特长公路隧道单头快速掘进施工技术研究

邓科，刘彬，王不凡，张庆明，王羽

（1重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆 400010；2重庆交通大学 土木学院，重庆 400074）

0 引言

隧道施工大多是采用新奥法进行的，开挖基本上采用钻爆法，出碴多采用无轨运输。隧道施工的快速修建设备配套技术水平、施工装备及机械化仍处于隧道施工机械化初期，整体技术仍较落后，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。为提高机械化作业程度、施工质量、效率和提升施工信息化，城开特长隧道 （位于在建的重庆城口至开州高速公路，为全国在建高速公路的第三长隧道）根据实际情况配置了大型施工机械配套设备。这套设备主要是由开挖台车、三臂凿岩台车、车载式湿喷机械手、多功能超前地质钻机、二衬台车、自行式液压仰拱栈桥、防水板台车、检测管理系统等组成，更加机械化、科学化、信息化，能极大地减少作业人数、改善施工环境、提高施工效率、保证施工质量。

1 工程概况

城开高速公路青龙特长隧道是重庆境内目前最长的在修公路隧道，工程地质环境极为复杂，施工工期长，隧道进口位于重庆市城口县咸宜乡青龙村，出口位于开县满月乡天子村锁口庙附近。隧道左洞长度为11489m，右洞长度为11456m。隧道公路等级为双向四车道高速公路，隧道路面横坡单向坡2%（直线段）。左洞起止桩号：ZK71+781～ZK83+270，右洞起止桩号：K71+778～K83+234。该地段工程地质情况主要为：块状角砾岩、白云岩，局部夹泥灰岩、页岩、泥质粉砂岩与灰绿色互层。块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。

经地质勘查，隧道埋深大于769m处时有岩爆发生的可能性。采用这套新型的单头快速掘进设备，隧道的质量、效率、安全都有极大的提高[1]。

2 单头快速掘进技术

2.1 工作原理与适用范围

由于隧道的长度大，地质环境复杂，使用多功能超前地质钻机用于隧道超前地质预报、钻注一体化施工，能快捷完成各种复杂岩层变化的超前地质预报，及时通过钻孔数据进行分析判断，有效探明隧道开挖前方的地质情况，大幅度提高施工安全。单头快速掘进设备的基本工作原理是利用三臂凿岩台车来测量、钻眼、装药，以此来减少对周边围岩的扰动；然后车载式湿喷机械手进场，改善凿岩车工作后的施工环境。

自行式液压仰拱栈桥提供辅助作用，它采用机电一体化设计，能自动行走，为仰拱施工提供了小型流水作业工作面，满足隧道仰拱混凝土整幅浇筑一次成型和快速施工的需求，保证仰拱施工的整体性，确保施工质量。

防水板台车完成防水板施工后可兼作隧道钢筋网施工平台进行钢筋网施工，极大地减少了人工劳动强度、提高了施工效率，挂设防水板速度也得到较大提高。二衬台车及时跟进，保证施工质量；同时，使用完善的监控管理系统，时刻对隧道内有害气体的含量进行监测，对存在地质隐患段进行24h监控，进一步提高隧道信息化施工程度，为施工人员的安全提供保障。

单头快速掘进技术适用于长度大于3km，且地质情况复杂，对施工质量和进度有一定要求的隧道。

2.2 施工工艺流程

单头快速掘进技术的工艺流程如图1所示。

图2 单头快速掘进施工现场测量放样图

3 单头快速掘进施工技术实施方法

3.1 测量放样（图2）

采用莱卡全站仪TPS1201（精度1″）进行测量放线，测量前视人员利用凿岩台车中间的云梯台架[2]，用红油漆画出周边眼孔位，具体需注意以下几点：

① 测量按照轮廓线程序将开挖的周边眼孔位画出，整体孔位应呈一条圆滑的弧线；

②辅助眼也要在放样周边眼的同时用固定尺 （按照爆破设计的固定间距）将辅助眼轮廓线也画出，炮眼间距60cm；

③为控制周边眼钻进角度和坡度两个重点方面，应由掌子面向后方画出5条坡度控制线（中心线1条、拱肩和边墙的坡度线4条），同时在下方放出中心位置；

④掌子面的掏槽眼、扩大眼、抬炮眼等由现场技术员在台车定位后，根据测量放样的中心线和高度严格布孔，布孔必须标准，严禁未布孔开钻施工；

⑤超欠挖应在每一循环进行测量，并在岩面标出超欠挖值。欠挖部位要及时和班组、带班沟通交底，当班处理；测量队要在下一次放样时复测后方的欠挖处理情况。

3.2 单头快速掘进施工技术

3.2.1 三臂凿岩台车操作（图3）

图3 凿岩台车钻孔步骤示意图

工作前检查泵、空压机，并检查管路、接头等有无漏油、漏水和漏气等现象。确定各部操作杆、控制装置及仪表处于正常。准备行走时需要降下升降平台，倒回滑动工作台，缩回臂架，将导杆摆成水平，凿岩机保持在始动位置，缩回支腿方能行走。台车行走前，应查看场地周围，确认前后左右无人及障碍物后，再按照引导人员的指示信号作业，不可误触操作杆。

行走要平稳，避免紧急操作发生意外事故，特别在上下坡时应特别注意。由于台车的机体很长，转向时机体的前端与尾端摆动较大，操作时要特别慎重。液压油温应保持在30℃～70℃范围，超过70℃时，应立即停止行走。进入凿岩作业之前，应清除作业面上的危石。连接水管前，先用压缩空气排除管内的尘埃。将绝缘的电缆线准确地接在供电装置上。在凿岩作业和升降平台作业时，必须先张开支腿，方可进行凿岩作业和升降平台作业。严禁移动机体，否则将损伤臂和导杆。

若臂需移位时，必须先退回导杆，使顶点离开工作面，注意臂不要相互碰撞，撞坏油管。移动臂时，不可让软管绊绕。操作升降平台时，一定要用手势或信号提醒下方作业人员注意，随时查看下方的臂与导杆的位置是否正确。运转中，因导管、软管、液压部件等损伤引起漏油时，应立即停止发动机。停放时，应将导杆和臂根据行走状态摆成水平位置，各操作杆置于中位，停止发动机[3]。

喷射时首先伸展机械手大臂调整喷头在边墙底部施喷位置，使用机械手小臂自动平行功能调整小臂与地面水平，与隧道边墙平行，调整喷头距离、角度，完成上述工作后即可开始喷射。喷射中尽量不要再调整喷头距离、角度及机械手大臂，仅需使用自动伸缩功能控制喷头在小臂上自动伸缩，从一端缓慢运行到另一端来回2～3次可完成一遍喷射；然后伸展大臂30cm左右（在拱部根据隧道轮廓小臂做适当翻转），大臂做垂直、水平移动，确保喷头与岩面的角度和距离，按上述顺序喷射下一部位，如此循环完成需喷混凝土的喷面。喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等对喷射混凝土质量、回弹有较大影响，机械手湿喷混凝土作业时应严格控制。

图4 自行式液压仰拱栈桥现场施工图

3.2.3 自行式液压仰拱栈桥操作

栈桥安装就绪后，前后顶升油缸工作，使前、后车轮离开钢轨约50mm，且前后支腿着地。检查前、后坡桥、过渡桥板是否垫实。允许各种车辆通行，准备桥下仰拱作业。仰拱与回填施工结束，通过提升倒链葫芦，提起前后坡桥。前后顶升油缸工作，使前、后车轮支撑于钢轨、前后支柱离地不小于100mm。检查电器系统是否完好，启动行走电机，带动栈桥向前移动到下一工位。检查各部无误后，完成栈桥准备工作。栈桥组装完成后，应检查各部连接螺栓是否拧紧。车辆通行前，检查各支腿、前后坡桥、过渡桥板是否支撑牢固、落实。栈桥应有照明，以不影响司机视线为主，通行时应限速，不得超过5km/h，并在上桥前鸣笛。栈桥上应有安全标识和警示灯，栈桥自行前，检查支腿、前后坡桥是否收起，轨道间距是否标准，有无其它障碍物。栈桥自行时，桥下和两侧不得有人，栈桥上一次只允许一辆重车通过 （图4）。

3.2.4 防水板台车操作规程

固定防水板时，视初期支护面的平整度将防水板预留一定的富余量，以防过紧而被混凝土挤破。为使防水板接头焊接良好，防水板每环铺设长度应比衬砌长度长2.0m，以保证有足够的预留搭接长度。防水板铺设好后，安排好工序衔接，尽快绑扎钢筋灌注混凝土。软弱围岩地段衬砌紧跟开挖面时，衬砌端部预留防水板接头须采取防护措施，防止掌子面爆破时，飞石砸破防水板。衬砌加强钢筋安装、各种预埋件设置、挡头模板安装，以及泵送混凝土振捣等工序作业中要防止破坏防水板。

4 实施效果

城开特长隧道使用这套单头快速掘进设备进行施工取得了良好的应用效果。从施工人数上看，它大大减少了隧道掌子面施工人数以及防水板台车挂设防水板工人的劳动强度；从隧道施工环境上看，它改善了洞内的作业环境，降低了噪音污染、粉尘污染等，提高了安全保障，直接减少了职业病的产生，体现了人性化施工的理念；从施工质量上看，车载式湿喷机械手能保证混凝土密实度，施工质量得到了有效提高。二衬台车能保证二衬混凝土施工的密实度，拱顶预留注浆孔，可进行带模注浆，在过程中防范拱顶空洞这一质量通病，保证施工质量；从信息化上看，这套掘进设备的监控系统配置完善，可以24h对隧道进行监测，保证发现问题即可迅速解决，也为施工人员的安全加上一道保险[4]。

5 结语

城开特长隧道采用的单头快速掘进施工技术极大地改善了洞内施工环境，降低了噪声、粉尘污染，为工人的健康提供了保障。它对于类似的特长公路隧道快速施工、提高施工的安全性、降低事故率有较大的参考意义，具有很大的推广价值。

未来公路特长隧道施工必将是高速公路修建面临的重大问题，单头快速掘进设备正是对现有公路隧道掘进设备技术的一次完善，也为未来特长隧道施工提供了案例示范。本次城开特长隧道使用的单头快速掘进设备是实际工程中的进一步验证，具有一定的前瞻性和趋向性，推广前景好。