大断面隧道加强型机械化施工管理及施工效果分析

2018-09-22姜银周申百囤

隧道建设(中英文) 2018年8期

姜银周，申百囤

(中铁一局集团第五工程有限公司，陕西宝鸡 721006)

0 引言

伴随着经济的发展和综合国力的提升，基础设施建设逐渐成为我国发展的重点。近年来，由于我国人口数量的不断增加，各地区之间的联系不断加强，对交通提出了更高的要求，其中高速铁路发展最为突出，而隧道建设又是高速铁路发展的重点工程，且隧道工程的质量会直接关系到高速铁路的发展[1-2]。由于隧道工程施工的隐蔽性和危险性，直接导致隧道施工空间狭小和施工环境恶劣，致使施工难度加大。因此，改善施工作业空间，提高施工环境质量，对于隧道工程建设尤为重要[3-4]。

为保证隧道施工安全，2014年9月19日国家安全监管总局、交通运输部、国务院国资委、国家铁路局四部委以安监总管二(2014)104号印发了《隧道施工安全九条规定》，明确要求在隧道施工中应严控作业人数，提高作业面施工环境，要求作业面要采用机械化施工。随着我国高速铁路建设的快速发展，隧道机械化施工是发展的必然趋势[5-8]。

根据中国铁路总公司《关于郑州至万州铁路湖北、重庆段工程初步设计的批复》(铁总鉴函[2016]723号)对隧道施工采用加强型机械化配套的要求，在郑万高铁隧道施工中选定部分隧道工作面进行加强型机械化配套施工。加强型与普通型机械化配套相比，每个工点均增加配备了全电脑三臂凿岩台车2台、拱架安装机1台，其余设备大致相同。

目前，国内隧道施工已经很少使用人工开挖法，随着隧道施工机械的不断发展，隧道机械化程度越来越高。国内外较多学者对人工开挖方法与机械化开挖方法下的施工管理体系及施工效果进行了大量的分析[9-10]，而对机械化施工方法中加强型与普通型机械化配套施工的对比分析较少。根据我国高速铁路的发展要求，加强型机械化隧道施工组织管理体系的建立对于推动高速铁路大断面隧道建设具有重要意义[11-13]，故本文将展开对隧道加强型机械化和普通型机械化类型施工管理体系及施工效果的分析。

结合郑万高铁湖北段ZWZQ-8标隧道施工实践，通过对隧道加强型机械化和普通型机械化配套类型施工管理体系及施工效果进行分析，考虑施工管理、施工设备及作业线班组配备等因素，分析在长大隧道施工中加强型机械化配套施工管理对隧道工程建设的作用，以及隧道采用加强型机械化施工后的施工效果。

1 工程概况

新建郑州至万州铁路湖北段站前工程ZWZQ-8标，正线全长36.002 km，隧道总长34.05 km，占标段总长的94.6%，其中，楚烽隧道5 298 m(总长8 708 m)，新华隧道18 770 m，甘家山隧道5 592 m，兴山隧道4 375 m(总长10 085 m)，均设计为单洞双线隧道。根据实施性施工组织设计安排，标段内共5个施工作业区(7个正洞工作面)：楚烽隧道2#横洞、新华隧道3#横洞+斜井+出口、甘家山隧道横洞。

各作业工区隧道均采用大断面开挖方法进行施工，根据不同围岩级别及埋深条件，可分为全断面法和微台阶法。全断面法即含仰拱一次全环开挖，完成后初期支护立即闭合成环，见图1。微台阶法即分上下台阶(上台阶长3～4 m)2次开挖、2次支护，根据下台阶高度不同，分为2种情况： 1)下台阶高度为仰拱高度称为微台阶Ⅰ法，见图2(a)； 2)下台阶高度3～4 m称为微台阶Ⅱ法，见图2(b)。

图1 全断面法施工示意图

按照加强型机械化配置组织施工，主要配套机械为三臂凿岩台车、拱架安装机、混凝土湿喷机械手、防水板铺设及钢筋定位台架、自行式仰拱栈桥、衬砌模板台车和喷淋养护台架。部分机械如图3和图4所示。

(a) 微台阶Ⅰ法

(b) 微台阶Ⅱ法

图3 三臂凿岩台车

图4 拱架安装机

2 隧道施工管理

隧道施工管理主要包括施工管理体系、施工设备及作业线班组配置。加强型机械化施工作为目前隧道施工发展的必然趋势，其施工管理的合理性及高效性对于加强型机械化施工的推广具有重要的研究价值。本文通过对加强型机械化和普通型机械化施工管理进行对比，以分析加强型机械化施工的优势。

2.1 施工管理

为保障隧道加强型机械化施工配套使用和安全管理，按“谁主管，谁负责”的原则，明确各级领导、职能部门和人员的岗位职责和安全生产职责，发挥大型专业配套机械化施工优势，结合项目实际情况制定加强型机械化施工管理制度。其管理体系为：项目部加强型机械化施工管理领导小组(管理层)、项目分部(执行层)、隧道作业队(作业层)3级管理模式。主要内容如图5所示。

图5 加强型机械化配套施工管理模式

Fig. 5 Management mode of strengthened mechanized construction

隧道普通型机械化施工作业采用施工作业队和作业班组2级管理组织体系，管理组织体系上有了较大的变动。从管理级别上，加强型机械化施工较为复杂，但可以有效地提高施工效率，达到“谁主管，谁负责”的要求，责任到人，提高隧道施工质量。

2.2 施工设备

隧道加强型机械化快速施工从开挖、出碴、初期支护、仰拱铺底、防水作业、衬砌作业、水沟电缆槽等主要施工工序为出发点，设备配套能力作为保障，各工序之间相互协调、合理搭接，达到隧道快速施工的目的。

隧道加强型机械化配套的关键工序由机械控制、人工辅助，施工质量得到了极大的提升；而普通型机械化配套施工设备较落后，施工很大程度上受人为因素的影响，质量难以保证。

为满足大断面双线高速铁路复杂隧道开挖要求，郑万高铁为各工序配置先进的机械设备，各工序机械设备配置如表1和图6所示。

2.3 作业线班组配置

根据隧道主要施工工序，将作业线分为开挖作业线、出碴作业线、初期支护作业线、仰拱铺底作业线、防水及衬砌作业线和水沟电缆槽作业线。加强型和普通型机械化配套施工各作业线班组(人数)对比见表2和图7。

由表2和图7可知，采用加强型机械化施工时各作业线的人数都少于普通型机械化施工，人数约为普通型机械化施工的56.36%。

3 施工效果

施工效果主要从施工作业环境、作业安全性、施工质量和施工效率4方面进行对比分析。

3.1 施工作业环境

相同断面隧道开挖若采用常规人工钻爆法施工，需配置风钻数量多达30把，钻机由空压机高压风作动力，开挖面空气污染大，同时作业风钻会产生高分贝噪音，对持钻工人身体健康极为不利，施工环境如图8所示。电脑三臂凿岩台车开挖采用电力作为动力，开挖面空气污染极小，噪音较小，大大降低了作业环境对作业人员的伤害，施工环境如图9所示。

现场采用混凝土湿喷机械手进行初期支护作业，隧道内掌子面粉尘浓度较低，整个作业区域空气质量较好，有效地改善了施工作业环境，满足职业健康安全要求。

3.2 作业安全性

采用人工风钻开挖，司钻人员离掌子面很近，如果隧道掌子面岩层自稳性较差，易造成人员伤害。采用电脑三臂凿岩台车开挖，操作人员在封闭的驾驶室，离掌子面有十几m远，处于初期支护封闭区，大大提高了作业安全性。另外，凿岩台车的多功能升降吊篮能配合测量放样和装药等作业，相对于普通开挖作业台架灵活多用，更利于作业安全性。

混凝土湿喷机械手有一个可以伸缩和旋转的液压臂架，采用无线电遥控器操作，操作人员可以站在已经初期支护完成的安全地带控制设备运转，施工安全性有很大提高。湿喷机械手采用三臂伸缩使喷头贴近掌子面进行喷射施工，设备本身在已经初期支护完成的部位，即使掌子面出现塌方掉顶，也不会威胁到设备本身。在隧道施工爆破后，凿除危矸松石，接着可以用压缩风和水对爆破后的围岩进行冲洗，清除浮尘；随后即可对爆破后的围岩进行初喷，及时对掌子面围岩进行封闭，减少围岩暴露时间，增强施工安全性。

自从采用该喷射机械手进行初期支护施工后，未发生工伤事故。传统的混凝土喷射机进行喷浆作业时必须待碴土清除干净，工作台架移动到需要喷射的作业面下方，由操作人员站在台架上手持喷头实施喷射，此时操作人员的劳动强度较大，施工安全存在极大隐患。采用混凝土喷射机械手可以完全避免以上隐患，能有效保障施工人员的安全和健康。

表1 加强型机械化配套各工区工序机械化配套表

图6 加强型机械化配套各工区工序机械化配套图

施工内容加强型机械化配套施工人数普通型机械化配套施工人数备注开挖作业线8～1026～28凿岩台车和风钻打孔比较,以全断面(150 m2)为例初期支护作业线8～1020～25 机械施工按1套机械手+运输车,锚杆施工按台车钻孔人工安装计算;小型机具按2套喷混凝土设备,锚杆按风钻钻孔人工安装计算出碴作业线914均按双装载机装碴,大型运输车按4台配置,小型运输车按6台配置仰拱铺底作业线1218防水作业线57衬砌作业线88水沟电缆槽作业线610总人数(约数)62110

图7加强型、普通型机械化配套隧道施工各作业线班组(人数)对比图

Fig. 7 Comparison of operation lines between reinforced and conventional mechanized construction of tunnel

图8 人工钻爆法施工环境

图9 机械化施工环境

3.3 施工质量

施工质量主要从隧道开挖主要的施工工序进行分析。

3.3.1 钻爆

为保证隧道光面爆破效果，隧道钻爆图的设计及优化至关重要。

加强型机械化施工操作手可以根据钻爆设计图孔位施钻，如图10所示，并及时给工程技术人员反馈开挖效果，以便对钻爆设计进行优化，从而达到光面爆破及降低炸药单耗的效果。辅助眼钻孔时，根据掌子面围岩坚硬程度、岩层产状等适当调整钻爆设计图炮眼间距及角度。操作手根据电脑钻爆图适时钻孔，个别孔人工可干预微调钻孔，可以有效地控制超欠挖(利用凿岩台车轮廓扫描仪测量爆破后的超欠挖)情况，真正做到光面爆破，减少出碴和回填方量，减少衬砌混凝土的消耗，省工、省时、省料。超欠挖扫描见图11，爆破效果见图12。

图10 爆破图

图11 超欠挖扫描 (单位： m)

图12 爆破效果

普通型机械化施工虽是根据钻爆图设计进行全站仪定位，然后人工装药进行爆破，但爆破后超欠挖数据测量费时费力且误差较大，不能及时优化钻爆设计，从而限制了隧道施工质量。

3.3.2 喷射混凝土

混凝土湿喷机械手配备液态添加剂自动计量装置，能够精确添加速凝剂，电子程序能自动对混凝土和速凝剂流量同步控制，保证速凝剂最优掺量；机械手可以保证喷射角度和距离，避免人工喷射的盲区，加之机械手喷射流量稳定、速度匀速，并能实现现场连续湿喷，湿喷混凝土表面平整度较好，初期支护混凝土强度高、整体性强、密实度好。

湿喷机械手的喷射效率为7～25 m3/h，平均为18 m3/h，喷射前的设备准备时间短，可缩短作业循环时间，且快速封闭岩面会有效约束岩层变形的发展，改善围岩受力状态，增强围岩稳定性。湿喷机械手现场施工见图13。