特长隧道机械化配套与快速施工技术探讨

【摘 要】 机械化配套是实现特长隧道快速施工的重要保障，本文以长洪岭隧道为例，介绍了特长隧道机械化配套及快速施工技术，为特长隧道快速施工作出了积极有益的探索。

【关键词】 特长隧道；机械化配套；快速施工

【Abstract】 Mechanized support is an important guarantee for the rapid construction of special long tunnels. In this paper， Changhongling tunnel is taken as an example to introduce the mechanized support and rapid construction technology for the long tunnels， which has made a positive and beneficial exploration for the rapid construction of the long tunnels.

【Key words】 Special long tunnel；Mechanized support；Rapid construction

1、工程概况

（1）新建铁路渝利线是国家铁路中长期规划的“四横四纵”中的“一横”——沪宁汉渝蓉快速客运专线重要组成部分，西起重庆北站，向东途经重庆市渝北区、江北区、长寿区、涪陵区、丰都县和石柱县，至湖北省利川市，线路全长260.4Km，设计时速200Km/h。

（2）渝利铁路长洪岭隧道位于中铁隧道集团有限公司承建的4标段，全长13294m，是渝利铁路全线第二长隧，为全线主要控制性工程之一。其中隧道进口承担隧道正洞4700m的施工任务，土建工程总工期为33.33个月。全隧以Ⅲ级围岩为主，主要为泥岩，砂岩互层，节理发育，岩体破碎，岩质较软。

2、机械选择应考虑的因素

在特长隧道施工中，机械设备的配套是实现隧道快速施工的重要途径。机械设备的配套，需从工程的总体规划考虑，选择机械设备时主要应综合考虑以下因素：

（1） 机械配套要以满足业主对工程的工期、质量、安全、环保等各项要求为前提，合理进行机械配置以满足施工需要；

（2） 施工机械应与施工环境、施工方法相配套，机械设备的选型与配套和施工方法密切相关。根据地质条件、工期要求，通过比选，确定切合实际机械配套施工方案；

（3） 隧道工程施工机械配套要充分考虑人的因素，劳务工市场需求旺盛，人工成本越来越高，机械化程度的不断提高可以较好的解决人工成本居高不下的困境；

（4） 应充分考虑施工机械之间的配合及协調工作能力，根据本项目人员的综合素质、管理水平选择机械，这是一个系统的配套工程，要充分考虑机械到场后的现场可操作性和效率的发挥程度；

（5） 企业的发展战略要求。技术装备能力是企业展示自己重要手段，借助于重点大型工程，提高企业的装备能力，既可以加快工程进度，又可以创造企业信誉，树立企业形象，同时也促进了企业的技术进步。

3. 隧道施工机械配套技术

长洪岭隧道进口施工机械选型经过多个方案的比较和筛选，最后采用两台TAMROCK三臂凿岩台车进行开挖作业；轮胎式ZL50C装载机配合大吨位自卸汽车出碴；Sika-PM500PC湿喷机械手进行初支混凝土湿喷作业；38m可移动式仰拱栈桥进行仰拱施工；两台12米液压衬砌模板台车进行二次衬砌混凝土施工，并配以地质钻机及TSP203超前地质预报系统，组成了隧道机械化施工作业线。

3.1 开挖施工机械。

3.1.1 钻孔机械。

（1）长洪岭隧道进口配置了两台TAMROCK三臂液压凿岩台车进行全断面开挖施工，在地质条件允许的范围内钻孔进尺最大可达5.35m，相比人工开挖循环最大进尺3.0～3.5m，液压凿岩台车每循环进尺可达4.5～5.0m，且循环时间比人工开挖减少1.5小时以上，大大提高了施工速度，为确保工程按期完成提供了先进的设备保障。

（2）液压凿岩台车的使用，不仅提高了施工进度，更增加了员工作业安全系数，改善了工作环境。台车操作人员在固定的操作平台上操作机械，距隧道掌子面约13m的安全距离，视线开阔，易于观察围岩的变化情况，加之操作平台上设有安全顶棚，从硬件和机械的设计上增大了操作员工安全系数。相比于人工开挖噪音大，作业环境差的缺点，液压凿岩台车采用人性化设计，采用电力作动力，清洁环保，极大地减少了隧道空气污染和粉尘含量，并大大降低了噪音。

（3）凿岩台车电——液控制系统采用PLC可编辑逻辑控制，电信号通过电液比例阀控制终端执行机构，由此可以使各个钻进参数达到最佳，从而达到快速高效精确的控制。通过长洪岭隧道进口液压凿岩台车钻爆效果看，光爆效果明显优于人工手持风钻的操作模式，隧道残眼保存率基本在92%以上，隧道的开挖成型得到保证，从而达到了以质量促进效益的最佳效果。

3.1.2 出碴机械。

（1）出碴作业是隧道施工的一个重要工序，直接关系着隧道的整体开挖进度。长洪岭隧道进口配置了双桥驱动、载重量在20t以上的大型运输车辆12台，购置了广西柳工和徐州徐工集团生产的ZL50C装载机3台，用以进行出碴配套作业，从出碴机械数量、质量上保证单循环出碴作业的顺利进行，能够避免和减少因车辆故障影响洞碴外运。

（2）为了保证快速出碴，要做到爆破前车辆在规定位置等待，爆破通风后，快速进入掌子面出碴。出碴时，采用2台装载机同时装碴（第3台备用），极大的加快了装碴速度，12台出碴车辆连续出碴，确保出碴时掌子面一直有车等待装碴，装载机始终处于工作状态，为加快洞身开挖提供保障。

（3）开挖作业线机械化配套见表1。

3.2 锚喷机械。

锚杆孔采用台车钻眼，多功能作业台架挂网，挤压式注浆泵注浆。喷射混凝土采用西班牙制造的Sika-PM500PC湿喷机械手，该设备可通过操作有线“遥控器”来控制喷射头进行喷混凝土作业，喷料速度4～24m3/h，喷射头上安装有摆动马达（可240°摆动）和回转马达（可360°回转），且机械手的大臂、小臂均能通过液压驱动后灵活的转动，喷射范围较大，施工中喷头与喷射面之间的角度能够始终保持在最佳角度。Sika-PM500PC湿喷机采用液态添加剂计量输送装置，能够精确地控制速凝剂用量，喷头安装红外线距离感应器，保证了喷头到喷射面始终控制在0.8米，有效保证了喷射混凝土质量，减少喷射混凝土回弹量，降低了粉尘污染，混凝土的施工质量也因此得以保证，成本也得以大幅度降低（锚喷支护机械配套表见表2）。

3.3 仰拱施工机械。

长洪岭隧道进口采用液压移动仰拱栈桥，主桥38m，支点间跨度23m，一个循环最大施工长度20m，可横向移动和纵向移动，施工方便。该栈桥主梁和桥面采用桁架式结构，减少了自重和结构高度，满足了通行和桥下作业净空要求，实现了仰拱全断面作业。移动就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移动就位仅需1小时，提高了仰拱混凝土的施工速度（仰拱施工机械配套表见表3）。

3.4 二次衬砌施工机械。

为加快二次衬砌施工进度，长洪岭隧道进口采用两台长度12m全液压整体式模板台车用于二次衬砌施工，隧道二次衬砌所用混凝土来自自建的大型自动计量混凝土拌合站。采用4台容量8m3的罐式混凝土运输车和2台混凝土输送泵进行混凝土浇筑。同备用两台250千瓦发电机，以防停电（二衬施工机械配套表见表4）。

3.5 超前地质钻孔及预报设备。

3.5.1 自行式全液压旋转冲击式钻机。

为了准确的探明隧道地质情况，为隧道快速掘进提供科学的地质依据，在长洪岭隧道进口配置日本生产的RPD-150C型自行式全液压旋转冲击式钻机，用以进行超前地质探孔，可直接取芯、现场记录，及时准确的为施工服务，以便采取不同技术措施指导施工生产。

3.5.2 TSP203超前地质预报。

采用先进的TSP203超前地质预报系统，能方便快捷地预报掌子面前方100～350m范围内的地质情况，不仅可以及时地为隧道施工变更施工工艺提供依据，而且可以减少隧道施工中突发性地质灾害的危险性，为隧道施工提供施工更安全保障。

3.5.3 地质雷达。

当TSP超前探测发现有重大异常体地质时，采用地质雷达超前探测前方约30m范围内的地质预报，进一步确定异常体的规模、性质、危害性。

4. 泥岩、砂岩互层围岩快速掘进技术

长洪岭隧道围岩主要為泥岩夹砂岩、砂岩，两者平互层。砂岩的位置、厚度、硬度变化较大，如果开挖时钻孔、装药不合理，可能造成较大的台阶状的超挖或欠挖。开挖成型很差，对施工安全、施工质量、施工进度都可能造成较大的影响。

4.1 开挖方法。

4.1.1 超前探孔。

超前地质钻探作为超前地质预报手段中最直接、最直观、最有效的一种预报方法，在长大隧道施工中起着重要的作用。本隧道采用在拱顶部位、拱腰两侧各取一点作为超前探孔施作点，探孔深度均为5.0m。超前探孔的施作，可以超前准确预报出掌子面前方围岩发育情况及各种地质灾害，为施工安全提供了有力的保障。

4.1.2 楔形掏槽。

由于本隧道设计跨度大、净空高，采用全断面一次爆破开挖，没有大的掏槽自由面是很难实现的，施工人员经过多次掏槽试验，最后确定采用复式楔形斜眼掏槽。第一级掏槽角控制在45°～55°，不宜过大或过小。通常情况下，掏槽眼上下排间距取50～90cm，硬岩取小值，中硬岩取中值，软岩取大值。同一隧道横断面上，一对掏槽眼眼底距离通常取20～30cm。

4.1.3 光面爆破。

采用光面爆破，可以减小对围岩的破坏，增强围岩自身的承载能力，要强调的是，在不良地质条件下，更要加强光面爆破，取得良好的爆破效果，规避二次处理欠挖，避免出现围岩冒落及塌坍现象。影响光面爆破的因素比较复杂，除了地质条件、钻孔的准确性和爆破技术操作性外，还有光爆层厚度、周边眼间距、装药量和装药结构以及起爆技术等。要根据围岩地质条件，确定合理的光面爆破参数。

（1）根据围岩特点合理的选择周边眼间距和最小抵抗线，在硬岩处必须缩小周边眼间距，增加药量。

（2）减小二圈眼装药量。二圈眼距离轮廓线很近，过大的装药量可能使光爆层发生超爆甚至围岩松动，因此，减小二圈眼药量使十分必要的。

（3）采用毫秒微差有序起爆，创造良好的临空面。

（4）加强操作人员技能培训，提高其钻孔和爆破实际操作能力。

4.2 初期支护。

（1）喷射混凝土。

爆破后，立即对暴露面进行初喷（素混凝土），喷层厚3cm～5cm，以尽快的速度及早对围岩进行封闭。待下一循环前，在施作了锚杆、钢筋网片后再复喷，喷层厚度不小于12 crn。

（2）锚杆及钢筋网。

系统锚杆的施作可以增加层面问的抗剪强度和摩擦力，向围岩施加径向压力形成承载拱，可以减少围岩变形，提高围岩的整体稳定性。锚杆的钻进方向必须是垂直掌子面岩层面，施工中，拱部采用22中空注浆锚杆，边墙采用砂浆锚杆。锚杆施工后挂设6mm钢筋网片。

5. 仰拱及二次衬砌快速施工

（1）施工实践及测量资料证明，仰拱封闭前围岩收敛变形较大，且发展速度快，很难稳定，而施作了仰拱后，围岩与支护很快趋于稳定，可见仰拱及时封闭是关键。为了加快仰拱施工速度，在原有一座液压栈桥的基础上，又增加一座16m长自制移动栈桥，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。

（2）长洪岭隧道围岩主要为泥岩夹砂岩，但泥岩遇水易软化，初期支护后拱顶仍有掉块及坍塌的可能性，及时进行二次衬砌施工显得尤为重要。二次衬砌采用整体式模板台车衬砌，混凝土集中拌和，输送泵输送，泵送入模。在围岩变形发展加快或不稳定，出现安全隐患的情况下，采取衬砌紧跟的措施，以确保隧道施工安全。

6. 施工通风

搞好隧道通风，改善作业环境，是实现隧道快速施工的必要条件。根据总体工期安排，长洪岭隧道进口独头掘进4700m，通风质量尤为关键。根据精确论证，风机选用高风压、大风量的双级SDF（C）-No12.5型轴流风机。通风管采用PVC增强维纶面制成的柔性风管，有优良的阻燃的抗静电性能，节长一般在20～50m。施工中，根据通风效果及时调整风机数量，及时调整风机转速，采用低速、中速或高速，在保证施工通风效果的前提下，达到节约用电的目的。

7. 几点创新点

（1）运用TSP203、地质雷达并结合超前探孔等超前預报手段，总结出了一套针对高风险隧道的超前地质预报方法，对指导隧道施工起到了重要的作用，有效的减小了地质灾害对隧道施工的影响，确保施工安全。

（2）针对泥岩、砂岩互层，水平岩层发育等地质特性，在施工中不断地总结，并通过现场不断优化，形成了一套适合于大断面特长隧道水平岩层快速施工的工艺。

（3）通过采用液压凿岩台车、混凝土湿喷机械手、液压移动栈桥等先进的施工设备，实现了铁路单线特长隧道的快速掘进，为特长铁路隧道的机械化配套施工做出了有益的探索和实践。

（4）人员安全定位系统，为了确保施工安全，强化对现场施工情况的动态控制，全面提高项目施工生产和安全管理的综合水平，项目引进电子屏显示和系统安全定位系统，可以自动统计隧道内作业人员的进出时间，随时反映隧道内人员和机械的运行情况，极大提高了安全生产防控能力。

8. 经验与体会

（1） 特长铁路隧道施工机械的选型配套，不仅要体现设备的先进性和稳定性， 更要体现配套的合理性，应着眼于机械配套后综合作业能力的提高，尽量使各工序、各环节的作业效率相匹配，充分发挥机械化的整体性能。

（2）开挖成形光爆效果对隧道的初期支护及二次衬砌质量有着直接影响，关系着整个项目的效益，必须严抓不放。

（3）与传统人工开挖单价相比，机械化开挖单价指标偏高，进度提升是降低开挖成本的重要手段；一般人工开挖进度指标在150～180m/月，机械化施工能够达到250～350/月之间，综合成本大为降低，有利于机械化施工的大力推广。

（4）搞好文明施工，创造良好的施工作业环境是实现快速施工的前提。良好的工作环境，既能激发职工的劳动潜力，又能提高工作效率。

参考文献

[1] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海：上海科学技术出版社，1996.

[3] 杨文渊编. 简明工程机械施工手册[M] . 北京： 人民交通出版社，2001.

[文章编号] 1619-2737（2018）02-06-787

[作者简介] 余清华（1971.2.28-），男，职称：中级工程师（2004年），工作单位：中铁隧道局集团有限公司，2003年毕业于兰州铁道学院（大专），专业：工程造价，2015年毕业于四川农业大学（本科），专业：工程造价。