長大隧道機(jī)械化配套施工技術(shù)

1、長大隧道機(jī)械化配套施工技術(shù)王群選 裴生平（中鐵隧道集團(tuán)有限公司貴廣鐵路工程指揮部 貴州 都勻 550001 ）【摘要】：三都隧道是貴廣線重（難）點工程及控制工期工程。本文著重闡述了三都隧道出口施工機(jī)械化配套技術(shù)和三條機(jī)械化作業(yè)線的組成，評述了各項新技術(shù)、新工藝的研究和推廣應(yīng)用，對快速施工和提高工程質(zhì)量所起到的重要作用和價值。【關(guān)鍵詞】：長大隧道 機(jī)械化配套 施工技術(shù) The Construction Technology of Mechanized Organization for Long and Large TunnelsWANG Qun-xuan,PEI Sheng-ping(Guigu

2、ang Railway Engineering Headquarters of China Railway Tunnel Group Co.Ltd;Guizhou;Duyun 550001)Abstract: The Sandu tunnel is a key and control project in Guiguang railway.This paper focuses on the construction technology of mechanized organization and the composition of three mechanized production l

3、ines, it reviews the research and application of the new technology,which plays an important role and value for rapid construction and Improving the quality of the project.Keywords: long and large tunnels; mechanized organization; construction technology1 工程概況三都隧道位于貴州省黔南州境內(nèi)，隧道起止里程為DK124 +982DK139+58

4、0，全長14598m，為全線I級風(fēng)險隧道，也是全線重（難）點及控制工期工程，施工難度較大，工期壓力較為突出。三都隧道穿越震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，灰?guī)r，各種巖性相間分布，巖溶十分發(fā)育。該隧道具有巖溶、斷層破碎帶、巖爆、軟質(zhì)巖變形等不良地質(zhì)段，易產(chǎn)生塌坍、突泥涌水等災(zāi)害。圍巖分級：級7185m(49.2%)，級5205m(35.7%)，級2208m(15.1%)。隧道施工按設(shè)計以新奧法為基礎(chǔ)，各級圍巖均采用復(fù)合式襯砌,襯砌結(jié)構(gòu)由初期支護(hù)和二次襯砌組成,在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置防水隔離層，隧道襯砌結(jié)構(gòu)為曲墻帶仰拱，無砟軌道基礎(chǔ)。2 機(jī)械化配套技術(shù)目前隧道施工提高機(jī)械化配套已成為發(fā)展趨勢，三都隧道出

5、口開挖采用液壓三臂鑿巖臺車施工，錨噴支護(hù)采用濕噴機(jī)械手施工，仰拱采用自行式移動棧橋配合仰拱移動模架施工，通過以上三條機(jī)械化配套作業(yè)線達(dá)到快速施工的目的，主要機(jī)械配置見表一。表1 機(jī)械配置表Machine Configuration Table設(shè)備名稱型號規(guī)格數(shù)量功率重量用途鑿巖臺車T12 S-315C三臂2臺195KW45700Kg開挖裝載機(jī)WA-3802.3m32臺146KW19355Kg出碴挖掘機(jī)PC220-81m31臺126KW23000Kg出碴機(jī)械手SIKA-PM500PC4-30m3/h1臺74.5KW噴砼運(yùn)輸車JHW1340F39A4P5500*2300*12008臺126KW23

6、000Kg出碴移動棧橋27m1臺126KW23000Kg仰拱施工仰拱模架自制1臺仰拱施工21機(jī)械化配套要點（1）設(shè)備的選型和數(shù)量要滿足機(jī)械化施工的要求。（2）機(jī)械化施工要滿足施工工法要求。（3）洞內(nèi)電壓需滿足機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（4）機(jī)械質(zhì)量的可靠性是機(jī)械化快速施工的關(guān)鍵，否則將會造成其它資源的閑置和浪費，因此質(zhì)量可靠、維修簡便、經(jīng)濟(jì)合理是機(jī)械設(shè)備選型的重要標(biāo)準(zhǔn)。（5）選用機(jī)械設(shè)備的配件易于購買，配件和易損件能及時供應(yīng)。（6）機(jī)械化配套生產(chǎn)目標(biāo)：級圍巖單口月成洞270m,級圍巖單口月成洞180m，級圍巖單口月成洞60m。22機(jī)械化配套作業(yè)注意事項（1）機(jī)械化施工在很大程度上降低了施工人員的勞動

7、強(qiáng)度，但對相關(guān)操作人員的技術(shù)要求較高，如隧道開挖的超欠挖控制、噴射砼的回彈量控制，因此培養(yǎng)出高水平的操作人員是機(jī)械化配套施工成敗的關(guān)鍵。（2）由于機(jī)械化施工準(zhǔn)備工作多，要求施工組織嚴(yán)密、配合協(xié)調(diào)。如機(jī)器能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電纜延伸、水管路延長及機(jī)器維修保養(yǎng)等，更取決于現(xiàn)場施工管理和設(shè)備的管理。只有做到現(xiàn)場管理的規(guī)范化、機(jī)械維修保養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化，才能有效的提高設(shè)備的利用率，保證施工生產(chǎn)的正常進(jìn)行。（3）隧道施工多為單工作面作業(yè)，解決工作面的平行作業(yè)必須保證工作面間的合理間距和通行的暢通，盡可能減少工作面間的互相干擾。（4）機(jī)械化程度高勢必造成排放尾氣和揚(yáng)塵的增加，加之爆破有害氣體、噴射砼浮塵，鑿巖臺車用水

8、量大等，對洞內(nèi)通風(fēng)排水要求較高。3 機(jī)械化作業(yè)線31開挖作業(yè)線鑿巖臺車是隧道施工的典型施工機(jī)械，對于較堅硬、完整性較好的圍巖，鑿巖臺車鉆孔速度快、單位能耗低、人工少、安全程度高、爆破質(zhì)量好，是今后隧道施工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。圖1 三臂液壓鑿巖臺車three-boom hydraulic rock-drilling jumbo(1) 斷面測量：由于液壓鑿巖臺車自身的結(jié)構(gòu)比較特殊，在控制超欠挖方面比風(fēng)鉆開挖難度上大許多，因此要準(zhǔn)確定位開挖輪廓線和炮眼位置，把爆破設(shè)計準(zhǔn)確反映到實際施工中，并根據(jù)爆破效果不斷修正爆破設(shè)計。(2) 鉆爆： 首先應(yīng)根據(jù)圍巖的完整性、軟硬程度制定切實可行爆破設(shè)計，提高炮眼利

9、用率。三都隧道出口根據(jù)現(xiàn)場實踐制定出相應(yīng)的爆破設(shè)計，通過對（掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底板眼）的布置、深度、斜度和數(shù)量，爆破器材、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)以及起爆方法和起爆順序的控制，炮眼利用率達(dá)到95%以上。級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺4m4.2m，級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺3m3.5m，月開挖生產(chǎn)能力可達(dá)到級圍巖270m、級圍巖180m。 三臂鑿巖臺車具有平行打眼功能，鉆進(jìn)速度平均2m/min2.5m/min，比多功能臺架鉆爆施工工效可提高6070%，而且在鉆進(jìn)過程中掌子面不需要大量的操作人員及大量的風(fēng)水管路，利用高壓水跟進(jìn)鉆孔，減少掌子面的巖塵，對施工安全、環(huán)保、職業(yè)健康保護(hù)都非常有利。此外，鑿巖臺車兼有施鉆系統(tǒng)錨桿眼

10、孔的任務(wù)，提高了錨桿安裝的施工效率，有效的控制錨桿的角度及深度，確保初期支護(hù)的施工質(zhì)量。也具有深孔打眼的能力，可一次施作超前炮孔探明前方圍巖情況。 由于每臺鑿巖臺車只有一個吊籃裝藥平臺，如在全部炮眼打完（級圍巖全斷面需184個炮孔，進(jìn)尺4.2m需裝藥380kg400kg）再裝藥，所需時間長。如搭梯交錯裝藥，作業(yè)人員不安全，炮孔暴露時間長可能出現(xiàn)坍孔，因此鉆孔和裝藥能否平行作業(yè)是鉆爆作業(yè)的關(guān)鍵。三都隧道出口采用乳化炸藥和非電毫秒雷管，乳化炸藥有很好的防水性能，遇水浸泡也不會降低其性能，在距鉆孔0.5m以外也不會引起爆炸。非電毫秒雷管也有很好的防水性，塑料導(dǎo)爆管具有很好的抗電能力，交流電和直流電都

11、不可能引爆它去擊發(fā)毫秒雷管起爆，也不會因受打擊或沖擊而擊發(fā)毫秒雷管起爆。所以在選用了合適的火工品的前提下，鉆孔和裝藥的平行作業(yè)才可能實現(xiàn)。(3) 超欠挖控制：在放樣準(zhǔn)確、爆破設(shè)計合理的前提下，三都隧道出口通過對人員的培訓(xùn)和強(qiáng)有力的管理手段，使隧道超挖大幅度下降，取得了較好的效果：周邊基本平順、圓滑、美觀，炮孔間距均勻，炮眼平行，周邊眼外插角一致，控制在3以下；前后2茬炮錯臺較小，炮孔自然銜接，基本連成一條直線；底板比較平整，沒有“門檻”；級圍巖，平均超挖控制在10cm以內(nèi)；IV級圍巖，平均超挖控制在12cm以內(nèi)。同時，也培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的鑿巖臺車司鉆人員，為液壓鑿巖臺車在國內(nèi)的廣泛使用提供了技術(shù)

12、借鑒，也儲備了操作技術(shù)人才。(4) 爆破效果分析：爆破后應(yīng)檢查光爆面有無剝落，軟弱圍巖有無坍塌，炮茬銜接臺階尺寸，開挖面平整度，開挖進(jìn)尺，炮眼殘留率等。根據(jù)檢查數(shù)據(jù)分析鉆孔（間距、深度、斜度、數(shù)量），裝藥，連線的準(zhǔn)確性，和爆破設(shè)計的合理性。(5) 施工安全：是指機(jī)械本身的安全運(yùn)轉(zhuǎn)功能，配有過載保護(hù)和自動控制裝置。另外開挖施工本身就是高風(fēng)險作業(yè)，利用臺車開挖就拉大了作業(yè)人員和施工機(jī)械與風(fēng)險源的距離，因此臺車開挖就大大提高了開挖作業(yè)的安全性。32噴射砼作業(yè)線(1) 采用混凝土噴射機(jī)械手進(jìn)行噴漿作業(yè)對改善工人勞動條件十分重要?；炷翝駠姍C(jī)械手能在惡劣的工作環(huán)境下實現(xiàn)自動均勻地噴敷混凝土，在作業(yè)過程中

13、還可調(diào)節(jié)噴射角度、速度，使其達(dá)到最佳狀態(tài)，回彈量得到有效控制。三都隧道出口引進(jìn)了瑞典生產(chǎn)的Sika-PM500 PC混凝土濕噴機(jī)械手，噴射頭上安裝有擺動馬達(dá)和回轉(zhuǎn)馬達(dá)，可實現(xiàn)240擺動和360回轉(zhuǎn)，噴射臂的所有動作全部由液壓驅(qū)動，噴嘴刷動馬達(dá)可以實現(xiàn)8360無限連續(xù)刷動，噴射范圍大，最大噴射高度16.8米，最大噴射寬度為30米，水平最遠(yuǎn)噴射距離為15米，噴料速度為430m3/h，配備有液態(tài)添加劑計量輸送裝置，對混凝土和速凝劑流量同步程序控制；具有人機(jī)對話、施噴數(shù)據(jù)設(shè)置、記錄儲存、即時顯示噴射工況、故障警告等先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的濕噴機(jī)相比較，噴射混凝土機(jī)械手為自行式設(shè)備，到達(dá)現(xiàn)場后能快速

14、調(diào)整機(jī)位，無需接送風(fēng)水管，混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后即可直接進(jìn)行噴射作業(yè)，相當(dāng)于普通濕噴機(jī)（9m3/h）6-9臺同時作業(yè)的噴射效率。統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該機(jī)組噴射混凝土的回彈率均控制在15%以內(nèi)，而傳統(tǒng)的濕噴機(jī)回彈率均在25%以上，對減少工序循環(huán)時間、提高噴射混凝土質(zhì)量、改善洞內(nèi)施工環(huán)境、降低成本、確保施工安全起到了很好的作用。圖2 混凝土濕噴機(jī)械手Concrete wet spraying robot(2) 初噴：在開挖后應(yīng)及時初噴，防止圍巖松動，在圍巖表面形成一層柔性支護(hù)，依靠圍巖的自穩(wěn)能力達(dá)到圍巖變形的逐步穩(wěn)定。(3) 復(fù)噴：應(yīng)根據(jù)開挖作業(yè)面的地質(zhì)情況分層、分時段進(jìn)行噴射作業(yè)，以確保噴射混凝土的支

15、護(hù)能力和噴層的設(shè)計厚度；噴射混凝土終凝后3h內(nèi)不得進(jìn)行爆破作業(yè)。(4) 回彈量控制：在噴射作業(yè)中要及時協(xié)調(diào)好坍落度、噴射手技術(shù)熟練程度、噴射距離、角度、速凝劑摻量、噴面狀況，則噴射的質(zhì)量便有保證，回彈量將會大大降低。噴砼前應(yīng)首先采用高壓風(fēng)吹凈巖面，以保證噴射砼與受噴巖面粘結(jié)牢固，保證噴射砼和地層良好的共同受力，噴頭與受噴面的距離以1.5-2.0m較為適宜。噴頭與受噴面的角度，應(yīng)垂直于受噴面，但在噴邊墻時，宜將噴頭略向下俯10左右，使砼束噴射在較厚的砼端頂，可避免料束中的粗骨料直接與受噴面撞擊，減少回彈量。網(wǎng)噴的噴射速度在15m3/h20 m3/h為宜, 噴拱在10 m3/h15 m3/h為宜。

16、回彈率的高低對噴射砼質(zhì)量、材料消耗、施工效率等都有重大的影響，三都隧道出口噴砼的回彈率邊墻在13以下，拱部在15以下。33仰拱作業(yè)線三都隧道出口仰拱采用仰拱先行于襯砌的施工方案，仰拱先行，再施工拱圈，以利于襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力，并起到早閉合、防塌方作用。整幅仰拱施工，勢必影響到車輛的運(yùn)行，為此采取防干擾移動棧橋做為過渡通道，可使仰拱出碴、初支、鋼筋綁扎、仰拱澆筑待強(qiáng)及洞內(nèi)開挖出碴運(yùn)輸平行作業(yè)。圖3 自行式仰拱棧橋movable invert trestle（1）移動棧橋 仰拱開挖采用半幅開挖，開挖側(cè)翻碴回填另一側(cè)保證通行，半幅開挖翻碴完成后開挖回填另一側(cè)，仰拱開挖應(yīng)超前仰拱施作12組。 行走移動

17、棧橋時，首先將軌道鋪設(shè)至已開挖仰拱端，靠隧道中線側(cè)軌道距離中線不得小于1.5m。 移動棧橋行走到位后，首先橫移至隧道左側(cè)利用挖機(jī)運(yùn)輸車出右側(cè)仰拱石碴，車輛從移動棧橋上通行，右側(cè)出碴完畢后將移動棧橋橫移至隧道右側(cè)，出左側(cè)仰拱石碴，移動棧橋保證隧道隧道左側(cè)道路暢通，整幅仰拱出碴完畢后將棧橋移動至隧道中線，進(jìn)行仰拱清底、初支、鋼筋、模板、砼施工。 移動棧橋工作時，油缸提升，前后支撐著地，前后行走裝置不承載；當(dāng)棧橋移動時，油缸頂升，前后行走裝置落實，然后前后支撐離開地面，由輪子承擔(dān)棧橋自重載荷前進(jìn)。（2）仰拱模架圖4 自制仰拱移動模架Invert movable frame整體式仰拱移動模架屬自行研制

18、的新設(shè)備，能顯著減少模板間的錯臺，加快模板安裝速度，且施工時不易變形。棧橋和模架均自帶微調(diào)功能，能縮短安裝時間，加快仰拱施工進(jìn)度。三都隧道出口仰拱模板采用自制仰拱移動模架，它也是機(jī)械化配套的項目，是施工技術(shù)的創(chuàng)新。仰拱端頭模安裝完成后，自行式仰拱模架從邊墻和移動棧橋間穿行到位，利用模架液壓系統(tǒng)精確就位，然后安裝橫撐加固仰拱模架。仰拱施工采用移動模架后可減小仰拱整體澆筑的難度，縮短模板安裝和模板加固的時間，避免模板的反復(fù)搬運(yùn)，仰拱砼的外觀質(zhì)量也得到了很大的提高。4 總結(jié)通過現(xiàn)場實踐，長大隧道機(jī)械化配套施工技術(shù)是成功的，并有較大創(chuàng)新，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為今后的隧道快速施工提供了經(jīng)驗。隨著我國大規(guī)模鐵路建設(shè)的展開，隧道建設(shè)的數(shù)量將越來越多，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，建設(shè)條件更加復(fù)雜，要在較短時間內(nèi)完成各類大規(guī)模的隧道建設(shè)任務(wù)，必須依靠先進(jìn)的生產(chǎn)力，也就是在機(jī)械化條件下來實施。不同條件下的隧道機(jī)械化配套施工，要有不同的機(jī)械配套方式，以適應(yīng)不同條件隧道施工的需要，這是實現(xiàn)隧道快速施工、保證施工安全、確保工程質(zhì)量的基礎(chǔ)。隧道機(jī)械化配套施工使隧道施工進(jìn)度明顯加快，因此可減少或取消部分輔助坑道，大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)將