高速铁路隧道支护结构机械化施工技术

王更峰

（中铁十一局集团第四工程有限公司 湖北武汉 430074）

1 引言

随着我国交通事业的迅速发展，使得隧道工程的建设总量成倍增长。然而如此庞大的隧道建设总量，加之不断提高的质量要求、建设难度以及逐渐上升的劳动力成本等多方面因素给予了建设单位极大的负担［1］。在这大环境下，推动施工机械化成了隧道工程的当务之急。机械化施工可在降低施工过程中劳动力的需求同时，加快工程进度的推进，提高工程的经济效率，与传统施工相比，其工程质量与安全更有保障［2-3］；先进的机械设备以及先进技术的引入迅速提升了隧道的建设水平，其优点得到了业内广泛认可［4-5］。

国外针对隧道施工机械设备及技术的研究起步较早，早在上世纪40年代，就已开展混凝土喷射机的研究工作，经过半个多世纪的发展，成绩斐然［6］。截止目前，世界范围内的众多发达国家针对隧道支护工程采用湿喷作业的比率已超八成，随着近年来湿喷设备往高自动化、易操作方向不断革新，支护施工的效率与环境质量均得到了显著提升［7］。相较之下，国内的隧道施工机械化应用则相对较晚，但发展较快，自上世纪80年代起，我国在隧道机械化施工方面逐渐形成了多种机械化施工作业模式，并在隧道建设中不断完善发展［8-9］。目前我国隧道工程已普及了基本作业的机械化，相应的机械配套技术应用可基本满足施工的要求，然而与国外先进机械施工相比，仍有不小差距。对隧道施工机械配置的升级，有效提高机械工作效率，确保快速施工和工程质量已成了目前我国隧道施工机械化作业的当务之急［10-11］。

本文结合某高铁高家坪隧道工程，分别从初次支护、仰拱施工以及二次衬砌施工三个方面着重探讨了高速铁路隧道支护结构的机械化施工技术，为类似工程提供了借鉴。

2 工程概况

高家坪隧道位于湖北省南漳县李庙镇境内，中心里程为DK451+786，全长5 498 m；隧道采用进、出口双向掘进，进口段起讫里程为DK449+037～DK452+300，全长3 263 m，最大埋深320 m，隧道纵坡设计为23‰，顺坡施工；隧道大部分位于直线上，仅进口至DK449+577.4 183位于半径R＝7 000 m的左偏曲线上，施工工期44个月；隧道围岩主要由页岩及灰岩构成，其中灰岩地区发育有岩溶地质，施工中存在突水突泥风险，页岩地层横穿炭质页岩夹煤线，可能还有低瓦斯，为Ⅱ级风险隧道。

3 洞身初次支护设备与作业模式

3.1 机械化湿喷工艺

对于长大铁路隧道支护工程，随着先进的机械设备与技术的不断革新以及施工环境的更高要求，使得喷射混凝土技术逐渐往湿喷技术领域发展。高家坪隧道配合混凝土湿喷机械手进行湿喷作业，如图1所示。整个施工过程采用遥控装置实现湿喷机械的操作，最佳喷射方位根据“转台移动与小臂伸缩定距离、旋转中小臂定位置、喷嘴定角度”的原则进行确定。混凝土喷射机械手的应用确保了作业人员的施工安全，再配合湿喷工艺使得施工过程中的粉尘浓度以及回弹率得到显著的抑制，施工作业环境得到进一步改善，同时大大降低了材料成本，施工质量亦得到了极大保障，有效地解决了传统干喷工艺中存在的高粉尘、高回弹和低质量等难题。

图1 混凝土湿喷机械手

3.2 拱架机械化快速安装

国内隧道修建安装拱架主要采取人工拼装，但沉重的拱架配件使得施工班组需要配置大量的劳动人员，且劳务繁重，施工安全亦得不到有效保证。高家坪隧道拱架安装采用铁建重工SCD112多功能拱架安装机（见图2），拱架的拼装效率得到了迅速提升，无论现场作业人员的安全，或是工程质量与安全均得到了有效保障，提高了工程的经济效益。

图2 SCD112多功能拱架安装机

3.3 DCP／YE锚杆钻注一体化施工

与传统的系统锚杆施工相比，DCP／YE锚杆可第一时间形成初始张拉力，具有所需劳动力配置低，安装速度快、注浆工艺简单、速度快、功效高、质量可控等特点［12］。高家坪隧道进口DK449+100～DK449+101.6／DK449+119.6～DK449+148.8两段里程进行锚杆工艺性试验，将原设计拱部组合中空锚杆及边墙砂浆锚杆采用新型DCP／YE锚杆代替。锚杆施工主要设备有：铁建重工ZYS113全电脑三臂凿岩台车、SCD112多功能拱架安装台车、冲击式风动扳手、JRD500B拌和、灌浆一体机及BJ-300注浆自动记录仪等机械化设备，具体设备见表1。

表1 锚杆施工设备统计

采用ZYS113三臂凿岩台车钻孔（见图3），台车自带吊篮辅助安装锚杆，具有钻孔速度快，钻孔、安装平行作业，节省人工，安全、高效的特点。

图3 ZYS113三臂凿岩台车

利用三臂凿岩台车自带空压机为风动扳手供风，台车吊篮供风口与风动扳手风管连接施加锚杆预应力。7462冲击式风动扳手（见图4）可以精确地给锚杆施加预应力，不但能够严格控制锚杆施作质量，显著提高生产率，而且可以大大减轻工人劳动强度。

图4 冲击式风动扳手

利用多功能拱架安装台车（见图5）吊篮作为施工平台，锚杆全部安装完毕后统一进行注浆。为提高注浆速率，构建由2台注浆机与1台注浆车辆构成的注浆工序单元，使得注浆设备与材料统一于车辆之中，提升注浆速率。

图5 SCD112拱架安装台车

4 仰拱机械化施工设备与作业模式

4.1 自行式仰拱腹模一体式栈桥施工

为提高施工效率和施工质量，高家坪隧道仰拱施工采用自行式仰拱腹模一体式栈桥施工，如图6所示。一体化移动式栈桥组成结构包括由10个以上伸缩单元组固定连接组成的栈桥主体以及折叠式桥板；将折叠式桥板设置于伸缩单元的上端，与之一一对应。其结构简单、便于操作，可在现场进行快速布设，具有较强的抗毁能力、稳定性、可靠性以及通行能力，使得传统式栈桥上掌子面开挖支护施工与仰拱的施工无法同时进行的问题得到有效解决。

图6 移动式栈桥

相比传统仰拱施工方法而言，一体移动式栈桥施工方法的浇筑跨度较大，进行一次浇筑的长度可以达到20 m，施工缝数更少，整体性更佳，其防水性能得到显著提升；施工阶段采用整幅式浇筑，不留纵向施工缝，仰拱的力学性能得到进一步优化；栈桥作业对栈桥上车辆的通行没有影响，对隧道内部的交通影响也不大；液压移动栈桥的刚度较大，两端桁架具有良好的支护作用，安全性能好，有效保障了栈桥上方车辆行驶过程中下部作业人员的施工安全，确保了施工进度的高效推进。

4.2 中心水沟机械化施工

高家坪隧道采用自行设计和加工的隧道中心水沟移动模架，实现了中心水沟浇筑一体化施工，施工质量与效率得到显著提升，大大降低了施工成本。移动模架由支架系、模板系和定位系三系构成，其中支架系包括：主纵横梁、行走轮等；模板系包括：主模板、挡头模板；定位系包括：横向螺杆、竖向螺杆、微调螺杆等，如图7所示。移动模板采用大尺寸定型钢模制作而成，使得作业人员工作强度大大降低，在一定程度上消除了由于人工操作不当造成的工程缺陷，使得结构的外观与质量得到有效保障。

图7 中心水沟移动模架

通过模架可迅速完成大块模板与定位系统的组装工作，并借助机械将移动模板整体牵引至下一组，消除了传统小钢模等零散拼装施工效率低下、劳动强度高等问题；同时，模架造价低、易于操作，有效降低传统方法中临时支撑的材料成本，施工效率及效益均可得到显著提升。

5 二次衬砌施工设备与作业模式

5.1 钢筋机械化安装

高家坪隧道采用自动式整体模板台车，如图8所示。自动式模板台车车架上布置有钢筋工作平台，钢筋工作平台连接有升降臂，升降臂连接有升降驱动装置，可以起吊钢筋，还可以满足其他施工同行的需要，有效降低安全隐患，保证施工进度，台车采用遥控控制。

5.2 二次衬砌机械化安装

高家坪隧道二次衬砌施工采用二次衬砌台车全机械化安装，台车结构如图9所示。台车配备行走定位、浇筑、振捣、端头模板系统。

图8 自动式模板台车

图9 二次衬砌台车结构

图10 为二次衬砌台车行走定位系统。台车前后3D扫描仪定位，把需要偏转的角度和位移通过自动调整左右、上下油缸来实现台车拱形骨架和模板的精确定位，通过立模油缸来实现精确立模。

图10 二次衬砌台车行走定位系统

图11 为二次衬砌台车浇筑系统。通过混凝土输送台车把混凝土泵送至浇筑机械手，机械手可以纵向和环向运行从而实现左右平衡分层逐窗带压浇筑，整个浇筑过程混凝土不易漓析。整套浇筑系统只有在浇筑头处使用了一小段软管，具有不易堵管和易清洗的优点。整个浇筑过程只有一套浇筑机械手工作，另一套备用，这样能够保证整个浇筑过程的效率。

图11 二次衬砌台车浇筑系统

混凝振捣优先采用外部振捣，因外部振捣易实现自动化控制，且人工强度小。气动振捣器因振动频率高、对台车结构影响小而在国外广泛应用于隧道二次衬砌台车上（见图12）。且通过振动分析仪，能够实时监测振动时间、振动频率、振动振幅和振动加速度等振捣参数，从而保证混凝土浇筑以及最终产品和工程的质量。

图12 二次衬砌台车气动振动器

5.3 二次衬砌机械化带模注浆工艺

为了实现对二衬拱顶的脱空及带模注浆，将二衬台车进行适当改进，在二衬台车的拱顶设置4个孔槽，如图13a所示，而后将固定法兰满焊于孔槽处，用以固定RPC注浆管及定位法兰，最终使固定管底部有效连接注浆机注浆管，如图13b所示。通过设备的改造，实现了在不脱模的工况下完成二衬拱顶的脱空及注浆施工，确保了二衬拱顶的密实，施工效率得到了显著提升。

图13 二衬台车改造示意

通过对二衬台车的改造实现了带模注浆，衬砌拱顶脱空问题得到了有效解决，其注浆耗时更短，对于后续的工程干扰更小，并使得注浆与衬砌混凝土较好地形成统一整体。

6 结束语

某高铁高家坪隧道工程，针对其支护工程，分别从初次支护、仰拱施工以及二次衬砌施工三个方面对其机械化施工技术进行探讨：

（1）对于初次支护工程，采用混凝土湿喷机械手进行湿喷作业，有效保证施工人员的安全，改善了隧道施工环境，节省了材料及成本，提高了施工质量及经济效益，有效地解决了传统干喷工艺中存在的高粉尘、高回弹和低质量等难题；采用铁建重工SCD112多功能拱架安装机进行拱架安装，拱架的拼装效率得到了迅速提升，无论现场作业人员的安全，或是工程质量与安全均得到了有效保障，提高了工程的经济效益；采用DCP／YE锚杆并配合全电脑三臂凿岩台车、多功能拱架安装台车、冲击式风动扳手、拌和、灌浆一体机及注浆自动记录仪等机械化设备，可显著提高生产率、施工安全及质量，亦可极大减轻工人劳动强度。

（2）对仰拱施工，采用自行式仰拱腹模一体式栈桥施工，解决了传统式栈桥上掌子面开挖支护施工与仰拱的施工无法同时进行的问题。同时采用自行设计和加工的隧道中心水沟移动模架，实现了中心水沟浇筑一体化施工，施工质量与效率得到显著提升，大大降低了施工成本。

（3）对二次衬砌施工，采用自动式整体模板台车，可满足其他施工同行的需要，有效降低安全隐患，保证施工进度。通过对二衬台车的改造实现了带模注浆，衬砌拱顶脱空问题得到了有效解决，其注浆耗时更短，对于后续的工程干扰更小，并使得注浆与衬砌混凝土较好地形成统一整体。