蒙华铁路隧道机械化施工研究

刘小军

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

随着科学技术经济条件的改善，我国铁路隧道的施工机械化水平不断提高。目前国内人力资源紧张，且人工成本逐年增加，传统的劳动密集型施工组织模式已经不能适应企业发展的需要，隧道机械化施工，是隧道施工发展的趋势。长大铁路隧道实施机械化配套作业不仅提高了施工的速度，缩短了工期，而且保证了施工人员的身体健康，确保了工程的质量及安全，同时也提升了效益［1-2］。本文以蒙华铁路张家园隧道施工机械化配套为例，介绍了机械化配套施工方案，对喷射混凝土、仰拱等施工机械配套技术配套方案进行研究，并对作业效率进行分析，为铁路隧道机械化施工提供借鉴。

1 工程简介

由中铁十八局集团一公司承建的蒙华铁路张家园隧道位于陕西省延安市安塞区坪桥镇，全长6288m，为单洞双线隧道，最大埋深195m，最小埋深仅为8m。隧道进、出口及斜井挑顶段围岩等级均为Ⅴ级，洞身穿越浅埋风积黄土、湿陷性黄土、土石分界破碎带、富水砂质老黄土及富水砂岩等不良地质，地质结构特别复杂。张家园隧道掘进中6次经过浅埋冲沟段，沟底宽度4～8m，埋深8～27m，施工中极易出现冒顶坍塌、大变形等地质灾害，施工难度和风险非常大。

2 机械化配套整体方案在隧道施工的应用实施

通过对国内外隧道施工机械化配套方案的广泛调研，结合张家园隧道施工特点及当前工艺、工装水平，隧道整体施工机械化配套方案为：进口工作面采用二级机械化设备配置，二级机械化配置除开挖作业线不需三臂凿岩台车外，其余与一级机械化配置一致。配套形成了以下八条机械化作业线：

（1）由大吨位装载机及自卸汽车组成的装运作业线。

（2）由湿喷机械手及多功能作业台架组成的喷锚支护作业线。

（3）由自行式液压仰拱栈桥、自行式液压仰拱弧形模板、钢板止水带定位夹具、钢筋定位卡具组成的铺底作业线。

（4）由防水板铺挂台车、爬焊机、超声波焊机、止水带定位装置等组成的防水层作业线。

（5）由混凝土供给设备与衬砌台车组成的衬砌作业线。

（6）由二衬养护敲击注浆多功能作业台车及注浆设备组成的二衬养护、敲击、注浆作业线。

（7）由自行式液压沟槽移动模架及砼运输车等组成的沟槽施工作业线。

（8）由超前地质预报地质雷达、水平钻机、全站仪及大功率变频通风等组成的辅助作业线。

3 二级机械化配套方案

张家园隧道进口工作面为二级机械化配套施工，下面以进口段为例，阐述八条机械化作业线设备配套情况。

3.1 装运作业线

装运作业线投入大型装运机械设备，提高效率，缩短循环时间。

张家园隧道进口工作面出碴配备1台沃尔沃L220F装载机，铲斗容量4m²。8台双桥驱动，载重量在20t以上的自卸车。为保证快速出碴，要做到爆破前车辆在规定的位置等待，爆破通风后，快速进入掌子面出碴。大型装运设备的使用，可大大缩短出碴时间，加快隧道施工进度。与传统出碴（采用2台普通装载机）方式相比，采用该机械化装运作业可大幅提高功效，且节约成本，以装碴350m²做对比，采用机械化作业与传统作业手段综合对比见表1。

表1 装运作业线综合对比

这其中需要引起注意的是，因目前仰拱施工普遍采用自行式液压仰拱栈桥、自行式液压仰拱弧形模板等较先进工装设备，对比验证，在台阶法、全断面法施工中采用仰拱与下台阶一起开挖的方法，可有利于控制爆破轮廓线尺寸，并显著提高仰拱施工速度，对混凝土成本控制有一定效果，但也存在不能满足2台装载机同时出碴的作业要求，造成出碴时间有所增加。

3.2 喷锚支护作业线

喷锚作业线投入使用混凝土湿喷射机械手，喷射速度快，回弹小，降低了作业人员劳动强度。而传统采用小型湿喷机的锚喷作业，其施工作业环境差、外加剂掺量偏差大、回弹率高、人员劳动强度大。为克服上述问题，投入了铁建重工生产的混凝土湿喷机械手。

这其中比较关键的环节就是确定混凝土配合比及工艺参数，针对湿喷机械手的特点，综合成本考虑，从最大化降低回弹率出发，对不同地质情况通过试验段确定主要工艺参数：d（喷头与岩面的距离）、γ（喷射混凝土与岩面角度）、v（喷射混凝土射速）、m（速凝剂掺量）。

效果方面，从工效来看，湿喷机械手施工机械化程度高，过程中只需2人便可完成整个操作，且操作人员均能在已完成初支的位置，通过遥控进行作业，距离受喷面10m以上，保证了作业人员安全。湿喷机械手喷料速度每小时可达20m²以上，工效是普通湿喷机的3至5倍。回弹率方面通过现场实测，湿喷机械手作业隧道拱部回弹率平均为9.5%，边墙回弹率平均为4.6%。以Ⅳ级围岩为例，按100m计算，边墙喷射混凝土总方量为650m²，拱部喷射混凝土方量为120m²，采用湿喷机械手时总的混凝土回弹量为41.3m²；采用小型湿喷机时总的混凝土回弹量约为127.5m²；湿喷机械手比普通湿喷Ⅳ级围岩每100m可节约混凝土86.2m²。

3.3 防水层作业线

在隧道施工中，防水板的挂设大多采用简易施工台架完成，防水板挂设全部由人工完成，费时、费力，施工效率低下，不能满足机械化配套作业要求，且存在一定安全隐患。为了提高施工效率，降低作业人员劳动强度，在防排水作业中，本项目引入了一种新型的防水板铺挂台车能辅助人工挂设防水板，取得了较好的施工效果。

新型防水板铺挂台车上设有两条滑轨，装备有自动提升装置，只需人工辅助即可完成防水板的挂设作业，可显著降低劳动强度，减少作业人员数量。同时防水板与垫片的热熔焊接采用了超声波焊机，有效的减少了防水板焊焦、焊穿等问题的发生。

3.4 衬砌作业线

针对止水带安设质量难以保证易渗漏的问题，通过不断总结摸索，对衬砌台车进行了改进，在端部安装了带有可翻转铰接装置的钢端模，确保中埋式止水带的居中埋设，保证了施工缝的防水效果。结合对砂石等原材料的质量把控，以及高质量的防排水施工，使二次衬砌真正达到了内实外美的效果。

3.5 铺底作业线

铺底作业线采用自行式液压仰拱栈桥加配套弧形模板的方式，确保仰拱施工质量，提升作业效率。

铺底作业采用40m自行式液压仰拱栈桥，栈桥单循环最大施工长度24m，而且能够根据仰拱实际开挖情况改变长度，并能做横向移动；移动栈桥整体结构刚度满足桥上通车要求，掌子面掘进与仰拱作业可平行开展，具有快速、便捷、干扰小的特点，施工效率可提高20%左右。

在进口正洞工作面，还进行了自行式液压弧形模板的配套施工尝试，根据蒙华公司标准化要求，隧道仰拱混凝土不留施工缝［4］；经不断优化调整，取得了良好的施工效果。自行式液压仰拱弧形模板由模板桁架等部件组成，仰拱模板通过杆件悬挂于桁架上，并通过油缸实现伸展和收缩，具备自动行走、快速定位的功能，大大缩短了弧形模板定位及安拆时间，保证了中埋式止水带定位准确，浇筑后的仰拱线型顺畅。

初步统计表明，采用自行式仰拱栈桥+配套弧形模板的方式，每循环可节约施工时间10.5h。而成本节约方面同样可观，每板（12m）可节省约600kg模板定位钢筋；另施工过程中，整体式弧形模板可自行行走定位，无需挖机配合，大大减少了机械占用［5-6］。

3.6 防水层作业线

防水板作业线采用多功能铺挂作业台车，大大缩短每幅防水板铺挂时间。而传统的沟槽施工存在施工工效低、外观质量差、施工缝多等问题。为了改善传统沟槽模板存在的问题，蒙华铁路项目在沟槽施工中采用了自行式液压沟槽移动模架，可实现液压系统自动定位、模架整体行走，沟槽一次成型，每次可对称浇筑12m，使沟槽的表观质量、整体性都有了较大提高，施工工效也有了较大提升。

3.7 二衬养护、注浆、敲击作业线

二次衬砌作业线投入使用液压模板台车，并在端头安装可翻转的双铰耳式钢端模，有效保证了混凝土施工质量及施工缝的防水效果。进口工区成立了专门的二衬养护、注浆、敲击作业班组，二衬拆模以后，及时进行混凝土养护，并引进了多功能炮雾抑尘车，通过高压泵将水雾喷洒到二衬表面，形成对二衬的喷洒养护。通过14d的喷雾养护，减少了衬砌混凝土表面因养护不及时产生的细小裂纹，提高了衬砌表观质量。拆模一个月内完成衬砌表面敲击检测，探明衬砌背后脱空、不密实的部位及范围，及时采取低压注浆措施消除质量缺陷。

3.8 辅助作业线

辅助作业线配备超前地质预报专业设备、监控量测仪器及信息化软件、进口高效环保的隧道通风设备，确保隧道作业安全、环保、有序。

随着工艺、工装水平的不断提升，超前地质预报、监控量测、隧道通风等辅助作业在隧道安全、快速施工中发挥的作用越来越明显，特别是在高风险隧道的施工过程中，必须要将超前地质预报等纳入工序管理，最大化发挥辅助作业线的作用。

隧道监控量测使用一台2s徕卡TS06全站仪，并配备有专业的中铁天宝监控量测手持机终端系统，能够实时采集、处理数据，自动上传至服务器，通过管理平台即可随时掌握量测结果，有效的保证了施工安全。隧道通风采用进口变频风机，能耗低、工效高，实现了较好的通风效果。虽然前期投入较国产风机要高，但使用成本较国产风机大为降低，一般一年左右即可收回成本。

4 主要工序施工组织控制

4.1 开挖及支护作业循环

张家园隧道Ⅲ级及以上围岩开挖作业循环时间一般为11h左右，开挖作业循环时间如表2所示：

表2 开挖作业循环时间表

4.2 仰拱及二衬快速施工

隧道施工中，仰拱及时封闭是关键。为了加快仰拱施工速度，增加了一套长16.6m的液压仰拱弧形模板，与整体式弧形模板相比，每板仰拱（12m）可节约循环时间11.2h，通过采用上述措施，既确保了安全，又保证了进度指标的实现。

张家园隧道围岩主要为页岩夹砂岩，围岩稳定性较差，及时进行二次衬砌施工显得尤为重要。

5 结束语

蒙华铁路隧道机械化施工不仅加快了施工速度，提高了安全系数，改善了作业环境，而且降低了作业强度，保证了工程质量，为项目降本增效创造了便利条件，有力推动了项目标准化管理与建设，工程进度明显加快，取得了良好的施工效果。2017年7月27日，蒙华铁路蒙陕段首座特长隧道——张家园隧道提前80天顺利贯通，攻克了湿陷性黄土下沉等世界性难题，为蒙华铁路蒙陕段铺架打下了良好的基础。通过隧道机械化施工，总结如下：

（1）采用工程施工机械化、成品加工工厂化、施工队伍专业化、监控量测信息化等四化管理，遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤测量”方针，采用微台阶开挖工法，缩短各台阶长度，将仰拱封闭成环到掌子面距离最大不超过12m纳入工序管理，使隧道变形控制有效，同时安全和进度可控。

（2）采用机械化施工，过程中对作业人员综合素质要求更高，对机械设备的维护和保养应引起高度重视，相关企业在准备采用机械化作业前，应做好上述方面人员和技术的超前储备，有条件的可成立专业化管理团队。同时，做好日常保养是保证设备正常运转、减少不必要的故障的重要环节，因此自设备进场就要建立相应的配件库，并通过信息化手段对配件库进行统一管理，合理调配使用，在保证好设备的正常维修、保养的同时，尽量减少资金占用。

（3）隧道开挖后湿陷性黄土基底加固施工进行技术创新，通过合理选择夯实机具及锤重，解决了隧道内空间小、无法检测的难题，保证了质量和进度。

（4）通过在张家园隧道的现场实践，特长铁路隧道机械化配套及其施工工艺是成功的，具有较大的技术创新、成本节约及安全保障价值，达到了预期目标，为企业乃至行业后续隧道施工提供了经验。在我国铁路建设快速发展大背景下，尤其是中西部复杂地形、地质条件下特长铁路隧道日趋成为主流的情况下，应更为重视机械化配套与快速施工成套技术的深化研究。

［1］ 李彦乐. 特长隧道水沟电缆槽整体移动模架施工技术［J］. 山西建筑，2016，（07）：45-47.

［2］ 张伟，陈建民，金明亮，马登成，徐儒村. 基于双臂凿岩台车隧道机械化施工配套技术经济性研究［J］. 筑路机械与施工机械化，2015，（06）：33-35.

［3］ 杜江，王建望. 雾炮降尘车在城市景区隧道施工中的尝试应用［J］. 中小企业管理与科技（下旬刊），2015，（04）：78-79.

［4］ 刘金祥. 对隧道施工机械质量及服务的改进建议［J］. 建筑机械化，2014，（02）：56-57.

［5］ 孙振宇. 机械化栈桥在隧道施工中的应用探讨［J］. 铁道建筑技术，2013，（S1）：41-43.