浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ,收稿日期:?基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:李钊(),男,高级工程师,主要从事高速公路建设管理工作。文章编号:?()?浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术李钊,刘坤,单足阳(湖南省芷铜高速公路建设开发有限公司,湖南 长沙 ;中铁一局集团有限公司,陕西 西安 )摘要:以芷铜高速公路椿木山隧道为背景,介绍了全工序机械化成套设备在高速公路隧道中的应用。解析了以两臂凿岩台车、多功能拱架安装车、自动布料衬砌台车等 台配套隧道施工工序设备(全工序机械化成套设备)在隧道施工中的应用。研究结果表明:在高速公路特长隧道施工中,全工序机械化成套施工方法较传统工
2、法经济成本低,并且在施工过程中能降低作业人员劳动强度、降低施工安全风险、加快施工进度、提高施工质量。研究成果可为类似高速公路特长隧道施工提供借鉴。关键词:隧道;全工序机械化施工;设备配置中图分类号:文献标志码:引言随着我国高速公路建设的快速发展,国家对工程品质和耐久性提出了更高要求。隧道工程由于工程量大、施工工序多、工期长、地质情况复杂、质量精细化控制难等问题,安全事故时有发生,其施工应用传统的工装和工艺,作业人员数量多、劳动强度大,使群死群伤安全风险增大,职业病患病率提高;同时作业人员较多,使管理难度增加,施工质量把控困难。因此实现隧道机械化配套施工具有重要的价值 。对于隧道机械化施工,许多
3、学者展开了相关研究。田四明等 借助高原铁路软岩隧道开挖案例,论证了机械化配套施工是保证复杂环境下隧道稳定性的重要条件;孙会彬等 研发了具有高自由度的钢拱架安装设备和辅助安装设备,并提出相关施工工艺,通过数值模拟证明了机械化快速施工有助于提高围岩稳定性;魏夏鹏等 为了实现预应力锚索快速施工,研发了集钻孔、安装、锚定、拉伸功能一体化的机械化施工设备;柳玉洁 对不同围岩级别的隧道施工分别设计了机械化施工方案,并通过层次分析法确定了不同方案的适用条件;帅玉兵等 设计了废水泵房封底机械化施工方案,并通过室内试验与数值模拟证明了其可行性与合理性;刘科 将机械化施工应用于大断面隧道施工,实现了快速开挖、快速
4、支护、主动支护、快速封闭;杨年华 针对常规隧道人工钻爆法危险性大、开挖质量难以控制、凿岩台车无法充分使用的问题,提出了现有隧道充分发挥机械化施工优势的改善方向,包括开挖顺序、管理体制、人才培养等;覃建华 讨论了隧道机械化施工中应考虑的因素,包括隧道的设计、施工方案的制定、环境保护等。尽管目前已有研究对隧道机械化施工进行了一定论述与分析,但许多技术工艺尚不成熟,且各研究中所提机械设备仅针对某一工序或工程问题,尚未形成完整的全工序机械化施工体系,缺乏系统研究。为更好地控制施工质量,本文以芷铜高速公路椿木山隧道为工程背景,坚持“机械化换人”“自动化减人”等理念,提出了隧道施工全工序的机械化配套技术,
5、解析了两臂凿岩台车、多功能拱架安装车、自动布料衬砌台车等 台配套隧道施工工序设备(全工序机械化成套设备)在隧道中的应用,通过与传统工艺进行效益对比,证明了全工序机械化施工的优势。期李钊,等:浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术 工程概述芷铜高速公路为双向四车道高速公路,设计速度 ,主线全长 ,桥隧比为 。其中椿木山隧道属于特长隧道,左洞长 ,右洞长 。抗震设防烈度度,抗渗等级 ,是芷铜高速公路重点控制性工程。隧道最大埋深 ,设计为 级风险隧道。洞身穿越地层岩性主要为板岩、砂岩、变质砂岩等,全隧包括 通风竖井 座,人行、车行通道 条。隧道纵坡为单向下坡,进口工作面全部为反坡排水,且水文地质条
6、件复杂,大段落分布高地温、高地应力等,设计最大涌水量 。隧道设计通风采用左线竖井分段送排式 右线全射流式纵向通风,左、右线共用竖井排烟。全隧设计级围岩占 ,级围岩占 ,级围岩占 。隧道全工序机械化工装设备与工艺经多次对施工机械配套体系进行试验、改进,总结出一套较为成熟的高速公路特长隧道机械化施工技术,形成了以 个隧道作业面为单元(一洞),按照超前支护、开挖、初期支护、仰拱、防水板、衬砌、水电槽等 条基本作业线(七线)配备 台套大型特种设备(两臂凿岩台车、隧道多功能拱架安装车、混凝土湿喷机械手、自行悬臂式液压仰拱栈桥、多功能钢筋防水板作业台车、自动布料衬砌台车、轨行式液压电缆槽台车)的“一洞七线
7、七机”全工序机械作业配套模式,相关机械设备如图 所示,全工序工艺流程如图 所示。图 隧道全工序机械化作业配套设备图 隧道全工序机械作业流程 洞身开挖工序隧道开挖工序采用两臂凿岩台车的机械作业方式。施工时,将两臂凿岩台车停放至距隧道掌子面约 位置,通过遥控操作将台车大臂对准钻孔位置并调整钻进角度,两组大臂同时进行钻孔作业。该方式主要应用于隧道、矿山以及其他地下工程中巷道、隧洞的掘进施工作业,可进行钻爆破孔、锚杆孔、掏槽孔等作业。适用于隧道全断面开挖作业,因其大臂可弯折,故也可用于小断面及台阶法施工,具作业范围大。相比于传统工艺,两臂凿岩台车在作业模式、安全风险、施工环境、钻孔效率方面具有明显的优
8、势,如表 所示。支护立架工序支护立架工序采用多功能拱架安装车的机械作业方式。施工时,将隧道多功能拱架安装车停放至距隧道掌子面约位置,通过遥控操作台车大臂抓取举升拱架、钢筋网、锚杆等至合适位置,安装湖南交通科技 卷表 机械化隧道开挖与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺两臂凿岩台车施工作业模式作业人员数量多(人),手动劳动强度大凿岩台车操作人员最多 人,机械操作可有效降低劳动强度安全风险自制台架进行临边安全防护,人员易发生高处坠落事故自带规范防护的操作平台,无需另外增加防护施工环境钻孔人员长期暴露在噪音和粉尘环境中,易患职业病全封闭操作室有效地阻止了职业病的发生,且凿岩台车是机械臂,不会对操作手造成
9、震动伤害平均成孔速度 孔()孔()人员处于大臂吊篮中进行螺栓、焊接等固定作业,同时也可作为质量检测、风水管安装、缺陷修复、注浆、辅助安装锚杆、装药等多种高空作业平台使用。可适应全断面、台阶法等隔断面施工。相比于传统工艺,多功能拱架安装车在人员配置、作业模式、安全风险方面具有明显的优势,如表 所示。表 机械化隧道立架支护与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺多功能隧道拱架安装车施工人员配置双线隧道掌子面支护班一般需要 人,人工成本较高作业时仅需 名工人操作,大大节约了人工成本作业模式通过肩扛人抬的方式进行立架作业,一榀拱架的安装需耗时 ,施工效率低下通过机械手夹持立架,举升稳定可靠,拱架对位精准,一
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