长大隧道机械化配套施工技术课案.doc

长大隧道机械化配套施工技术
王群选 裴生平
（中铁隧道集团有限公司贵广铁路工程指挥部 贵州 都匀 550001 ）
【摘要】：三都隧道是贵广线重（难）点工程及控制工期工程。本文着重阐述了三都隧道出口施工机械化配套技术和三条机械化作业线的组成，评述了各项新技术、新工艺的研究和推广应用，对快速施工和提高工程质量所起到的重要作用和价值。
【关键词】：长大隧道 机械化配套 施工技术
The Construction Technology of Mechanized Organization for Long and Large Tunnels
WANG Qun-xuan,PEI Sheng-ping
(Guiguang 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 lines, 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 technology

1 工程概况
三都隧道位于贵州省黔南州境内，隧道起止里程为DK124 +982～DK139+580，全长14598m，为全线I级风险隧道，也是全线重（难）点及控制工期工程，施工难度较大，工期压力较为突出。
三都隧道穿越震旦系板溪群浅变质岩，灰岩，各种岩性相间分布，岩溶十分发育。该隧道具有岩溶、断层破碎带、岩爆、软质岩变形等不良地质段，易产生塌坍、突泥涌水等灾害。围岩分级：Ⅲ级7185m(49.2%)，Ⅳ级5205m(35.7%)，Ⅴ级2208m(15.1%)。
隧道施工按设计以新奥法为基础，各级围岩均采用复合式衬砌,衬砌结构由初期支护和二次衬砌组成,在初期支护和二次衬砌之间设置防水隔离层，隧道衬砌结构为曲墙带仰拱，无砟轨道基础。
2 机械化配套技术
目前隧道施工提高机械化配套已成为发展趋势，三都隧道出口开挖采用液压三臂凿岩台车施工，锚喷支护采用湿喷机械手施工，仰拱采用自行式移动栈桥配合仰拱移动模架施工，通过以上三条机械化配套作业线达到快速施工的目的，主要机械配置见表一。
表1 机械配置表
Machine Configuration Table
设备名称
型号
规格
数量
功率
重量
用途
凿岩台车
T12 S-315C
三臂
2台
195KW
45700Kg
开挖
装载机
WA-380
2.3m3
2台
146KW
19355Kg
出碴
挖掘机
PC220-8
1m3
1台
126KW
23000Kg
出碴
机械手
SIKA-PM500PC
4-30m3/h
1台
74.5KW

喷砼
运输车
JHW1340F39A4P
5500*2300*1200
8台
126KW
23000Kg
出碴
移动栈桥
27m
1台
126KW
23000Kg
仰拱施工
仰拱模架
自制
1台

仰拱施工
2．1机械化配套要点
（1）设备的选型和数量要满足机械化施工的要求。
（2）机械化施工要满足施工工法要求。
（3）洞内电压需满足机械设备的正常运转。
（4）机械质量的可靠性是机械化快速施工的关键，否则将会造成其它资源的闲置和浪费，因此质量可靠、维修简便、经济合理是机械设备选型的重要标准。
（5）选用机械设备的配件易于购买，配件和易损件能及时供应。
（6）机械化配套生产目标：Ⅲ级围岩单口月成洞270m,Ⅳ级围岩单口月成洞180m，Ⅴ级围岩单口月成洞60m。
2．2机械化配套作业注意事项
（1）机械化施工在很大程度上降低了施工人员的劳动强度，但对相关操作人员的技术要求较高，如隧道开挖的超欠挖控制、喷射砼的回弹量控制，因此培养出高水平的操作人员是机械化配套施工成败的关键。
（2）由于机械化施工准备工作多，要求施工组织严密、配合协调。如机器能否正常运转，电缆延伸、水管路延长及机器维修保养等，更取决于现场施工管理和设备的管理。只有做到现场管理的规范化、机械维修保养的标准化，才能有效的提高设备的利用率，保证施工生产的正常进行。
（3）隧道施工多为单工作面作业，解决工作面的平行作业必须保证工作面间的合理间距和通行的畅通，尽可能减少工作面间的互相干扰。
（4）机械化程度高势必造成排放尾气和扬尘的增加，加之爆破有害气体、喷射砼浮尘，凿岩台车用水量大等，对洞内通风排水要求较高。
3 机械化作业线
3．1开挖作业线
凿岩台车是隧道施工的典型施工机械，对于较坚硬、完整性较好的围岩，凿岩台车钻孔速度快、单位能耗低、人工少、安全程度高、爆破质量好，是今后隧道施工技术发展的主要趋势。
图1 三臂液压凿岩台车
three-boom hydraulic rock-drilling jumbo
(1) 断面测量：由于液压凿岩台车自身的结构比较特殊，在控制超欠挖方面比风钻开挖难度上大许多，因此要准确定位开挖轮廓线和炮眼位置，把爆破设计准确反映到实际施工中，并根据爆破效果不断修正爆破设计。
(2) 钻爆：
① 首先应根据围岩的完整性、软硬程度制定切实可行爆破设计，提高炮眼利用率。三都隧道出口根据现场实践制定出相应的爆破设计，通过对（掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼）的布置、深度、斜度和数量，爆破器材、装药量和装药结构以及起爆方法和起爆顺序的控制，炮眼利用率达到95%以上。Ⅲ级围岩每循环进尺4m～4.2m，Ⅳ级围岩每循环进尺3m～3.5m，月开挖生产能力可达到Ⅲ级围岩270m、Ⅳ级围岩180m。
② 三臂凿岩台车具有平行打眼功能，钻进速度平均2m/min～2.5m/min，比多功能台架钻爆施工工效可提高60～70%，而且在钻进过程中掌子面不需要大量的操作人员及大量的风水管路，利用高压水跟进钻孔，减少掌子面的岩尘，对施工安全、环保、职业健康保护都非常有利。此外，凿岩台车兼有施钻系统锚杆眼孔的任务，提高了锚杆安装的施工效率，有效的控制锚杆的角度及深度，确保初期支护的施工质量。也具有深孔打眼的能力，可一次施作超前炮孔探明前方围岩情况。
③ 由于每台凿岩台车只有一个吊篮装药平台，如在全部炮眼打完（Ⅲ级围岩全断面需184个炮孔，进尺4.2m需装药380kg～400kg）再装药，所需时间长。如搭梯交错装药，作业人员不安全，炮孔暴露时间长可能出现坍孔，因此钻孔和装药能否平行作业是钻爆作业的关键。三都隧道出口采用乳化炸药和非电毫秒雷管，乳化炸药有很好的防水性能，遇水浸泡也不会降低其性能，在距钻孔0.5m以外也不会引起爆炸。非电毫秒雷管也有很好的防水性，塑料导爆管具有很好的抗电能力，交流电和直流电都不可能引爆它去击发毫秒雷管起爆，也不会因受打击或冲击而击发毫秒雷管起爆。所以在选用了合适的火工品的前提下，钻孔和装药的平行作业才可能实现。
(3) 超欠挖控制：在放样准确、爆破设计合理的前提下，三都隧道出口通过对人员的培训和强有力的管理手段，使隧道超挖大幅度下降，取得了较好的效果：周边基本平顺、圆滑、美观，炮孔间距均匀，炮眼平行，周边眼外插角一致，控制在3°以下；前后2茬炮错台较小，炮孔自然衔接，基本连成一条直线；底板比较平整，没有“门槛”；Ⅲ级围岩，平均超挖控制在10cm以内；IV级围岩，平均超挖控制在12cm以内。同时，也培养出一批优秀的凿岩台车司钻人员，为液压凿岩台车在国内的广泛使用提供了技术借鉴，也储备了操作技术人才。
(4) 爆破效果分析：爆破后应检查光爆面有无剥落，软弱围岩有无坍塌，炮茬衔接台阶尺寸，开挖面平整度，开挖进尺，炮眼残留率等。根据检查数据分析钻孔（间距、深度、斜度、数量），装药，连线的准确性，和爆破设计的合理性。
(5) 施工安全：是指机械本身的安全运转功能，配有过载保护和自动控制装置。另外开挖施工本身就是高风险作业，利用台车开挖就拉大了作业人员和施工机械与风险源的距离，因此台车开挖就大大提高了开挖作业的安全性。
3．2喷射砼作业线
(1) 采用混凝土喷射机械手进行喷浆作业对改善工人劳动条件十分重要。混凝土湿喷机械手能在恶劣的工作环境下实现自动均匀地喷敷混凝土，在作业过程中还可调节喷射角度、速度，使其达到最佳状态，回弹量得到有效控制。三都隧道出口引进了瑞典生产的Sika-PM500 PC混凝土湿喷机械手，喷射头上安装有摆动马达和回转马达，可实现240°摆动和360°回转，喷射臂的所有动作全部由液压驱动，喷嘴刷动马达可以实现8×360°无限连续刷动，喷射范围大，最大喷射高度16.8米，最大喷射宽度为30米，水平最远喷射距离为15米，喷料速度为4～30m3/h，配备有液态添加剂计量输送装置，对混凝土和速凝剂流量同步程序控制；具有人机对话、施喷数据设置、记录储存、即时显示喷射工况、故障警告等先进的自动控制系统。与传统的湿喷机相比较，喷射混凝土机械手为自行式设备，到达现场后能快速调整机位，无需接送风水管，混凝土运输到现场后即可直接进行喷射作业，相当于普通湿喷机（9m3/h）6-9台同时作业的喷射效率。统计数据结果表明，该机组喷射混凝土的回弹率均控制在15%以内，而传统的湿喷机回弹率均在25%以上，对减少工序循环时间、提高喷射混凝土质量、改善洞内施工环境、降低成本、确保施工安全起到了很好的作用。

图2 混凝土湿喷机械手
Concrete wet spraying robot
(2) 初喷：在开挖后应及时初喷，防止围岩松动，在围岩表面形成一层柔性支护，依靠围岩的自稳能力达到围岩变形的逐步稳定。
(3) 复喷：应根据开挖作业面的地质情况分层、分时段进行喷射作业，以确保喷射混凝土的支护能力和喷层的设计厚度；喷射混凝土终凝后3h内不得进行爆破作业。
(4) 回弹量控制：在喷射作业中要及时协调好坍落度、喷射手技术熟练程度、喷射距离、角度、速凝剂掺量、喷面状况，则喷射的质量便有保证，回弹量将会大大降低。喷砼前应首先采用高压风吹净岩面，以保证喷射砼与受喷岩面粘结牢固，保证喷射砼和地层良好的共同受力，喷头与受喷面的距离以1.5-2.0m较为适宜。喷头与受喷面的角度，应垂直于受喷面，但在喷边墙时，宜将喷头略向下俯10°左右，使砼束喷射在较厚的砼端顶，可避免料束中的粗骨料直接与受喷面撞击，减少回弹量。网喷的喷射速度在15m3/h～20 m3/h为宜, 喷拱在10 m3/h～15 m3/h为宜。回弹率的高低对喷射砼质量、材料消耗、施工效率等都有重大的影响，三都隧道出口喷砼的回弹率边墙在13％以下，拱部在15％以下。
3．3仰拱作业线
三都隧道出口仰拱采用仰拱先行于衬砌的施工方案，仰拱先行，再施工拱圈，以利于衬砌结构的整体受力，并起到早闭合、防塌方作用。整幅仰拱施工，势必影响到车辆的运行，为此采取防干扰移动栈桥做为过渡通道，可使仰拱出碴、初支、钢筋绑扎、仰拱浇筑待强及洞内开挖出碴运输平行作业。

图3 自行式仰拱栈桥
movable invert trestle
（1）移动栈桥
① 仰拱开挖采用半幅开挖，开挖侧翻碴回填另一侧保证通行，半幅开挖翻碴完成后开挖回填另一侧，仰拱开挖应超前仰拱施作1～2组。
② 行走移动栈桥时，首先将轨道铺设至已开挖仰拱端，靠隧道中线侧轨道距离中线不得小于1.5m。
③ 移动栈桥行走到位后，首先横移至隧道左侧利用挖机运输车出右侧仰拱石碴，车辆从移动栈桥上通行，右侧出碴完毕后将移动栈桥横移至隧道右侧，出左侧仰拱石碴，移动栈桥保证隧道隧道左侧道路畅通，整幅仰拱出碴完毕后将栈桥移动至隧道中线，进行仰拱清底、初支、钢筋、模板、砼施工。
④ 移动栈桥工作时，油缸提升，前后支撑着地，前后行走装置不承载；当栈桥移动时，油缸顶升，前后行走装置落实，然后前后支撑离开地面，由轮子承担栈桥自重载荷前进。
（2）仰拱模架

图4 自制仰拱移动模架
Invert movable frame
整体式仰拱移动模架属自行研制的新设备，能显著减少模板间的错台，加快模板安装速度，且施工时不易变形。栈桥和模架均自带微调功能，能缩短安装时间，加快仰拱施工进度。三都隧道出口仰拱模板采用自制仰拱移动模架，它也是机械化配套的项目，是施工技术的创新。仰拱端头模安装完成后，自行式仰拱模架从边墙和移动栈桥间穿行到位，利用模架液压系统精确就位，然后安装横撑加固仰拱模架。仰拱施工采用移动模架后可减小仰拱整体浇筑的难度，缩短模板安装和模板加固的时间，避免模板的反复搬运，仰拱砼的外观质量也得到了很大的提高。
4 总结
通过现场实践，长大隧道机械化配套施工技术是成功的，并有较大创新，达到了预期目标，为今后的隧道快速施工提供了经验。随着我国大规模铁路建设的展开，隧道建设的数量将越来越多，建设标准越来越高，建设条件更加复杂，要在较短时间内完成各类大规模的隧道建设任务，必须依靠先进的生产力，也就是在机械化条件下来实施。不同条件下的隧道机械化配套施工，要有不同的机械配套方式，以适应不同条件隧道施工的需要，这是实现隧道快速施工、保证施工安全、确保工程质量的基础。隧道机械化配套施工使隧道施工进度明显加快，因此可减少或取消部分辅助坑道，大规模机械化作业将是今后隧道施工技术的发展方向。
参考文献：
[1]  TZ204-2008  《铁路隧道工程施工技术指南》
[2]  铁道第二勘察设计院 《新建贵阳至广州铁路贵阳至贺州段施工设计图》
[3]  周爱国 《隧道工程现场施工技术》 人民交通出版社 2004.3
[4]  铁道部第二工程局 《铁路工程施工技术手册》 中国铁道出版社 1999

作者简介：
姓名：王群选 出生年月：1963.12 性别：男 工作单位：中铁隧道集团 职称：高级工程师
学历：长沙铁道学院，本科 现从事工作：技术管理 手机：[phone]
通讯地址：贵州省都匀市黔南民族师范学院办公楼八楼 电子邮件：wangqunxuan@