罗家山隧道机械化施工对川藏铁路建设的启示

郭自敏

(中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024)

1 引言

在国家实施《中国制造2025》实现“制造强国”的战略目标及铁路总公司“交通强国、铁路先行”的管理目标引领下，郑万高铁湖北段罗家山隧道施工率先开展机械化配套施工的研究和探索，并取得了初步成果，对推动隧道机械化配套施工进程具有重要意义[1-2]。

本文总结罗家山隧道机械化配套施工“一洞九线”流水作业线，以期为川藏铁路建设提供借鉴[3]。

2 工程概况

罗家山隧道全长10 640 m，最大埋深约470 m。隧道围岩等级分别为Ⅲ级4 240 m，占40.02%；Ⅳ级5 155 m，占48.66%；Ⅴ级1 200 m，占11.32%。采用“三平导＋一斜井＋一横洞＋一泄水洞”的辅助坑道方案，见图1。隧址区岩溶发育，可溶岩段长6 905 m，占隧道总长的64.9%，雨季最大涌水量为116 910 m3/d，为Ⅰ级风险隧道。

图1 罗家山隧道辅助坑道平面布置

3 机械化流水作业线

罗家山隧道机械化配置以机械、工装为基础，借助信息化手段，打造“洞口工厂、洞内车间”，形成隧道施工9条作业线[4-5]，即“一洞九线”，即地质预报作业线、预加固作业线、开挖作业线、初支作业线、仰拱作业线、防排水及二衬钢筋作业线、二衬及养护作业线、沟槽作业线、工后检测作业线。“一洞九线”设备配置见表1。

表1 罗家山隧道“一洞九线”设备配套

3.1 地质预报作业线

将超前地质预报纳入工序进行管理。在出渣后至初喷前对掌子面围岩级别和稳定性进行判定，通过物探及钻探结果结合三臂凿岩台车WMD地质云图像综合分析掌子面前方的围岩地质，准确判定掌子面及前方围岩级别，确定适宜的工法、支护参数及加固措施。

利用凿岩台车实现快速超前钻探、隧底及周边隐伏岩溶探测。目前，已验证凿岩台车超前钻探长度能达到30 m，同时在隧底及周边隐伏岩溶探测方面优势明显。为提升超前预报准确性及其工效，建议川藏线在施工装备上持续研发长大钻孔深度的凿岩机，并进行现场验证。

3.2 预加固作业线

预加固主要采用高压注浆、超前管棚和超前小导管等技术。

(1)高压注浆

高压劈裂注浆工艺操作简便，可有效加固掌子面前方围岩，控制掌子面鼓出变形，保证施工安全。建议在川藏线使用智能化注浆设备提高注浆质量及效率；配合超前支护，实现在软弱围岩条件下大断面快速施工。

(2)超前管棚

使用凿岩台车施工长管棚需多次接钻杆，管棚安装困难，工序时间过长；由于管棚施工受制于台车凿岩机，导致外插角大、长管棚尾部上挑高度过高，失去超前支护作用，需对凿岩机自身进行研发；而短管棚尽管加固效果好，但工效不理想，如施工φ60 mm中管棚长度9 m，搭接3 m，导致2～3 h循环施工1次管棚。按每次12～14 h计算(含注浆)，折合超前预加固单循环3～4 h。因此，超前管棚是影响其进度的主要工序之一。

(3)超前小导管

超前小导管施工方法简单，不受设备配置影响，从工效、安全、质量等方面综合效益明显。

建议川藏线结合国家及行业标准，在装备自身上对凿岩机零部件自主设计并国产化，满足长大管棚的有效合理施工应用。同时，为提升进度工效，建议Ⅳ级、Ⅴ级偏强围岩超前支护采用超前小导管，Ⅴ级偏差围岩超前支护采用超前管棚。

3.3 开挖掘进作业线

超前预加固过的围岩，可有效减小收敛变形。通过合理选配工装设备，紧凑组织工序作业，可以实现不同地质围岩条件下的全工序隧道大断面开挖，初期支护一次封闭成环。

每循环进尺:Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用超前管棚及高压注浆加固后不大于4榀拱架间距；超前管棚填充注浆或小导管超前注浆加固后不大于3榀拱架间距。

基于掌子面围岩和初支的稳定(通过围岩量测和应力应变测试等监测手段判定)，罗家山隧道大断面施工机械化配套分三种工法，即全断面带仰拱工法、全断面不带仰拱工法、微台阶工法。

结合郑万线凿岩台车的应用，2台凿岩台车(6～8人)与人工风动凿岩机(20～23人)钻孔速度相当(能减少钻孔工人14～17人)，安全性高、劳动强度低。要提高综合工效，主要取决于开挖及其它工装的配套是否到位。整个开挖循环不仅仅是凿岩台车单工种作业，还有装药、通风、排烟及出渣工序等，例如装药时，装药人员要依靠机械臂进行装药作业，同时装药作业人员最多7人，在装药环节慢于人工作业。建议川藏线采用混装炸药，使用专用装药设备，实现快速装药。

3.4 初期支护作业线

明确隧道初期支护和围岩为主要承载结构，二次衬砌作为安全储备。

拱部锚杆采用φ25 mm预应力锚杆，边墙采用φ22 mm普通砂浆锚杆，预应力锚杆见图2。锚杆采用三臂凿岩台车或多功能钻机施作，喷射混凝土采用湿喷机械手，型钢钢架采用三臂(筐)钢架安装机或多功能安装台架施作。

图2 预应力锚杆

通过一系列配套工装的运用确保了锚杆安装质量、初期支护钢架安装的准确性和混凝土施工质量，减轻了劳动强度和环境污染。预应力锚杆的运用有效地加固了洞身段围岩，达到了主动加固围岩、提升围岩自稳性的效果，保证了施工安全。

3.5 仰拱作业线

自行式液压仰拱栈桥自带弧模、挡头模板和中心水沟模板，自带止水带定位装置、钢筋定位卡具，以工装为基础，保证隧道仰拱施工质量。施工时，在第一段仰拱浇筑后开挖第二段仰拱，做到仰拱与仰拱填充分开浇筑、上一板混凝土浇筑和下一板钢筋绑扎同步流水作业[6]。

3.6 防水板与二衬钢筋安装作业线

防水板及二衬钢筋安装采用项目部自主研制的“防水板及钢筋自动安装一体机”。减少了劳动强度、提高了施工效率，工作安全系数高，安装质量更有保证。安装钢筋时，利用钢筋卡槽通过牵引可将数根长达26 m的环向钢筋一次性提升至拱顶安装就位；安装防水板时，能够做到6.0 m宽幅防水板的自动安装[7-8]，见图3。

3.7 二衬混凝土灌注及养护作业线

(1)二衬混凝土灌注作业

二衬混凝土灌注采用智能化二衬台车，通过遥控操作机械臂实现分层逐窗浇筑，大大降低了劳动强度、提高了施工效率；采用软搭接技术，确保二衬接缝位置不损坏[9-12]，见图4。

图3 防水板及钢筋自动安装一体机

图4 智能化二衬台车

(2)二衬混凝土养护作业

二衬混凝土的养生采用喷淋养护台架进行，使二衬混凝土持续保持湿润，充分养生，有效避免混凝土表面收缩裂纹出现，混凝土强度得到保证。

3.8 水沟电缆槽作业线

采用整体式沟槽模板台车进行水沟电缆槽施工，实现整体快速施工。浇筑沟槽整体线形顺直，外观质量好。

3.9 工后检测作业线

项目配备了专用检测车，成立检测小组，明确检测内容、频次和责任人。

4 综合评价与分析

4.1 机械化和人工作业人员数量对比分析

结合郑万高铁罗家山双线隧道机械化配套作业和人工作业各工序用工量统计并做对比，主要工序共减少用工59个，见表2，占人工作业总人工数的43%，考虑现场实际台车钻孔和装药爆破为同一班人、二衬钢筋和二衬防水板为同一班人，实际可减少主要作业人员42人。

表2 罗家山隧道机械化和人工作业人员数量对比

4.2 进度分析

(1)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩凿岩台车钻孔速度较快，但装药速度慢，在Ⅲ级围岩施工中每循环进尺增加0.9 m，进度指标综合提升11%。

(2)Ⅳ级围岩拱架安装速度明显加快，中管棚超前支护采用机械化配套作业时间增加3.7 h，循环进尺增加1.2 m，进度指标综合提升19%。

(3)Ⅴ级围岩拱架安装速度明显加快，中管棚超前支护采用机械化配套作业时间增加3 h，循环进尺增加0.8 m，进度指标综合提升15%。

4.3 安全、环保、质量分析

隧道机械化配套施工在安全、环保、质量方面具有明显的优势。极大地减少了人员投入，减轻了劳动强度，保障了施工安全及质量，降低了环境污染，提升了施工效率。

(1)凿岩台车

凿岩台车在超前地质预报、超前支护、开挖、初期支护等工序钻孔作业，实现“一机多用”。锚杆、管棚、小导管和锁脚锚管等的施工质量显著提高；炮眼位置易于控制，光爆效果好，但存在因周边眼外插角较大，随进尺增大而导致超挖大的劣势。

(2)钢架安装台车

实现了全自动抓举大断面钢架并精准定位安装；提高了作业人员的安全性，具有人工少、劳动强度低、工效快的优势。

(3)湿喷机械手

湿喷机械手较好地解决了施工作业环境差的问题，降低了粉尘的产生，大幅提高工效；更好地保证了喷射混凝土施工质量。

(4)自行式仰拱栈桥

实现了仰拱与填充混凝土的快速流水施工，减少工序间干扰，给仰拱填充混凝土提供充分养护时间，且减少了辅助定位钢筋数量。

(5)防水板及二衬钢筋一体机

增加二次衬砌钢筋定位卡具，通过调整卡具的位置，实现对环向钢筋间距、层间距和保护层的精确定位，实现一机多用。

5 对川藏铁路建设的几点建议

(1)机械化配套是川藏铁路建设的必然选择，更是建筑市场未来的发展方向，施工企业必须扎实研究并践行。

(2)机械化配套是由研制、试用、改进再到出厂、更新换代的过程，需要研发和使用单位的密切配合。

(3)人才培养相对于机械配套更值得关注，特别是大型高端设备的操作、维养人才的培养。

(4)从本项目在对软弱围岩采取超前预加固条件下采用凿岩台车机械化配套作业看，方案是可行的，但加固成本要考虑。

(5)针对川藏铁路地质及地理条件的复杂性，同时考虑建设工期和施工成本要求，建议采用大型机械化配套与人工钻爆并用的综合施工方案。特长及辅助坑道修建困难的隧道优先考虑TBM机械化配套掘进作业；长大及有条件的隧道考虑三臂凿岩台车配套掘进作业；短隧道、特殊地质段、辅助坑道与正洞接口等考虑人工钻爆掘进开挖作业。

6 结束语

郑万铁路罗家山隧道在“以工装保工艺，以工艺保质量”、“机械化与信息化高度融合”的思想引导下，经过多方面的创新和探索，坚持采用机械化成套配置，“配”是前提，“套”是关键，实现高速铁路隧道大断面安全快速掘进。通过隧道机械化配套，减少了作业人员数量、减低了劳动强度，同时大幅降低了人员安全风险、提高了整体工效，并在施工过程中总结形成多项专利和工法。郑万铁路9条作业线机械化配置方案可作为川藏铁路隧道施工机械化配置的有益借鉴。