浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：李钊（），男，高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。文章编号：?（）?浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术李钊，刘坤，单足阳（湖南省芷铜高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 ；中铁一局集团有限公司，陕西 西安 ）摘要：以芷铜高速公路椿木山隧道为背景，介绍了全工序机械化成套设备在高速公路隧道中的应用。解析了以两臂凿岩台车、多功能拱架安装车、自动布料衬砌台车等 台配套隧道施工工序设备（全工序机械化成套设备）在隧道施工中的应用。研究结果表明：在高速公路特长隧道施工中，全工序机械化成套施工方法较传统工法经济成本低，并且在施工过程中能降低作业人员劳动强度、降低施工安全风险、加快施工进度、提高施工质量。研究成果可为类似高速公路特长隧道施工提供借鉴。关键词：隧道；全工序机械化施工；设备配置中图分类号：文献标志码：引言随着我国高速公路建设的快速发展，国家对工程品质和耐久性提出了更高要求。隧道工程由于工程量大、施工工序多、工期长、地质情况复杂、质量精细化控制难等问题，安全事故时有发生，其施工应用传统的工装和工艺，作业人员数量多、劳动强度大，使群死群伤安全风险增大，职业病患病率提高；同时作业人员较多，使管理难度增加，施工质量把控困难。因此实现隧道机械化配套施工具有重要的价值 。对于隧道机械化施工，许多学者展开了相关研究。田四明等 借助高原铁路软岩隧道开挖案例，论证了机械化配套施工是保证复杂环境下隧道稳定性的重要条件；孙会彬等 研发了具有高自由度的钢拱架安装设备和辅助安装设备，并提出相关施工工艺，通过数值模拟证明了机械化快速施工有助于提高围岩稳定性；魏夏鹏等 为了实现预应力锚索快速施工，研发了集钻孔、安装、锚定、拉伸功能一体化的机械化施工设备；柳玉洁 对不同围岩级别的隧道施工分别设计了机械化施工方案，并通过层次分析法确定了不同方案的适用条件；帅玉兵等 设计了废水泵房封底机械化施工方案，并通过室内试验与数值模拟证明了其可行性与合理性；刘科 将机械化施工应用于大断面隧道施工，实现了快速开挖、快速支护、主动支护、快速封闭；杨年华 针对常规隧道人工钻爆法危险性大、开挖质量难以控制、凿岩台车无法充分使用的问题，提出了现有隧道充分发挥机械化施工优势的改善方向，包括开挖顺序、管理体制、人才培养等；覃建华 讨论了隧道机械化施工中应考虑的因素，包括隧道的设计、施工方案的制定、环境保护等。尽管目前已有研究对隧道机械化施工进行了一定论述与分析，但许多技术工艺尚不成熟，且各研究中所提机械设备仅针对某一工序或工程问题，尚未形成完整的全工序机械化施工体系，缺乏系统研究。为更好地控制施工质量，本文以芷铜高速公路椿木山隧道为工程背景，坚持“机械化换人”“自动化减人”等理念，提出了隧道施工全工序的机械化配套技术，解析了两臂凿岩台车、多功能拱架安装车、自动布料衬砌台车等 台配套隧道施工工序设备（全工序机械化成套设备）在隧道中的应用，通过与传统工艺进行效益对比，证明了全工序机械化施工的优势。期李钊，等：浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术 工程概述芷铜高速公路为双向四车道高速公路，设计速度 ，主线全长 ，桥隧比为 。其中椿木山隧道属于特长隧道，左洞长 ，右洞长 。抗震设防烈度度，抗渗等级 ，是芷铜高速公路重点控制性工程。隧道最大埋深 ，设计为 级风险隧道。洞身穿越地层岩性主要为板岩、砂岩、变质砂岩等，全隧包括 通风竖井 座，人行、车行通道 条。隧道纵坡为单向下坡，进口工作面全部为反坡排水，且水文地质条件复杂，大段落分布高地温、高地应力等，设计最大涌水量 。隧道设计通风采用左线竖井分段送排式 右线全射流式纵向通风，左、右线共用竖井排烟。全隧设计级围岩占 ，级围岩占 ，级围岩占 。隧道全工序机械化工装设备与工艺经多次对施工机械配套体系进行试验、改进，总结出一套较为成熟的高速公路特长隧道机械化施工技术，形成了以 个隧道作业面为单元（一洞），按照超前支护、开挖、初期支护、仰拱、防水板、衬砌、水电槽等 条基本作业线（七线）配备 台套大型特种设备（两臂凿岩台车、隧道多功能拱架安装车、混凝土湿喷机械手、自行悬臂式液压仰拱栈桥、多功能钢筋防水板作业台车、自动布料衬砌台车、轨行式液压电缆槽台车）的“一洞七线七机”全工序机械作业配套模式，相关机械设备如图 所示，全工序工艺流程如图 所示。图 隧道全工序机械化作业配套设备图 隧道全工序机械作业流程 洞身开挖工序隧道开挖工序采用两臂凿岩台车的机械作业方式。施工时，将两臂凿岩台车停放至距隧道掌子面约 位置，通过遥控操作将台车大臂对准钻孔位置并调整钻进角度，两组大臂同时进行钻孔作业。该方式主要应用于隧道、矿山以及其他地下工程中巷道、隧洞的掘进施工作业，可进行钻爆破孔、锚杆孔、掏槽孔等作业。适用于隧道全断面开挖作业，因其大臂可弯折，故也可用于小断面及台阶法施工，具作业范围大。相比于传统工艺，两臂凿岩台车在作业模式、安全风险、施工环境、钻孔效率方面具有明显的优势，如表 所示。支护立架工序支护立架工序采用多功能拱架安装车的机械作业方式。施工时，将隧道多功能拱架安装车停放至距隧道掌子面约位置，通过遥控操作台车大臂抓取举升拱架、钢筋网、锚杆等至合适位置，安装湖南交通科技 卷表 机械化隧道开挖与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺两臂凿岩台车施工作业模式作业人员数量多（人），手动劳动强度大凿岩台车操作人员最多 人，机械操作可有效降低劳动强度安全风险自制台架进行临边安全防护，人员易发生高处坠落事故自带规范防护的操作平台，无需另外增加防护施工环境钻孔人员长期暴露在噪音和粉尘环境中，易患职业病全封闭操作室有效地阻止了职业病的发生，且凿岩台车是机械臂，不会对操作手造成震动伤害平均成孔速度 孔（）孔（）人员处于大臂吊篮中进行螺栓、焊接等固定作业，同时也可作为质量检测、风水管安装、缺陷修复、注浆、辅助安装锚杆、装药等多种高空作业平台使用。可适应全断面、台阶法等隔断面施工。相比于传统工艺，多功能拱架安装车在人员配置、作业模式、安全风险方面具有明显的优势，如表 所示。表 机械化隧道立架支护与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺多功能隧道拱架安装车施工人员配置双线隧道掌子面支护班一般需要 人，人工成本较高作业时仅需 名工人操作，大大节约了人工成本作业模式通过肩扛人抬的方式进行立架作业，一榀拱架的安装需耗时 ，施工效率低下通过机械手夹持立架，举升稳定可靠，拱架对位精准，一榀拱架的安装仅需 ，大幅提高施工效率安全风险工人易发生钢拱架脱手、倾倒等险况；且直接面临着上方的落石威胁，安全隐患大工作平台四周皆有安全护栏，防止人员掉落，且人员处于已支护段落，降低安全事故的发生概率及规模 喷射混凝土工序喷射混凝土工序采用了混凝土湿喷机械手的机械作业方式。相比于传统工艺，混凝土湿喷机械手在施工质量、成本控制、安全风险、施工环境方面具有明显的优势，如表 所示。表 机械化隧道喷射混凝土与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺混凝土湿喷机械手施工施工质量混凝土水灰比带有随意性，施工质量难以控制混凝土标准化生产，配合比完全处于受控状态，保证了喷混凝土的质量成本控制回弹率较高，可达 ，造成材料浪费回弹率为 左右，极大节约了隧道喷射混凝土用量安全风险操作人员距受喷面较近，安全风险高操作人员距离受喷面约 ，减小了掌子面坍塌对作业人员和机械设备的安全威胁施工环境粉尘大，能见度低，工作环境极差湿喷喷射混凝土粉尘量明显降低，能有效降低施工人员患职业病的概率 仰拱、防水层施工工序仰拱、防水层施工工序采用自行式悬臂液压仰拱栈桥、多功能钢筋防水板作业台车的机械作业方式。在传统工艺中，仰拱与防水层的施工通常借助简易钢结构仰拱栈桥与普通防水板作业台架进行，相比之下，自行式悬臂液压仰拱栈桥与多功能钢筋防水板作业台车可根据需要自由组装，适应性、灵活性强的特点，在施工效率、成本控制方面具有明显的优势，如表 所示。表 机械化隧道仰拱、防水层施工与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺自行式悬臂液压仰拱栈桥与多功能钢筋防水板作业台车施工施工效率需装载机等设备进行辅助移动，影响了隧道工序衔接时间，影响施工效率拖拉移动优化为自行遥控操作，实现精准移动，大大提高施工效率成本控制结构质量较差，无法做到多处施工重复使用刚度大、变形小、破损率低，可重复使用，大大节约成本 二次衬砌及电缆槽工序二次衬砌及电缆槽施工工序采用自动布料衬砌台车、轨行式液压电缆槽台车的机械作业方式。施工时，通过遥控操作台车设备移动，再以少期李钊，等：浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术量人工微调下料管口位置，即可实现分层浇筑。相比于传统工艺，自动布料衬砌台车与轨行式液压电缆槽台车在作业模式、质量控制成本控制方面具有明显的优势，如表 所示。表 机械化隧道二次衬砌及电缆槽施工与传统施工工艺优劣比较项目传统工艺自动布料衬砌台车与轨行式液压电缆槽台车施工作业模式人工拼装端头模板或电缆槽模板，劳动强度大设备移动优化为单人遥控操作，辅以 人配合微调下料管口位置，即可实现分层逐窗浇筑质量控制质量受立模固定效果影响，波动较大遥控操作，确保了浇筑位置的精准性，一体化模板保证了浇筑质量，大大提高施工质量成本控制木模或拼装模板质量较差，无法做到多处施工重复使用可视化端模及一体化模板，可重复使用 隧道全工序机械化施工经济效益分析椿木山隧道全工序机械化施工方法与传统工法相比较，不仅大幅减少了工作面作业人员数量，单洞全工序作业人员由原来的 人减至 人，节约人工 ；而且提高了施工作业效率，经测算掌子面循环进尺节约工时 ，折合约 ，如表 、表 所示。椿木山隧道较计划工期提前 个月贯通。表 椿木山隧道掌子面施工传统工装与全机械单次循环用时对比施工方法围岩等级各工序用时 开挖爆破出渣锚杆超前挂网立拱架喷浆合计 全机械施工 传统工装 种施工方法对比时间差（）表 椿木山隧道开挖节约总工期计算围岩等级长度单次进尺循环次数单次循环节约工时 合计节约工时 另外，虽然全工序机械化在设备的一次性投入方面金额较大，但工效的提升使得人工及其他方面的费用减少。以椿木山隧道单洞为例，全工序机械化购置费约 万元，较传统工法设备购置成本增加约 ，以椿木山隧道 个季度工期为例进行测算，全工序机械化的人工及机械成本费用累计在第 个季度后比传统工法的相关成本更低，如图 所示，由此见全工序机械化在工期较长的长大图 隧道全工序机械配套与传统工装施工法人工加设备费用对比湖南交通科技 卷隧道施工中更具备应用优势。不同隧道断面类型成套机械设备配置建议通过椿木山隧道采用全工序机械化设备施工，笔者根据隧道开挖断面大小及工法类型，对成套机械设备设置出如下建议。）开挖宽度在 范围，开挖高度 左右的断面，全断面施工或台阶法施工建议采用 臂凿岩台车及多功能拱架安装台车。）同等断面下，三台阶及 等工法开挖，因其机械作业受空间限制，不建议采用机械配套。）大于 （宽）（高）的断面，全断面施工可酌情考虑采用三臂凿岩台车，台阶法施工可采用两臂凿岩台车，但需根据实际准确断面，确定台车臂长。）两臂凿岩台车需高压水、电进洞（掌子面），因使用成本高于人工施工，无法接入高压水、电的隧道不建议使用两臂凿岩台车。）除凿岩台车及拱架安装台车外，其他大型设备使用范围如表 所示。表 高速公路隧道机械化施工设备配置适用情况序号设备名称适用断面宽 高 适用工法混凝土湿喷机械手 全断面、台阶法、三台阶自行悬臂式液压仰拱栈桥 多功能钢筋防水板作业台车 自动布料衬砌台车 轨行式液压电缆槽台车 多功能升降机 结语）通过采用“一洞七线七机”全工序机械作业配套模式，节约了工期，节省了施工人员，有效改善了洞内作业环境，提高了施工安全系数，提升了施工效率，实现了“机械化换人、自动化减人”的目标。）在隧道高应力施段配备两臂凿岩台车、隧道多功能拱架安装车可作为保证人员施工安全的主要措施之一，通过减少掌子面作业人员数量及采用机械辅助安设防护网等，可有效防止岩爆溅射造成的伤害。）在传统工艺中，隧道喷射混凝土超耗严重，极大地增加了施工成本。将湿喷机械手，作为隧道“双超治理”的主要措施之一，通过湿喷机械手，规范喷射作业流程，可降低喷射混凝土超耗。）将自动布料衬砌台车作为预防衬砌常见缺陷的主要措施之一，通过自动布料衬砌台车人工遥控操作，降低劳动强度，避免工人因劳动强度过高，减少台车窗口的应用，及未严格落实分层逐窗浇筑导致的混凝土出现蜂窝麻面、强度不足等缺陷。参考文献：杜兆广 隧道施工中的机械设备配套技术 设备管理与维修，（）：张鑫伟 高速铁路长大隧道工程中的机械配套施工技术 工程机械与维修，（）：田四明，吴克非，刘大刚，等 高原铁路极高地应力环境隧道主动支护设计方法研究 铁道学报，（）：孙会彬，鹿伟，宋曙光，等 隧道拱架装配式施工关键技术及应用研究 地下空间与工程学报，（）：魏夏鹏，汪波，陈伟祥，等 软岩大变形隧道预应力锚索一体化施工设备与机械化配套工艺研究 以木寨岭公路隧道为例 隧道建设（中英文），（）：柳玉洁 长大公路隧道快速施工机械化配套技术研究 淮南：安徽理工大学，帅玉兵，丘锦润，李鹏飞，等 盾构隧道内机械法施工竖井泵房封底试验与数值模拟研究 隧道建设（中英文），（）：刘科 山岭隧道机械化大断面法设计关键技术 隧道建设（中英文），（）：杨年华 钻爆法隧道开挖作业机械化发展的思考 隧道建设（中英文），（）：覃建华 特长隧道快速施工中的机械配套方案与优化 西部交通科技，（）：