隧道施工机械配套优选方案应用效果分析

2024-05-21万耀宇

中国建筑金属结构 2024年4期

万耀宇

（中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西西安 710038）

0 引言

随着社会的快速发展，新型机械设备不断涌现，对工程施工提出新的要求。在隧道工程中，如何合理应用机械配套方案成为当前施工重点，相关学者对隧道施工机械配套方案进行研究，并取得较为显著的成果。李钊等[1]认为机械化配套施工方法，相比传统人工作业方式，可以有效控制经济成本，不仅能降低劳动力，而且有助于提高施工质量；蔡旺等[2]在研究隧道设计工法和机械化配套技术的基础上，将工程安全质量放在首要位置，致力于形成适用性较强的机械化配套方案；齐庆锋[3]在研究隧道工程施工方法的基础上，发现隧道工程在施工中存在主要问题，提出了机械化施工装备配套及选型方案，以便实现预期施工效果。本文在此基础上，总结了隧道施工机械配套优选方案的应用，并分析该方案在隧道工程中的具体实施效果。

1 工程概况

以某隧道工程为例，该隧道总长5 706m，隧道设计为分离式特长隧道，隧道围岩主要由干枚状粉砂岩、灰岩、石灰岩等组成，最大埋深超过350m。该隧道围岩级别为III 级、Ⅳ级、V 级，开挖断面面积为86.23 ～135.3m2。从总体来看，该隧道工程施工重难点较多，此外，施工作业空间受限、地质环境复杂等因素影响隧道工程的顺利开展。对此，探究隧道施工机械优选配套方案在隧道工程中的应用尤为重要。

2 基于开挖作业的机械配套方案对比分析

2.1 施工质量

开挖作业是保障隧道工程主体安全的重要环节，也是施工安全管理工作的重点。结合实际情况来看，影响隧道洞身开挖成孔质量的因素较多，比如，测量放线、钻孔精度、地质条件等可能导致隧道工程出现超挖问题，给整体工程施工进度造成较大影响。该隧道工程开挖断面面积较大具有明显优势，在机械设备方面，应用凿岩台车比风动凿岩机速度较快，可以实现一次成孔、精准定位，不需要单独增设辅助平台，保证最终开挖成型效果，为后续喷浆施工提供基础保障。

该隧道工程施工过程中使用凿岩台车对地质进行探测，通过WMD 地质分析软件，可以结合实际采集的钻孔速度、压力、扭矩等参数，精准分析隧道围岩，有效指导现场施工。除此之外，凿岩台车的自动控制系统可以根据不同的围岩条件对钻机的推进压力进行调整，实现高精度钻孔。对于风动凿岩机来讲，其体积小、启动灵活、容易操作，但需要配置施工台架，钻凿速度相比凿岩台车较慢，对钻工岗位的需求较大，同时需要钻工具备较强的机械操作技能，其自身操作水平的高低对钻孔和成孔质量影响较大。

隧道每循环开挖结束后，测量人员需要对上一段开挖进行断面测量，利用分析软件绘制开挖断面，并与实际设计的轮廓图进行对比，可以明确该段超挖情况。通过测量IV 级围岩超挖情况得出，无论是使用三壁凿岩台车，还是风动凿岩机都存在个别不稳定现象，还需对相关技术人员进行专业培训，加强员工实操能力，在此基础上，还应定期对隧道工程超挖情况进行分析和总结。结合工程不同阶段测量的超挖数据，计算隧道断面的平均线性超挖值，得出使用机械化开挖替代传统人工施工的方法，实际应用效果较好，凿岩台车与风动凿岩机作业超挖对比，如表1 所示。

表1 三壁凿岩台车与风动凿岩机作业超挖对比表（单位：cm）

2.2 施工成本

（1）人员配置与人工费用。该隧道工程引入大型机械后，减少人工开挖的需求，工程实行两班倒工作制，对员工进行重新分配，首先一台三壁凿岩台车配置4 ～5 名工作人员，人工费用约在19 元/m3，凿岩台车开挖进尺约为100m/月。其次一台风动凿岩机配置15 ～20 名钻孔人员，人工费用约在10 元/m3，风动凿岩机开挖进尺约为55m/月。

（2）机械设备费用。相比国外隧道机械化施工，我国隧道建设起步较晚，机械化设备水平相对落后，如果使用国外进口机械，以性价比较高的液压凿岩台车为例，其造价预算费用约为800 万元，如果按照最低折旧年限10 年，计算单台机械的维修费用约在0.6 万元/月，机械每月零件损耗费用约为2.5 万元，综合计算凿岩台车实际运行费用约在19.2 元/m3，将其与风动凿岩机运行费用对比，得出凿岩台车开挖1m3所花的费用比其贵12.1m3。

（3）火工费及电费。凿岩台车的钻孔直径为45mm、孔径可达50mm，有效钻孔深度为5m；风动凿岩机钻孔直径约在30 ～50mm，孔径约在36 ～50mm，有效钻孔深度为5m。

在隧道工程施工中，应用32mm 乳化炸药。结合施工现场实际情况，对于凿岩台车来讲，在III 级围岩中，开挖深度在4.5m 时，使用炸药量约为340kg、雷管约为215 发。在IV、V 级围岩中，开挖深度在3 ～3.5m 时，使用炸药量约为172 ～285kg、雷管约为198 ～230 发；对于风动凿岩机来讲，在III 级围岩中，当开挖深度在4.5m 时，炸药用量在317kg、雷管189 发。在IV、V 级围岩中，开挖深度在3 ～3.5m 时，炸药用量在189 ～240kg、雷管196 ～210 发。按照乳化炸药7.5 元/kg，电子雷管进货价4.31 元/个，综合计算本隧道工程应用凿岩台车的火工品约在16.67 元/m3、风动凿岩机火工品约为12.83 元/m3。

在隧道施工中应用液压凿岩台车，不需要额外增设空压机，凿岩台车在运行过程中，通过自身的电动机驱动液压泵提供液压动力，有利于隧道施工。应用人工成孔作业时，需要借助施工专用开挖台架开展作业。通过计算人工、机械、火工、开挖台架等成本费用，凿岩台车施工成本约为48.6 元/m3、风动凿岩机施工成本约为48.05 元/m3，凿岩台车每开挖1m3围岩成本增加0.84 元。

2.3 施工进度

风动凿岩机应用流程如下：在开挖作业前期做好台架的检查和接地工作，同时将开挖台架移入掌子面，将其搭建成专业钻孔平台，由测量放样人员进入隧道进行掌子面放样，并找出轮廓线控制点，为保证开挖的精准度，严格把控钻孔位置和深度，结合隧道工程需求合理使用钻机进行钻孔，将炸药包放入钻孔内，同时将多功能台架移到位后实行爆破作业，在施工过程中需要重视现场的空气流通，所有工作人员应撤离到安全场地，确保工人安全。

全液压凿岩台车应用流程如下：测量放样完毕后，对凿岩台车进行定位，结合凿岩台车中间的控制中心线和隧道周边炮眼位置，核对上一循环开挖情况，并对开挖断面进行测量，同时记录最终所测量的结果，为后期修正提供数据支持。结合不同开挖断面结构特征，及时对凿岩台车液压系统钻孔推进压力进行调整，确保凿岩台车钻孔精度和质量。凿岩台车与风动凿岩机施工进度对比，如表2 所示。

表2 凿岩台车与风动凿岩机施工进度对比表

3 基于支护作业的机械配套方案对比分析

3.1 施工质量

支护作业是隧道工程中十分关键的环节。

（1）回弹率。在初期支护作业中，将混凝土喷射到围岩上，由于无法在短时间内凝结，部分掉落的混凝土表示回弹率，因此在回弹率的把控上较为困难。通常情况下，回弹率受混凝土配合比、施工工艺、原材料等因素的影响，具有不确定性。该隧道工程在保证原材料和配合比一致的条件下，对徐工HPB220 混凝土喷射机和Sika-PM500 混凝土湿喷机械手的施工工艺进行分析。对于徐工HPB220 混凝土喷射机来讲，在施工过程中应用徐工喷射机时，由于环境因素的影响，导致工作人员进行喷射作业时，无法精准确定位置和角度，在一定程度上增加隧道施工的难度，耗时增加。除此之外，工作人员应用徐工HPB220 混凝土喷射机时，无法获取最佳喷射量，在喷射速度方面也无法把控，导致喷射作业回弹率较高。对于Sika-PM500 混凝土湿喷机械手来讲，应用效果较好，可以实现定位喷射、侧向操作，与隧道施工适配性较强，机械手操作员明确具体位置后，使用遥控器调节喷嘴位置，结合喷射距离精准调节机械手的运动速度、减速度等参数，确保机械手的精准度，达到最佳的回弹率。结合隧道工程机械施工数据记录，计算得出徐工喷射机的平均回弹率在23.80%、机械手的平均回弹率在12.27%，机械手的回弹率优于徐工喷射机。

（2）混凝土平整度和强度。支护作业效果影响喷浆质量，喷浆作业效果主要体现在混凝土的平整度上，徐工喷射机具有速凝剂添加控制系统，对变量泵的输出压力进行调节，合理控制输出量大小。机械手配备PLC 程序模块和液态添加剂计量输送装置，可以实时精确控制速凝剂流量，提升喷射混凝土性能，达到提高隧道初支喷射混凝土平整度的目的[4]。该隧道工程喷射作业完成后，使用2m 靠尺对平整度进行检查，并对混凝土进行取样，利用压力试验机测试其强度，徐工喷射机的平均平整度在5.3%、混凝土平均强度为32.2MPa；机械手平均平整度在4.4%、混凝土平均强度在33.6MPa，从总体上来看，机械手的应用效果较好。

3.2 施工成本

（1）人员的配置和费用。以该隧道工程右线施工为例，在进行喷射作业时，1 台徐工HPB220 混凝土喷射机需要配备6名作业人员和1 名成熟喷工，不同的工作面配置的喷射机数量是相同，分别配置4 台，备用2 台，全部工作人员共计21 名。1 台Sika-PM500 混凝土湿喷机械手在运行期间，需要配置主喷手1 名，3 名作业人员。徐工喷射机主喷人员月工资标准为10 000 元，每月工人费用约为5 万元，机械手主喷人员月工资标准为15 000 元，每月工人费用约为4 万元。

（2）混凝土费用。从目前来看，混凝土材料单价为526.5 元/m3，在隧道Ⅳ级围岩中，每延米混凝土数量为4.85m3/m，按照月掘进计划尺为120m，超挖值为200%，计算两种机械每月混凝土费用为：喷射机：4.85×120×（1+23.80%）×200%×526.5 ≈76 万元；机械手：4.85×120×（1+12.27%）×200%×526.5 ≈69 万元。

（3）机械费用。按照机械设备一般的折旧年限10 年，机械手的市场价格在350 万元左右，计算得出机械手每月折旧费加上机械维修费共计7.35万元，喷射机市场价格在20万元左右，按照不同工作面配置4 台，购置总价在80 万元，每月折旧费加上维修费共计4 万元。

（4）电力消耗费用。按照每月0.8 元计算电费，机械手每小时耗电量在140W/T，其电费消耗约为5.8 元/m3，喷射机每小时耗电量在345W/T，其电费消耗约为41 元/m3。该隧道工程喷射混凝土量约为34 500/m3，使用机械手的电费约为20 万元、喷射机的电费约为143 万元，基于人工费用、混凝土费用、机械费用、电力消耗费用，两种机械综合成分分析，如表3 所示。

表3 机械手与喷射机综合成分分析表（单位：万元/月）

3.3 施工进度

（1）生产效率方面。通过相关数据汇总得出，机械手喷射能力在30m3/h，喷射高度为17m；喷射机喷射能力在20m3/h，喷射所需时间为9.1min，将两者进行对比，发现机械手的工作效率远远超出喷射机；

（2）工序方面。机械手配备驱动装置，准备时间约为5min，而徐工喷射机没有驱动装置，需要借助其他设备运输到指定位置开展支护作业，准备时间约为15min，因此，无论是生产效率方面，还是在工序衔接上，机械手的应用性较强，合理应用有助于提高施工效率，有助于保证施工进度。

4 基于支护作业的机械配套效果

针对隧道开挖施工而言，采用的III 级、IV ～V 级围岩一级机械化配套方案，促使开挖施工速度得到显著提升，不仅具有良好的卡挖钻孔成型效果和超挖控制效果，还在极大程度上改善了作业环境。从施工成本方面来看，采用的凿岩台车与之前风动凿岩机设备的相比，围岩每开挖1m3多花费0.84 元，该设备在整个工程中的应用，开挖总成本超出51 万元。但应用该凿岩设备能够显著提升开挖施工的速度，III 级围岩和IV ～V级围岩开挖速度分别提升33%和100%。

而对于隧道初期支护施工而言，采用的是喷射混凝土施工方式，不仅有效降低了混凝土的回弹率，且在混凝土强度和平整度方面得到有效改善。同时，机械化的喷射混凝土施工还减少了各作业工序之间的衔接时间，混凝土施工效率得到明显提高，采用的湿喷机械手比传统的湿喷机在每喷射1m3混凝土时，施工速率是原本的3 倍，在整个工程中的应用，共减少施工成本264.6 万元。此外，本工程采用的III 级围岩和IV ～V 级围岩一级机械化配套方案，总减少施工成本为213.6 万元，整体来看，配套方案的应用效果表现良好。