上台阶无预留核心土钻爆法机械集群隧道施工技术探究

何世荣 雒建奎 骆维斌

（1甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730030；2甘肃省隧道工程技术研究中心，甘肃 兰州 730030）

随着盾构掘进机械技术的发展，现代公路山岭隧道施工多采取机械集群隧道掘进筑建施工技术。应用大型高效的盾构掘进机械，采取工序科学俭省、人机配置合理、作业环境宽敞、通风条件好、工人劳动强度和劳动环境大幅改善的施工组织和技术模式，对保证施工质量和施工安全，尽可能降低工程成本，有重要意义。本研究基于工程案例对上台阶无预留核心土钻爆法机械集群隧道施工技术开展梳理探究。

1 案例概况

案例系高速公路G316线长乐至同仁公路和省级高速S10 线的重要组成路段，区段全长4.465km，合同工期42个月，合同总价63575.97万元。主要工程量为两当特长隧道的左线，全长2050m，其中路基工程挖方34606m3，填方7621m3，砼挡墙13109m3，锚杆框格梁护面966m3，1-13m预应力小桥一座；清单总价33314.51万元。

隧道洞身部分的围岩深度在45～273m，洞身穿过新近系的松疏砾砂岩、三叠系的炭质板岩、千枚岩及板岩夹灰岩，二者呈现非整合型触接。新近系砾砂岩呈红褐色，状态缓平，多夹杂土质砾砂岩，岩体属极软岩～软岩，泥土质胶结较弱，状态相对完整，遇水易崩解。存在板岩下伏，岩层属三叠系，褶皱发育，层厚变化大，岩体较破碎，节理裂纹发育，围岩等级属V级。开挖后围岩局部位置夹块状板岩、千枚岩、碳质泥岩，层理明显，洞身穿越底层多为碳质泥岩，呈不整合接触面，薄层～中厚层状构造，节理裂隙发育，层间结合疏松、表面光滑，岩质偏软且脆，泥质弱胶结，遇水易软化；抗风化能力差，抗压强度低，成洞性能和围岩稳定性较差，开挖后拱腰至拱顶滑层明显，片帮掉块严重。案例隧道施工段V级围岩4557m，占54.3%，IV级围岩3880m，占45.7%。

采取无预留上台阶核心土钻爆方式施工。案例隧道的衬砌支护参数见表1所示。

表1 案例隧道衬砌支护设计参数表

2 钻爆法机械集群隧道施工技术述要

2.1 施工组织模式

钻爆法机械集群隧道施工组织模式系列见图1所示。

图1 机械集群隧道施工组织模式系列图

案例施工应用的大型机械配套设备以凿岩双臂台车、多功能作业台架、湿喷台车、挖装机、装载机等为主，系统形成超前支护、喷锚支护、钻爆、装运等有机配合机械作业线，科学搭配管理，加强设备管、养、修、用制度，以实现快速、安全、有质量的施工操作目的。成立隧道机械化施工处，建立健全组织机构，下设隧道施工班组，由项目部统一管理。

2.2 主要机械设备配置

意大利卡萨格兰地C6多功能钻机，瑞典阿特拉斯-科普柯L2D双臂液压凿岩台车，芬兰挪曼尔特（NORMET）电-液控湿喷台车，集团及公司自主研发隧道多功能拱架安装施工台架及自行式移动液压二衬模板台车，电焊机、潮喷机等常规隧道施工小型设备机具。

2.3 工程管理及操作人员配置

根据机械配置及各作业面施工情况，人员配置以满足施工需求为宜，施工中进行优化调整，同时考虑长远性和可持续性人员培养。具体配置如下：1）班组总负责及项目副经理1名，负责班组施工总体规划、统筹、安排和协调。2）机械设备负责人1名，负责机械设备的施工管理、维修、协调与调度。3）现场负责人1名，负责现场的施工管理工作。4）现场技术员2名，负责现场具体的施工管理工作。5）设备维修人员1名，负责凿岩台车、湿喷台车及小型机具设备的日常维修、保养，兼钻爆开挖技术指导。6）凿岩双臂台车配备班长1名，操作人员3名，钻爆工人4名。负责隧道上台阶钻爆开挖与系统锚杆、超前小导管及锁脚锚管的钻眼及施工作业内容。施工过程中班长及台车操作人员配合钻爆工人清孔、装药，协助掌握钻爆开挖基本技能。7）湿喷台车配备喷锚操作手2名，熟练湿喷操作手1名，负责上台阶初衬喷射砼施工作业及湿喷台车日常维修保养工作，配备工人2名，负责砼卸料、清理拱架砼及日常杂活。其中1名为熟练潮喷操作手，具备潮喷找平操作水平，必要时进行潮喷找平工作。8）上台阶支护班配备多功能施工台架操作手1名，负责台架具体操作与台架日常维修保养工作，工人6名，负责上台阶拱架、纵向钢筋、钢筋网片安装与焊接。9）下台阶开挖班配备钻爆开挖工人4名，负责下台阶及仰拱钻爆开挖，下台阶锁脚锚管施工。10）下台阶支护班配备喷锚操作手2名，工人2名，负责拱架、纵向连接钢筋、钢筋网片安装与焊接，潮喷砼施工作业。

3 机械化集群施工功效分析

3.1 凿岩台车施工与传统气腿式凿岩机施工

1）钻孔效率高。凿岩双臂台车配备有22kW钻进凿岩机，钻孔深度2.5m，可达到2.5m/min进钻速率。台车亦配有多功能框架式可升降作业臂，方便进行“找项”、测量及放置炸药等操作。台车的支护锚杆操作方便快捷。凿岩双臂台车只需2h左右即可完成一个钻爆循环，相比传统气腿式凿岩机施工节约近1.5h。上台阶钻爆、系统锚杆、超前小导管、锁脚锚管钻眼施工每循环作业（2X0.8m）凿岩台车耗时3-4小时，传统人工施工耗时4.5-5.5小时，凿岩台车比传统人工施工节约1.5小时，隧道开挖施工进度大大提高，进度优势较为明显。

2）作业环境好，劳动强度低，安全系数高。传统风钻为手持工作，属高强度劳动，凿岩台车运用按钮操作，工作强度小。凿岩双臂台车以电能为动力，相对传统开挖作业，大幅降低作业面环境空间的空气污染。电能动力、液压传动对周边几乎无污染，且钻孔中自带的高压水冲洗功能使其不产生粉尘污染。作业噪声控制在90分贝内，极大控制了作业面噪声污染。只需4名操作手就可控制驾驶凿岩双臂台车开展作业，操作台与掌子面间的距离达10米以上，且操作台配置安全防护顶棚，方便操作手对围岩作业面的观察，一旦发生险情便于操作手快速撤离。采用凿岩台车钻爆开挖、超前小导管及系统锚杆钻孔施工，减少洞内作业人员，降低安全风险。同时，凿岩台车最大臂展长度可达7.1m，避免和减少操作人员长期亲临掌子面、临空面时间，减少传统人工钻孔掌子面围岩掉块造成的人员伤害机率，施工相对安全。

3.2 电-液控湿喷台车用于隧道喷射砼施工

1）节省人工。传统潮喷施工配备工人4～5名，湿喷配备操作员及工人3～4名。

2）施工进度。挪曼尔特电-液控湿喷台车用于隧道喷射砼施工时，回弹量较传统潮喷减少，统计数据显示，湿喷工艺超挖+回弹量为55%～60%，传统潮喷工艺超挖+回弹量为60%～70%；速凝剂掺量根据喷射部位可灵活调整，计量准确，效率高，湿喷台车正常每小时可完成15～20m3砼喷射作业，与传统潮喷相比，缩短循环耗时。上台阶初期支护喷射砼施工每循环作业（2X0.8m）湿喷台车耗时2-2.5小时，传统人工施工耗时2.5-3小时，湿喷台车比传统人工施工节约0.5小时。

3）施工质量。潮喷是按设计比例将速凝剂、水泥和骨料干拌均匀，借助压送设备在软管内使干集料以悬浮状态被压送至喷头，跟高压水相混合，再高速喷射至目标岩面。潮喷处理方式下控制水灰比相对困难，水泥的水化反应状态亦不够充分，所得混凝土强度难以达到工程要求。湿喷是按设计比例把水泥、水和骨料拌和均匀，借助湿式喷射设备高压输送至可加添速凝剂的喷头喷出，水泥可充分获得水化反应，所得混凝土强度相对较高。成型砼密实，初衬拱部较大超挖部分均能喷实，降低和避免了初衬背后空腔形成机率。统计数据显示，湿喷砼强度高于潮喷1～2MPa，随机抽取的20组喷射砼28d抗压强度湿喷砼为27.1MPa，潮喷砼25.8MPa。湿喷台车每小时可喷射砼15-20m3，潮喷机每小时喷射砼5m3，湿喷台车的喷射压力最小需8MPa，而潮喷机只需5MPa，通过实体钻芯取样，湿喷芯样较潮喷密实。

4）施工安全。采用湿喷工艺施工，湿喷操作人员距掌子面5～20米操作范围进行湿喷，操作人员位于成型初衬区域内，将湿喷台车前臂伸展至作业范围，围岩状况不理想时可降低人员意外伤害几率。遇隧道突发事件时，机械施工抢险优势明显，大大降低安全风险。两当隧道进口端左右线围岩级别为V级，设计说明地层为疏松砂砾岩夹泥质砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，泥质弱胶结，属极软岩，成洞性及自稳性较差；施工过程隧道穿越地层为泥岩、砂岩与千枚岩、碳质板岩变余结构层，围岩软硬不均，滑面、滑层、断层明显，围岩节理裂隙面均含碳质成分，表面极其光滑，施工过程滑层掉块时有发生，掌子面及拱顶多次出现小型塌方，湿喷台车封闭掌子面围岩及通过湿喷回填塌方空腔，凿岩台车施作超前小导管抢塌方及处理塌方段时，优势尤为明显。抢塌方和塌方段处理过程，设备置于安全地带完成作业，减少了人员长期亲临危险地带，大大降低隧道施工安全风险。湿喷机工作时自带空压机，无需管道送风，节省洞外空压机工作台数，节约用电。

3.3 意大利卡萨格兰地C6多功能钻机的使用

1）超前地质预报。钻孔深度可达20m以上，钻孔速度快，功效高，提取钻孔芯样简单方便。

2）深孔、大孔径钻进速度快，成孔率高，钻孔深度可达20～40m，28m深孔管棚钻孔作业2～3小时可完成，施工进度得到有效保障。

3）作业过程机动灵活，角度及高低可调整，提高了钻孔的工作效率，保证了管棚施工成孔率和角度，施工质量大幅度提高。

3.4 自行式移动液压二衬模板台车的应用

自行式移动液压模板台车是路桥集团及公司自主研发的自有设备，其优点有：采用全液压控制，具备上、下、左、右调整功能，行走采用电控系统，台车就位时间短，操作简单，可提高工作效率，加快施工进度，且曲墙一次落地，保证了施工质量。

3.5 多功能拱架安装施工台架的应用

1）安全省力。台架具备两套垂直及一套水平运输系统，第一套垂直运输系统能将拱架垂直运输至台架顶面，通过水平运输系统将拱架运送至隧道掌子面拟安装位置，人工将拱架分段喂入第二套垂直举升系统后，人工配合将两侧拱架滑落至拱脚，将第三段拱架喂入垂直举升系统，举升至要求高程位置进行拱架拼装连接，最后人工调整拱架中线位置，整体举升拱架后落入拟安装位置。以上过程多功能台架垂直、水平方向能任意调整，能将拱架前后拉紧与连接筋紧贴，做到安全、省力，但不节省人工，因与传统施工台架相比，上述过程安装时间相差不大，且后续工序均由人工完成。

2）缩短拱架到场时间。根据施工工序，出渣完成后，挖机进行掌子面最后整修，整修完成后通过装载机将传统施工台架就位。而采用多功能台架施工，出渣完成后，装载机可转入拱架运输，台架自行就位，节约循环耗时20分钟左右。

4 结语

本研究以案例工程应用技术总结的方式，对上台阶无预留核心土钻爆法机械集群公路山岭隧道施工技术及其功效展开探究，该技术的施工组织模式、主要机械设备和人员配置可为同类工程应用提供技术参考。机械化集群隧道作业施工较好实现了设计水灰比，加快了挖筑施工进度，保证了施工质量与安全，作业环境污染降低，体现了以人为本、绿色环保工程原则，具有工程应用意义。