng)噴射機(jī)時(shí)需要按照“先送風(fēng)、再加料”的順序操作，觀(guān)察噴嘴的實(shí)際情況，該處噴出混凝土后方可按照比例摻入適量的液態(tài)速凝劑。上料應(yīng)具有連續(xù)性與均勻性，料斗應(yīng)始終維持飽滿(mǎn)的狀態(tài)。噴射混凝土前需要初掃一遍整環(huán)噴射面，按照從邊墻到拱頂?shù)捻樞蛴行蛲瓿蓢娚渥鳂I(yè)，全程速度應(yīng)穩(wěn)定在20～24 m3/h。

（2）機(jī)械臂包含大臂和小臂兩類(lèi)，前者主要用于確定距離，后者主要用于確定位置，再通過(guò)噴嘴合理控制噴射角度，使整機(jī)設(shè)備保持最佳的噴射姿態(tài)。分層依次完成濕噴作業(yè)，初噴厚度以4～6 cm 為宜，復(fù)噴階段各層厚度的控制標(biāo)準(zhǔn)為拱頂不超過(guò)10 cm，邊墻處不超過(guò)15 cm。

（3）遵循先墻后拱、自下而上的噴射原則，并根據(jù)噴射范圍合理分段、分片，通常可采取縱向3 m 分段、寬2 m 分片的方式，而在分片噴射過(guò)程中則需要優(yōu)先施工鋼架與壁面間的空隙，再轉(zhuǎn)向鋼架之間。噴射期間需控制噴頭的姿態(tài)，與巖面的夾角為75°～90°，噴嘴螺旋形轉(zhuǎn)動(dòng)，噴射距離1～1.5 m。

（4）噴射料束應(yīng)具有環(huán)形旋轉(zhuǎn)水平移動(dòng)的特點(diǎn)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)直徑30 cm 左右，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的持續(xù)時(shí)間以1～1.5 s 為宜。待坑噴平后，方可噴射第一層混凝土，此階段的用量應(yīng)穩(wěn)定在22～26 m3/h。

（5）噴射完成后的停機(jī)流程為：先關(guān)閉速凝劑計(jì)量泵，再終止加料，清理噴嘴，最后停風(fēng)、停機(jī)。濕噴混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 濕噴機(jī)組施工現(xiàn)場(chǎng)

3.4 濕噴后的機(jī)組清理

（1）噴射混凝土過(guò)程中應(yīng)盡可能將料斗內(nèi)的混合料噴完，若因特殊情況而存在剩余部分時(shí)，需要及時(shí)開(kāi)啟卸料門(mén)，在余料尚未凝結(jié)時(shí)清理干凈。向料斗內(nèi)加入適量水并噴射，經(jīng)過(guò)持續(xù)的噴射后，待噴出的部分為清水即可結(jié)束。

（2）噴嘴處混合料的清理可采取高壓水槍沖洗的方式，待噴嘴干凈后將其卸下，進(jìn)一步清理噴嘴與周邊結(jié)構(gòu)的連接部分。將機(jī)械臂展開(kāi)，用高壓水槍清理。還需清洗遙控器引線(xiàn)，該部分恢復(fù)至潔凈狀態(tài)后再按照順序依次掛回原位。

（3）蓄能器的壓力需要緩慢釋放，隨后打開(kāi)料斗格柵，拆除噴頭和出料口彎管，于該處置入海綿清洗球，然后再將相關(guān)結(jié)構(gòu)裝回原位，通過(guò)噴射的方式使海綿球在管道內(nèi)來(lái)回清洗，最后取出。

4 結(jié)束語(yǔ)

以隧道Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件為立足點(diǎn)，對(duì)此施工條件下的大斷面機(jī)械化施工技術(shù)展開(kāi)探討，闡述具體施工要點(diǎn)，希望所提內(nèi)容可作為類(lèi)似工程的參考。