軟弱圍巖隧道鉆爆法機械化施工關鍵技術及裝備

王君樓

1.西南交通大學， 成都 610031； 2.京昆高速鐵路西昆有限公司， 重慶 400020

至2021年底，我國鐵路營業(yè)里程突破15萬 km，投入運營的鐵路隧道有17 532座，長21 055 km。其中，高速鐵路隧道共計3 971座，長6 473 km［1］。長大隧道是鐵路建設的控制性工程，其建設質量與效率是保障鐵路建設工期的重要因素。

近年來，在鐵路建設過程中，機械化配套施工技術正在逐步取代傳統(tǒng)的施工技術。圍繞超前地質預報、超前支護、開挖作業(yè)、出渣作業(yè)、初期支護、仰拱和二次襯砌施工等關鍵工序，貴廣鐵路［2］、成蘭鐵路［3］、蒙華鐵路［4］隧道在建設過程中均采用了機械化施工設備，實現(xiàn)了較高程度的機械化施工。2017年，以鄭萬高速鐵路湖北段隧道工程為代表，除采用了全電腦三臂鑿巖臺車外，還配置了與之配套的濕噴機械手、拱架安裝機、自行式液壓仰拱棧橋、防水板掛設平臺、逐窗分層澆筑二次襯砌臺車、多功能養(yǎng)護平臺、水電槽移動模架等，實現(xiàn)了全工序、機械化配套的全斷面法施工。機械化配套覆蓋了18座隧道38個工區(qū)，機械化施工總長度占隧道總長約69%，機械裝備國產(chǎn)化率達92%［5-6］。

既有研究有效地推進了隧道機械化施工，取得了較好效果，但主要適用于硬巖或圍巖穩(wěn)定性較好的隧道工程。對于軟弱圍巖隧道，主要采用臺階法開挖，需要遵循分步開挖、分步支護的施工原則［7］。目前，機械化配套施工對其適應性較差，相關裝備及配套施工工藝尚不完善。

渝昆高速鐵路來福隧道工程地質條件復雜多變，軟弱地層區(qū)段多，施工工法多樣。為實現(xiàn)高效機械化施工，針對鑿巖鉆孔及拱架安裝，研制了適應于軟弱圍巖條件下臺階法開挖的機械裝備及施工工藝，并進行了現(xiàn)場試驗。

本文對渝昆高速鐵路軟弱圍巖隧道鑿巖鉆爆及拱架安裝的相關裝備與施工技術進行介紹。

1 工程概況與機械化施工主要問題

渝昆高速鐵路設計時速350 km/h，線路從四川盆地延伸至云貴高原，地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近之揚子亞板塊，總體地勢北東低、南西高。其中川渝段正線全長292.028 km，位于我國西南地區(qū)的重慶市、四川省境內。所經(jīng)地貌類型主要有侵蝕堆積、剝蝕、構造剝蝕、構造侵蝕、構造溶蝕等形成的丘陵、低山。

來福隧道是渝昆高速鐵路六標段的控制性工程，總長2 311 m，為雙線隧道。沿線不良地質主要有煤線微瓦斯、采空區(qū)、緩傾巖層、泥巖風化剝落及膨脹、軟土及松土等。施工中可能發(fā)生坍塌、基底變形等風險，具有地質環(huán)境復雜、施工難度大、風險高等特點。圍巖主要為泥巖、砂巖，其中Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級圍巖段長度分別為1 020、1 062和214 m。Ⅲ級圍巖段可采用全斷面法或臺階法開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段需采用兩臺階或三臺階法開挖。

臺階法存在開挖面較多、對圍巖擾動較大等問題。軟弱圍巖地層中開挖隧道，對圍巖變形控制要求更嚴格，需優(yōu)選臺階尺寸，優(yōu)化施工工藝，以保證兩臺階和三臺階機械化配套施工的效率與質量。

對于初期支護拱架安裝施工，一般采用拱架臺車與人工配合的方式，分成多段拱架現(xiàn)場拼裝。若拱架分段過多，會增加拼裝次數(shù)，增加工作量；若分段過少，單段拱架長，重量大，拼裝困難，操作精度難保證。若不及時架設拱架，易導致拱頂及掌子面發(fā)生坍塌等風險。

2 適應于臺階法的鑿巖臺車施工技術

2.1 鑿巖臺車

為滿足隧道內全斷面、臺階法等不同工法機械化施工的適應性與靈活性需求，選用輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車（圖1）。主要參數(shù)見表1。采用2個鉆臂和1個工作平臺臂設計，并進行了加長臂改造，將大臂增長1.8 m。

表1 輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車主要參數(shù)

圖1 輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車

改進后的鑿巖臺車優(yōu)點如下：

1）采用鷹式臂展開設計，最大可用于16 m（寬） ×12.5 m（高）斷面的隧道多臺階法鉆孔作業(yè)，可同時滿足不同斷面施工需求。

2）在雙線隧道內，可實現(xiàn)2輛臺車同時作業(yè)。相比1臺三臂鑿巖臺車，4個鉆臂可提高工作效率，同時1臺故障時另1臺可繼續(xù)作業(yè)。

3）采用柴油機動力，四驅輪胎行走，進退檔控制，最大爬坡14°，最大行走速度16 km/h，便于轉場。

4）采用安全高效的液壓控制系統(tǒng)，全液壓、自動化、獨立地控制各鑿巖鉆臂，各個動作平緩操作靈活，可完成掘進炮孔、錨桿孔、小導管孔、注漿孔等鑿巖作業(yè)，還擁有自動防卡釬功能。

2.2 機械化施工

通過優(yōu)化工序，發(fā)揮機械化施工安全、優(yōu)質、高效的特點。對來福隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段，應用雙臂鑿巖臺車分別開展兩臺階法和三臺階法開挖試驗。

鑿巖施工步驟：①根據(jù)施工工序布置炮眼。②技術人員精準測量放線，在掌子面畫出鉆孔輪廓線，標出周邊眼、掏槽眼、輔助眼等位置和間距。③精確定位后，鑿巖臺車進場，臺車支立定位后開始沿周邊打設炮眼。打設過程中盡可能減小炮眼斜插角（炮眼稍向下傾），同時完成洗孔。炮眼打設完成后檢查打設質量，對漏打、欠打、角度偏差較大的炮眼補充打設。依次完成各臺階炮眼打設，全部完成后臺車退場。

2.2.1 Ⅳ級圍巖段兩臺階法開挖試驗

1）開挖工法。上臺階和下臺階開挖高度分別設定為7.62和3.61 m，臺階長度不大于20 m，單次開挖進尺不大于3.5 m，下臺階斜向布置，如圖2所示。按照上臺階、下臺階左、下臺階右、仰拱逐步開挖和支護，直至封閉成環(huán)。

圖2 兩臺階法開挖示意（單位：cm）

2）炮眼設置。共設炮眼182個，垂直深度3.2 m，周邊眼間距50 cm，掏槽眼間距在30 ~ 60 cm（角度40° ~ 60°），輔助眼間距在80 ~ 130 cm，如圖3所示。

圖3 兩臺階法炮眼布置示意（單位：cm）

3）鉆孔施工

采用雙臂鑿巖臺車分步對上臺階和下臺階鉆炮孔。經(jīng)過試驗，相比傳統(tǒng)的人工風槍鉆爆工藝，作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間均明顯降低，見表2。

表2 兩臺階法機械化鉆孔施工與傳統(tǒng)工藝效率對比

施工效率提升率η計算式為

式中：N為作業(yè)人數(shù)；T為作業(yè)時間。

經(jīng)計算，采用機械化施工后，施工效率提升89%。

2.2.2 Ⅴ級圍巖段三臺階法開挖試驗

1）開挖工法。上臺階、中臺階、下臺階高度分別設定為4.00、4.00和3.32 m，臺階間長在5 ~ 8 m，最大長度不超過1倍洞徑，單次開挖進尺不大于2.5 m，中下臺階斜向布置，如圖4所示。按照上臺階、中臺階左、中臺階右、下臺階左、下臺階右、仰拱逐步開挖支護，直至封閉成環(huán)。

圖4 三臺階法開挖示意（單位：cm）

2）炮眼設置。共設炮眼190個，垂直深度2 m，周邊眼間距45 cm，掏槽眼間距在30 ~ 60 cm（角度45° ~60°），輔助眼間距在70 ~ 120 cm，如圖5所示。

圖5 三臺階法炮眼布置示意（單位：cm）

3）鉆孔施工。采用雙臂鑿巖臺車開展炮孔鑿巖試驗。結果（表3）表明：相比傳統(tǒng)工藝，作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間均明顯降低，施工效率提升90%。

表3 三臺階法機械化鉆孔施工與傳統(tǒng)工藝效率對比

3 適應于臺階法的拱架安裝施工技術

3.1 拱架安裝臺車

為節(jié)約成本，降低施工風險，提高拱架安裝效率與質量，經(jīng)綜合比選，最終選用車載拱架安裝臺車。針對原出廠臺車僅靠單個裝置托舉拱架導致施工定位偏差大、拼裝對位慢等問題，對托舉裝置進行了改進。增加2個延長桿，提高拱架托舉的平衡性，見圖6。

圖6 改進的拱架托舉裝置

改進后的拱架安裝臺車主要參數(shù)見表4。優(yōu)點為：

表4 拱架安裝臺車主要參數(shù)

1）臺車采用三臂架滑移結構設計，各臂架配備一個多自由度機械手，滿足各種臺階法的拱架精確定位與安裝。

2）采用多榀預制分段拼裝和折疊安裝兩種工藝，在洞外制作拱架后洞內直接拼裝，可減少工作面作業(yè)時間，降低施工風險，提高施工效率。

3）集鋼拱架安裝、網(wǎng)片焊接、欠挖處理等功能于一體，附帶破碎錘和焊機，在拱架安裝時可進行欠挖處理及焊接作業(yè)。

3.2 機械化施工

3.2.1 上臺階拱架安裝施工步驟

為方便拱架安裝臺車在有限空間內進行初期支護拱架的整體安裝，使上臺階拱架經(jīng)過一次抓舉即可全部安裝到位，提高拱架安裝效率，將上臺階初期支護鋼拱架優(yōu)化為一長兩短的形式（圖7），一長工字鋼居中，兩短工字鋼與長工字鋼采用帶鉸接裝置的連接梁連接。

圖7 拱架鉸接示意

在洞外焊接拱架整體，整架運輸進洞，由拱架安裝臺車進行托舉安裝。具體步驟如下：

1）鋼架裝運

鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、連接筋、鎖腳錨管等構件在加工廠集中制作并運送至隧道洞口。

2）拱架制作

上臺階拱架由3根工字鋼鉸接，在洞口加工完成后由裝載機轉運至掌子面附近。

3）拱架安裝

臺車行駛到掌子面指定位置就位后，利用中臂機械手抓舉拱架，舉升至設計拱頂位置，左、右臂機械手分別輔助拱架安裝到位，通過焊接形成整體式拱架。

3.2.2 現(xiàn)場試驗

采用拱架安裝臺車在來福隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段開展拱架安裝試驗，見圖8。

圖8 鋼拱架洞內安裝

拱架安裝臺車作業(yè)與傳統(tǒng)工藝施工效率對比見表5?？芍合啾葌鹘y(tǒng)的人工配合機械安裝，采用拱架安裝臺車作業(yè)，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段施工效率提升率分別為72%和81%。

表5 拱架安裝臺車作業(yè)與傳統(tǒng)工藝施工效率對比

4 結論

通過改進裝備，合理設計Ⅳ、Ⅴ級圍巖段臺階法開挖方案和初期支護上臺階拱架方案，優(yōu)化施工工藝，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，與傳統(tǒng)的人工風槍鉆爆+人工配合機械安裝拱架施工相比，鑿巖臺車與拱架安裝臺車機械化配套施工在適應性、施工效率、安全性等方面均有大幅度提升。具體表現(xiàn)為：

1）能夠滿足高速鐵路大斷面隧道兩臺階、三臺階斷面及全斷面施工要求，解決了以往隧道施工在不同工法切換時人工與機械轉換困難的問題，具有良好的適應性。

2）經(jīng)過加長臂改造，鑿巖臺車可適應多臺階不同斷面施工。相比傳統(tǒng)工藝，采用改進后的鑿巖臺車施工，兩臺階與三臺階斷面鉆孔作業(yè)施工效率分別提升89%和90%，不僅減少了作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間，還降低了施工風險。

3）通過改進三臂拱架安裝臺車的托舉裝置，提升了拱架托舉的平衡性與安裝效率，結合“一長兩短”的上臺階初期支護鋼拱架設計方案，形成了拱頂初期支護鋼鉸接+三臂拱架安裝工藝。相比傳統(tǒng)工藝，采用改進后的拱架安裝臺車施工，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段拱架安裝施工效率分別提升72%和81%。

綜上，改進后的機械化設備配套作業(yè)不僅能夠有效提高軟弱圍巖隧道鉆爆法施工效率，實現(xiàn)復雜地質環(huán)境下隧道安全快速施工，而且減少了人工成本，具有良好的經(jīng)濟效益。