跃龙门隧道多功能安装机快速施工技术研究

刘正龙

新建成兰铁路跃龙门隧道穿越我国著名的龙门山山脉，隧道采用双线分修，左线全长19981m、右线全长20021m，施工组织管理及工期压力极大，属控制工期性隧道工程，且由于其地质条件复杂多变导致安全管理风险极高。隧道初支钢拱架安装是一个重点工序，尤其是软弱围岩条件下人工作业安全和质量管控难度较大。本文结合跃龙门隧道机械化配置中的多功能钢拱架安装机的配置和配套技术研究，可形成“快速”施工机械化作业的关键点，突现多功能、集成化、功效高专业施工特点。结合现场配套管理及应用效果，优势显著，可为我国同类型隧道机械化配置配套及施工技术发展提供有益参考。

一、引言

近些年，随着我国经济水平的高速发展，在“一带一路”的推动下，我国铁路建设网全面铺开，尤其是在铁路隧道建设方面逐渐趋于长大隧道、特长隧道，必然带动隧道施工专业机械化设备的飞速发展。目前，我国的铁路隧道建设机械化推广和应用还受软弱围岩的局限，多数施工单位认为机械化设备只适用于中硬质围岩，软弱围岩不可行。

当前，我国铁路隧道施工方法正处在由分部开挖向全断面开挖过渡的阶段。因为全断面施工能采用大型高效的机械，工序减少，干扰也比较小，安全性能高；工法的转变带动整体机械化设备的专业水平及配套技术的成熟应用，尤其是凿岩台车的“开挖快”、湿喷机械手的“喷砼快”已经突显出绝对优势，隧道施工，尤其是软弱围岩施工关键就是一个字“快”，钢拱架安装机设备的研发和现场应用，正好弥补了“支护快”这一关键环节。以下，本文将结合技术研究依托项目，跃龙门隧道的工程建设，详细介绍隧道机械化配置配套中“快速”机制，并进行深入分析和探讨，旨在为我国铁路隧道机械化施工提供一些有益参考。

图1 跃龙门隧道（辅助坑道及线路）平面示意图

二、技术研究依托项目

由中铁十九局集团负责承建的跃龙门隧道是成兰线的控制工期性隧道，隧道采用双线分修，左线长19981m、右线长20042m，隧道最大埋深1440m；全隧采用“1 平导+3 斜井+2 横洞+2 泄水洞+1 副洞”辅助坑道设计结构；本标段施工成都端左线12685m，右线11156m，平导5735.033m。平导工区是整个成兰线施工的控制及重难点工程，隧道施工组、独头掘进距离长、反坡排水压力大、交通运输及通风排烟难度大。

按照铁路总公司安全支撑、机械配置高度化指导思想，共配置了阿特拉斯两臂三臂凿岩台车、履带式扒渣机、铁建重工湿喷机械手、多功能钢拱架安装机、C6 多功能地质钻机、仰拱多功能移动模板、防水材料及钢筋施工台架、全液压带逐窗溜槽系统二衬台车、轨行式水沟电缆槽整体模板台车等50 多台配套机械化专业设备。整体上形成以平导超前掘进为主攻方向，“长隧短打”增开施工作业面的快速机械化综合配套隧道施工组织。

三、跃龙门隧道快速机械化的前期配置分析及不足探讨

跃龙门隧道在施工前期，机械化配置主要是应用重点在施工组，尤其是“快速开挖”方面，通过配置阿特拉斯凿岩台车相较人工钻爆而言，机械化快速优势极为显著；随后相继配置了湿喷机械手、扒渣机等设备，逐步形成“快速喷砼”作业形式，但还不能算作全作业工序的设备配置配套。

1.凿岩台车“开挖快”

（1）凿岩台车采用的液压凿岩机效能远高于人工风动凿岩机，大大压缩了开挖钻爆的工序时间，从时间上讲，时间同等时凿岩台车与人工开挖成本基本持平。

（2）从开挖进尺上讲，每一循环进尺凿岩台车比人工开挖要长50cm 左右，单孔钻进时间1-2 分钟， 凿岩台车开挖功效可提高20%左右；凿岩台车采用的固定轨道式钻臂可确保钻杆钻进过程中线性稳定不变，不受软硬岩变化、卡钻、夹钻等影响；钻孔质量大大提高，爆破效果极为显著，见图2。

图2 凿岩台车快速钻爆开挖

2.湿喷机械手“喷砼快”

（1）采用混凝土湿喷机械手可配合凿岩台车形成“快挖快喷”的机械化施工组合，图3。

图3 湿喷机械手快速喷砼封闭施工

湿喷机械手采用机控+无线遥控，最大遥控距离为100m，安全操控性较高；机械手最远喷射距离为15.3m，最大喷射混凝土30m3/h，功效远高于人工喷射混凝土12m3/h。

（2）施工完毕后的初支表面圆顺平整、受力均匀、整体密实。混凝土回弹量比普通湿喷机小，普通湿喷机混凝土回弹量在15%～25%，机械手可以控制在10%左右。

3.“快挖快喷”机械配置的不足分析

（1）人工安装“支护慢”：前期隧道施工阶段，在隧道支护工序中，钢拱架安装采用人工配合作业台架施工，这种安装方式施工人员多、劳动强度大、作业效率低，且安装质量较差，施工安全风险较大。

（2）根据隧道洞周应力演化规律的研究结果表明，采用及时支护可有效改善洞周应力分布和减少围岩破碎范围的发展，采用人工安装钢架和进行支护作业，时间效应方面存在严重的质量安全隐患。

（3）“快挖快喷”大型机械化高效的体现，但隧道是全工序流水线作业，随着我国隧道全断面、两台阶带仰拱等大断面开挖工法的应用，人工支护继而变成限制机械化发展的“短板”，同时也局限了大断面开挖技术的推广。

综上所述，钢拱架安装的机械化设备发展势在必行，并且在功能方面不仅仅局限于钢拱架安装，需要呈现出功能多样化、灵活化方面。

四、跃龙门隧道XZGMT411 多功能钢拱架安装机施工配套技术

1. XZGMT411 多功能钢拱架安装机设备介绍

XZGMT411 多功能钢拱架安装机由四川新筑智能工程装备制造有限公司研发制造，可用于隧道工程钢拱架（工字钢、H 型钢、钢格栅拱架等）的安装。整机设置3 个钢拱架安装机械臂和1 个凿岩臂，凿岩臂配置1 台18kW大功率凿岩机，可满足隧道初支系统锚杆、超前支护、锁脚锚杆（管）的多样性施工，设备具体参数详见表1：

XZGMT411 多功能钢拱架安装机技术特点：

（1）整机设计先进：整机采用正T 型结构全工程底盘，四轮驱动；整机模拟工况下最优化匹配设计，重心位置佳、通过性好、抗倾覆性强；整机运输尺寸（长x 宽x 高）9600x2760x3280，满足整体远距离运输。

（2）洞里及形式性能优越：采用油电混合双动力系统，满足全工况施工要求；三臂前伸行驶，满足小断面隧道施工；变速器一键式换档，最大时速20km/h、爬坡度30%，进场、山路转场轻松快速；离地间隙450mm 通过性优越；

（3）作业功能多用途、幅域大、效率高：满足隧道钢拱架安装并具备安装锚网、锚杆、装药、欠挖处理、隧道检测排险等辅助作业功能；拱架机械手可加装工作吊篮，三工作臂可单独或平行作业，近地面抓取、快捷装夹、灵活精准。

（4）操作、维护、保养方便：双无线遥控器操作，工作平台独立操控盒，三臂机械手独立控制，同时工作；整机布置合理，润滑点集中引出加注。

表1 XZGMT411多功能钢拱架安装机设备参数表

（5）安全、环保、节能：采用低压控制系统；行车制动采用双回路液压制动，安全可靠；国III 电喷柴油发动机，燃油经济性好，废气排放低；IE3 高效三相交流异步电机，高效节能，低噪音。

图4 XZGMT411多功能钢拱架安装机现场钢架施工照片

2. 钢拱架安装施工操作要点

（1）钢架进场摆放：采用测方式装载机或者自卸车进行钢拱架的装运，在卸装时应提前做好分类，主要将左右两侧预拼钢架做好分区摆放，放在掌子面的两侧；应避免野蛮卸车导致钢架变形无法拼装。

（2）台车就位固定：由班组长根据隧道中线指挥安装台车准确就位，同时必须保证就位区域平稳坚硬，一般台车钻臂最前端应距离掌子面约5 ～10m（视隧道断面大小确定）；排险后及时进行测量放样，可采用工作装搭载测量人员在掌子面放设钢拱架测量定位点。

钢拱架安装班组配置：班组长1 名，操作手1 名，电焊工（兼辅助工）4 名，合计6 人。

（3）系统锚杆施工：测量放样完毕后，操作凿岩臂进行锚杆的钻进施工，采用工作平台2 人跟进进行锚杆的安装固定。

（4）钢架场地预装：安排工人2 名，采用固定螺栓将连接板进行拼装固定，分左右两段进行预拼安装，拼接右2 节A 单元+1 节B 单元，左边1 节A 单元+1 节B 单元，并采用垫脚撑将钢拱架水平垫高30cm；同时安排2 名工人做好隧道支护所使用电焊机（至少3 台）、锁脚锚管、设备用电等工作。

（5）左右两臂装夹：左右拱架臂分别抓取右侧2A+1B 和左侧1A+1B 段，夹装固定应牢固；且抓举范围内不得有人员靠近。

（6）整体钢架举升：操作左右拱架臂分别举升至两侧初支对应安装位置，进行空中对接。

（7）空中合拢固定：有班组长进行指挥，2 名工人可直接站在平台工作臂栏中操作平台工作臂指导空中合拢操作，钢架合拢后进行测量点符合，确保安装进度满足验标要求；随即可通过工作平台进行钢拱架的连接板法兰螺栓、环向连接筋、钢筋网片的固定连接施工，或者可采用左右两臂将夹具更换成工作臂栏加快焊工操作速度；钢拱架安装应采用由外而内的顺序逐榀施工。

（8）腿脚锁脚施工：钢架安装完毕后应立即进行锁脚施工，采用凿岩臂进行钻孔，有人工配合完成安装和注浆作业。

（9）台车清理撤离：所有施工作业完毕后，将台车液压支腿收拢后撤离。

3.隧道软岩大变形段“快速支护”应用技术及效果

针对跃龙门隧道软岩大变形段落施工，总体施工宗旨体现在一个“快”字，确保“开挖快、支护快、成环快”，结合凿岩台车、湿喷机械手的高效应用，最大限度缩短整体开挖到成环时间。

（1）软岩大变形施工在“快速支护”方面重点控制工序为系统锚杆施工和钢拱架安装两个环节，隧道开挖初喷后应立即施作系统锚杆，而后安装钢拱架以及超前支护，自带凿岩机械臂的多功能钢拱架安装机可以“一次就位、三工序衔接”，免去了采用凿岩台车设备进出作业面的调转时间。

（2）软岩大变形段机械化施工普遍采用全断面或两台阶带仰拱的大断面施工方法，相对于传统的两台阶、三台阶人工操作而言，钢拱架A 单元重量（I20b：199kg、HW175：258kg、HW200：384kg），人工安装需大量体力方可实现，且需要8 ～14 人共同操作，功效低，且安全风险较高。

（3）采用XZGMT411 多功能钢拱架安装机进行大变形段H 型钢进行钢架安装，利用其三个可伸缩式机械臂采用电比例控制，能够灵活、精准、快速实现对拱架的抓举安装，三臂可单独或平行作业；单臂单臂机械手最大夹持重量1t，作业高度可达12.8m。

从钢拱架抓举、粗调、精调、定位、焊接等总体工序时间约每榀1 小时，较传统人工整整减少了近8 小时；且该设备采用双无线遥控器操作，三臂机械手独立操控，操作人员处于安全区域，有效避免零散落石的危险。

综上探讨分析，结合跃龙门隧道软岩大变形施工中机械化配置及应用情况，通过相互协调配合、优势互补形成“快速”施工，变形控制极其显著。

五、隧道钢拱架安装机配置选型浅析

结合前期市场调研分析，目前在钢拱架安装机设备专业厂家主要有3 家，分别为：北京新能正源环境科技有限公司、四川新筑智能工程装备制造有限公司、北京景隆重工机械有限公司，结合我单位跃龙门隧道施工工况及技术要求，分析如下：

1.目前市场中现有钢拱架安装机的设备调研分析

（1）北京新能正源环境科技有限公司生产隧道多功能支护台车(XM1200)：①台车配置3 个工作臂其中1 个主抓举臂和2 个辅助臂，安装拱架作业时操作手通过操作位于大臂前段吊篮内的主操作台进行控制，未配置无线遥控器。辅助臂采用卷扬机抓举结构角度不灵活，现场拱架安装精度调整慢，而且卷扬机抓举钢丝绳容易断裂存在安全隐患。②辅助臂未配置凿岩系统，不能进行锚杆钻孔作业，需单独配置液压锚杆机。③3#斜井工区掌子面较多，掌子面距离较长，各掌子面交叉作业频繁，履带式行走较慢，不适合长距离行走，效率低。

（2）北京景隆重工机械有限公司生产的隧道多功能支护台车(LCM3-120)：①台车配置3 个工作臂其中1个主抓举臂和2 个辅助臂，2 个辅助臂分别配置凿岩机(HYD200)，单根钻杆4.5 米，施工8 米锚杆和2.5 米锁脚时需接杆，接杆花费时间较长，成本增加。②台车安装拱架作业时操作手通过操作位于大臂前段吊篮内的主操作台进行控制，未配置无线遥控器。③台车底盘采用重汽豪沃，行驶速度最大能达到50km/h，适合长大隧道各掌子面的调转；但由于隧道内道路坑洼，路面状况较差，采用汽车底盘后期日常维护保养频率高且使用寿命短。

2.钢拱架安装机配置选型建议原则

根据前期设备调研及目前现场设备应用情况总结，隧道机械化施工设备的配置应综合分析，按照“配置配套”的总体思路进行选型，针对钢拱架安装机配置选型提出以下几点建议原则：

（1）隧道开挖断面及工法：钢拱架安装机适用于全断面及两台阶大断面隧道施工，单线小断面、辅助坑道及三台阶施工不建议使用；同时应根据实际施工情况合理选择机械臂数量配置，目前均为三臂操控，新筑生产的XZGMT411 为四臂单线隧道施工空间受限，可参考XZGT311 三臂型号。

（2）隧道作业面数量及施工组织：工程机械底盘和履带式底盘在隧道施工工况条件下均能满足复杂环境，如工作面较多且频繁调转建议考虑灵活性较高的工程机械轮式行走台车，如单工作面且错车空间较大的作业面建议采用履带式机械底盘，因其配重大工作性能稳定。

（3）隧道支护参数及措施：按照钢架形式、单元重量、锚杆形式及数量选择机械臂方案，避免出现“小马拉大车”的不合理配置。

（4）隧道造价：机械化配置配套设备费用较高，应结合隧道投资造价，综合分析机械化与人工成本的对比，选择最优经济性方案；但是考虑到“以人为本”的宗旨，钢拱架安装机的普及推广十分必要。

六、结语

以跃龙门隧道工程建设为技术研究依托项目，结合隧道机械化配置配套施工技术研究，针对隧道初期支护中多功能钢拱架安装机的设备应用，经过现场试验和经验总结出了一些配套施工技术。本论文旨在通过工程应用和技术研究解决隧道初支“快速”施工问题，其中针对设备管理、使用、配套技术及方案选型等方面进行了探讨和研究，其中一些经验及观点，可供相关技术人员和类似工程建设参考。