机械化配套施工在隧道中的应用研究

周立旋

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

1 工程概述

新建赣州至深圳铁路客运专线(江西段)起止里程为DK89+400～DK101+855.6,正线长度12.485 km,其中古龙南隧道全长10 240.225 m,线路近正北偏西走向,为控制性重难点工程。其中Ⅱ级围岩4 450 m,Ⅲ级围岩2 500 m,Ⅳ级围岩1 690 m,Ⅴ级围岩1 480.225 m,Ⅵ级围岩120 m,受熔岩发育的影响存在突泥灾害、涌水灾害等不良地质的断层有11条,存在围岩整体性能差,易塌方、涌水、岩爆等诸多不确定因素的施工风险。

2 机械化配套

2.1 机械化配套原则

1)大型施工设备选型应与施工方法配套,结合工期以及隧道自身规模为主要考虑因素,选择以稳定的电力能源为主,减少能源短缺造成停机待工；减少过程污染与后期配套设备的投入,达到降低使用成本的目的。

2)充分考察厂家的生产能力、市场售后、使用反馈与性价比情况。

3)选用从国外引进的设备,需结合企业的发展战略要求,要考虑到售后维保与故障报修服务是否便捷,易损件、零配件与国内市场其他同类机型通用的可行性[1]。

2.2 作业线配套

1)钻爆与装运作业线机械化配套,配置单台三臂凿岩台车在掌子面钻孔,采用全断面光面爆破技术进行隧道一次性开挖作业,配置小松型号380装载机2台,挖掘机2台，自卸汽车9台,配合清理掌子面作业并出渣。

2)锚喷作业线机械配套,喷射混凝土采用铁建重工HPS3016S混凝土湿喷台车进行作业,通过施工方案编制的2台/班次,在拌合站装车后以流水线方式向隧道内送料。锚杆孔采用三臂凿岩台车或C6XP E-D/C6XP-2系列多功能钻机进行钻孔,配合人工安装[1]。

3 三臂凿岩台车的管理模式与技术特点

3.1 全电脑三臂凿岩台车

铁建重工ZYS113全电脑三臂凿岩台车,引进的是挪威AMV公司技术配置智能化数据采集与控制系统,在国内自主化生产,是在普通液压三臂凿岩台车基础上的融合创新升级。其机械化、信息化、智能化性能得到极大提高,只需要将围岩等级与爆破设计技术参数输入到系统中,一键启动三个钻臂能根据后台系统中所设计的路径,实现整机在隧道内精确定位与多臂同步角度调整,实现自动化运行和切换成人工操作的方式进行工作；其钻孔效率高,确保了精确度的技术性要求和突破了多项隧道钻爆施工技术瓶颈,实现了人机互联的操控目标,符合特长隧道机械化配套施工的技术要求。

3.2 建立组织机构加强台车的操作及维保管理

1)机械操作手的技能要求,操作人员必须经过规定时间的严格训练并经考核达标后,方可进行现场实操以确保安全和使用效果。操作手对钻臂距离的掌握必须熟练,才能在手动操作调整时钻出的孔距分布均匀。

2)由于施工过程不可间断的特殊情况,充分考虑到机组与维保人员的作息时间。对随机人员须配备组织管理机构,方便工作有序衔接。设置队长(兼调度岗)1人,副队长(兼机具库管理员)1人以及两套操作班组和两套维保班组。每套操作班组配置正副机手2人,普通操作人员1人。

3)每班组作业完成后,必须对当班次在作业过程中,设备使用情况作出详细的记录说明并一对一交接,以便接班人员提前熟悉该设备状况和维保班组的及时跟进。强制实施“1+1”管理模式,即每班的作业工序完成后,必须按照编制的《管理与维保制度》执行强制维保工作,在作业前消除故障隐患,确保下一班次人员对设备的安全操作，以保证设备功能的完好率。

3.3 工艺流程

1)单孔钻进施工工艺：测量定位→设备进场就位→推进梁定位→进行试钻作业→全功率钻孔作业→进行清孔工作→操纵推进梁返回移位→继续后续孔位施工流程。

2)全电脑三臂凿岩台车施工工艺：事前准备→设备定位→钻孔与清孔施工→人工装药→人员与设备退场→启动爆破→通风降尘→排险出渣→爆破质量确认→后续循环施工流程[1]。

3.4 隧道开挖支护现场组织管理

全断面钻爆工艺流程为以下步骤：

1)在施工之前,当三臂凿岩台车进入隧道时,需提前准备好水电接入与工作人员就位工作,然后从测量放样开始,在充分了解前方地质报告情况后启动施工,确保与后续施工流程有效衔接；

2)装药施工,是在钻孔工作完成后有序衔接下一环节,由专业施工人员立即进行吊篮清孔装药工作；

3)支护准备工作,是在施工初期阶段将符合设计与工艺技术规范的材料的进场时间,与台车出洞的时间进行规范有效的连接；

4)修复处理工作,是在排险出渣流程环节后,将现场钻爆施工后的测量数据及时反馈给专业施工人员,在精准地了解爆破情况后再作出有效的修复处理,并加强初期支护工作的质量管控；

5)使用超前地质预报功能,采集并掌握掌子面前端地质结构情况,和工程现场的实际发生信息情况进行有效对比分析,必要时及时调整钻爆数据,从而保证钻爆效果并满足设计规范。

4 HPS3016S混凝土湿喷台车的结构介绍

4.1 湿喷台车主要特点介绍

1)HPS3016S混凝土喷射台车作业时的工作效率,可以达到30 m3/h；然而传统干式混凝土喷射机和小型湿式混凝土喷射机,受到设备自身设计的限制与施工环境的制约,工作效率一般不超过5～10 m3/h。

2)安全性能好,整机采用斜支腿支撑,整机稳定性强,配备了防倾翻报警系统，同时具有故障显示功能。采用遥控控制设备进行喷射作业,较大降低了机身周边和操作手周边的粉尘浓度,提高了操作人员的安全性。

3)HPS3016S混凝土喷射台车,其水灰比易于调整控制，能均匀喷射到作业面,提高了混凝土的密实度和匀质性,使喷射质量满足设计规范,而且可将喷射混凝土回弹率降低到10%以下,很大程度上改善了喷射混凝土的品质,减少了材料的流失与浪费,提高了施工单位的经济效益。

4)该设备的自动化程度较高,添加剂、泵送机构、空气系统高度集中在设备上,可根据混凝土的喷射方量结合配比,自动调节添加剂的添加量；确保了喷射效果且使用安全,一键操作简单易学。其臂架结构动作灵活,可实现整体滑移,同时设计配置了一个行走功能、二级回转功能、三节折叠臂功能和一个伸缩的功能,可以实现全自动喷射功能。

5)HPS3016S混凝土喷射台车适应性好，采用自行式配置了自制刚性底盘和实心轮胎,可以实现四轮驱动和四轮转向,拥有前后双驾驶室驾驶,电子油门自动挡驾驶,适应复杂道路和各种隧道施工。喷射范围大,设计的最大喷射高度为17.5 m,可实现最大喷射宽度为31.4 m,其使用范围可覆盖国内大部分在建隧道工程。

4.2 主要部件介绍

4.2.1 泵送机构

1)HPS3016S混凝土湿喷台车泵送机构,采用国内成熟的混凝土泵送技术,确保了混凝土的可靠输送；

2)HPS3016S混凝土湿喷台车,泵送系统环节设计了自动反泵和人工反泵两种功能,当传感器信号发出堵管信息后,设备中控系统会传达进行3个循环的自动反泵工作及时消除堵管现象,当发生严重堵管现象时,根据现场实际情况进行人工反泵操作及时消除堵管现象；

3)最大输送能力为30 m3/h,最大输送压力为8 MPa。

4.2.2 臂架机构

1)HPS3016S喷射台车臂架系统国内首次采用独特的二级回转台结构设计，和可以前后移动的导轨结构,配合全液压驱动的三节折叠臂和一节伸缩臂的结构,使臂架同时具有一个整体滑移，一个小臂伸缩,两级回转和三节臂折叠的功能；

2)独特的设计可实现两种切换模式,依据实际情况将喷射功能作调整；

3)当自动喷射作业时如遇到隧洞被超挖现状,可应用小臂的伸缩功能,由人工操作调整到合适的喷射距离；

4)灵活的喷头结构,两个摆动油缸动作快速灵活,轴向回转360°,径向回转240°,真正实现了喷浆无死角,喷头跟随人的想法动作。

4.2.3 添加剂系统

1)添加剂系统用于改善喷射混凝土的凝固时间；

2)当各种规格混凝土和各种类的添加剂的配比输入系统后,设备系统会按照泵送量以设定的参数自动配比添加剂,且添加剂的掺量可依据现场实际情况作适当的修改调整。

5 在施工应用中的比较与使用建议

5.1 台车与人工在施工进度与成本耗费中的对比

通过对ZYS113全电脑三臂凿岩台车一段时间的使用,对比人工凿岩在施工中所花费时间、进尺、成本方面,得出使用三臂凿岩台车比人工凿岩具有较明显的进度优势。表1为每循环工效及工作200 m的数据归集对比[2]。

表1 台车开挖与人工开挖施工对比

5.2 HPS3016S混凝土湿喷台车与传统湿喷机工作比较

通过一段时间内对HPS3016S混凝土湿喷台车的使用,总结出其具有整车性能稳定，操作操控便捷，泵送喷射的生产效率高，混凝土回弹率低，喷射质量检测优良，整体安全性高等多种优势,适合在各种地质条件下施工。在职业健康方面,操作人员远离喷射面，造成的粉尘小,在很大程度上改善了施工环境,与传统的湿喷工艺对比有较明显的优势(详细数据见表2)[2]。

6 使用体验与建议

6.1 全电脑三臂凿岩台车

1)台车施工用水量较大(1 min约300 L水),对供水条件与水质方面要求较高。

2)三臂凿岩台车在施工中,常应用于硬质围岩中,在软质岩施工中常采用分部开挖施工工艺,在软弱围岩的施工中采用的则是大断面施工法； 需积极

表2 传统湿喷机与HPS3016混凝土湿喷台车工效对比

沟通设计单位, 结合应力应变测试情况动态调整设计方案,提高超欠挖方面的控制。

3)目前易损件方面配件费偏高,还存在操作人员缺少，操作员工资较高,人才培养需要时间与过程,短期不利,长期向好。

4)目前三臂凿岩台车的钻头规格是45 mm,炸药规格为32 mm,导致钻眼与炸药有13 mm间隙,为达到爆破效果增加了炸药的使用量,需改进钻头的设计,降低炸药使用量达到降本增效。

6.2 HPS3016S混凝土湿喷台车

1)当混凝土连续作业方量达到80 m3时会有报警提示,散热系统建议有待改进。

2)速凝剂储料罐容量偏小,建议增大储料罐容量,将理论设计与现场施工实际需求进行有效结合。

7 结 语

铁建重工研发的ZYS113全电脑三臂凿岩台车,在设计与配置上比现有其他型号三臂凿岩台车实现了智能化钻孔作业,更具有创新和先进性,更好地提高了钻爆效果和施工进度；HPS3016S混凝土湿喷台车操作便捷、生产率高、回弹率低、粉尘少、职业危害小,适合在各种地质条件下施工。通过对大型专业设备一段时间的应用,在隧道开挖与喷锚方面达到了安全、环保、高效施工的预期目的。今后长大隧道施工的发展趋势是将施工机械向配套化、专业化、智能化等方向发展,操作人员则从普通工人向骨干型操作能手方向培养。为使之更快地得到推广与应用,还需进一步探索和实践,为机械配套化隧道工程施工积累管理与使用经验。