高速公路隧道机械化施工技术研究

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摘要：为实现特长大断面隧道机械化施工，针对某高速隧道机械化施工段中所面临的超前地质预报、掌子面开挖，机械化施工关键技术、监控量测等问题，经过现场试验，理论分析，并通过数据与传统工艺方法比对。有力体现了隧道机械化施工的必要性，该高速公路隧道在合理的施工组织设计下保持较好的工作状态、较高的工作效率，学习且应用国内外重点项目经验，形成了合理有效安全的施工技术，和传统人工法相比，突出了机械化施工的优势。研究成果可为今后的隧道机械化施工技术提供参考。

关键词：高速公路隧道；特长隧道；机械化施工；施工技术；安全施工

伴随着高速公路的大规模建设，中国公路的发展已经进入了一个崭新的时期，我国疆域辽阔，公路网穿越万水千山、不断蔓延，2011~2014年期间，我国公路隧道数量增加至12404座，总长度达到10756.7km。2012年之后，公路隧道的建设规模和数量远超铁路隧道，并逐年稳步增长，不断地开创出相当数量的高质量隧道工程，公路隧道在建设过程中实现了数量、质量上前所未有的飞跃［1，2］。某高速公路隧道位于广东省境内，设计为双向六车道分离式隧道，起讫桩号左线ZK152+470~ZK156+820，长4350m；右线YK152+495~YK156+810，长4315m；进洞口设计标高左线136.5m、右线138.8m，出洞口设计左线195.1m、右线194.6m，隧道左右洞进、出口均采用削竹式洞门；最大埋深约463.76m，属于特长隧道。隧道区基岩裂隙水沿坡脚渗出汇集于山间沟谷，根据现场勘探，隧道内不良地质为岩溶，场区范围内溶沟、溶槽纵横交错，主要受地形排水影响，属于Ⅲ级风险隧道；隧道进出口皆为山林，无路可抵达隧道口附近，交通不便；出口离镇上4.2km，有乡道至隧道山体低洼地段，大车可通行，汇车较方便。隧道进口段Ⅲ级围岩占比较多，围岩级别所占比例如表1所示。针对这种软弱围岩的特长隧道，传统的人工作业法存在很多不足，因此采用大型机械化施工，不仅可以快速施工、节约成本、减轻人力，且对提高工程项目的安全和质量有利［3］。本文对广东省某高速公路隧道机械化施工方法进行总结，从超前地质预报、超前支护、隧道开挖、出渣施工、三臂凿岩台车施工、喷射混凝土施工、拱架安装、仰拱作业、二次衬砌和水沟电缆槽施工等方面展开详细讨论，为隧道工程大型机械化施工提供参考。

1某公路隧道机械化设备选择

1.1机械化施工现状。目前，隧道工程在建设过程中基本已机械化覆盖，广州龙头山8车道公路隧道的开挖面积达229.4m2，是我国第一条大断面多车道分离式公路隧道［4］；厦门的万石山隧道大胆创新，尝试建设了中国第一条地下互通隧道，并于2008年投入使用［5］；我国第二长的跨海隧道于21世纪初动工，最大开挖尺寸为28.2m×18.6m，至今未被超越［6］。各种新技术、新设备、新工艺出现在隧道施工里，譬如全断面挖掘机、双臂凿岩台车、三臂凿岩台车、新型自行式衬砌台车、养护台车等，大大提高了隧道施工效率，保证了施工安全。但由于各种工程的地质情况、施工工艺、施工单位的技术水平各有千秋，导致不同的隧道工程须选择不同的机械化方案以达到生产目标［7，8］。为了积极响应“一带一路”倡议，顺应安全施工、绿色施工的理念，我国的隧道及地下工程还在继续规划当中，可以说，机械化施工技术在隧道工程中必然是大势所趋［9，10］。1.2配套机械设备。某高速公路隧道进口段机械化施工主要涉及到的机械设备如表2所示。机械化施工中最新式的设备主要为三臂凿岩台车，其余设备较为常见。

2某高速公路隧道主要施工工艺

2.1施工总体部署。为确保隧道能够安全施工，需提前探测隧道前方地质情况，根据现场情况，当超前地质预报出现异常地质情况时，使用RPD150C多功能地质钻机进行超前地质预报，确认前方地质情况及判断围岩级别，研究可行有效的开挖方案，多功能地质钻机实际每次钻孔深度为30~40m。三臂凿岩台车由全液压机械控制进行爆破钻孔作业，爆破后采取强排风及湿喷机械手喷水降尘。隧道出口采用挖掘机、装载车等设备配合运输车将隧道洞渣运输至指定填方路基处。采用湿喷机械手喷射混凝土进行初期支护。二衬防水板采用自动挂布机和人工配合进行安装，二衬混凝土施工采用新型智能自动分料全液压模板台车进行浇筑；自行式全液压仰拱栈桥用于仰拱施工作业。隧道左右线均由进口往隧道中部保持30~50m的距离交错掘进，禁止同时掘进同里程断面。2.2超前地质预报。为满足隧道地质超前预报目的和要求，本次隧道地质超前预报方法拟在非物探方法的基础上，采用综合物探超前预报方法，超前地质预报工作量如表3所示。其中，非物探方法主要为掌子面地质素描和超前钻探法等，物探方法主要包括地震波反射法和地质雷达方法，地震波以地震波发射法为主和地质雷达法为辅，采用地震波反射法用TGP206对地质情况进行系统探测，以弄清隧道掌子面前方的工程地质和水文地质采用地质雷达和其它方法进行短期预报，以获得掌子面前方相对准确的地质情况。必要时进行超前地质钻探、加深探孔、富水区还要加红外线探水，有溶洞的地质区还需要做基底物探的方法。2.3机械化施工工艺。隧道施工机械选型应全面考虑生产性、可靠性、安全性、耐久性、经济性等特点［11］。隧道开挖要遵循施工规范，做到爆破弱、进尺短、支护强、封闭早、测量勤等要求［12］，严格按照谨密的生产步骤进行。2.3.1隧道开挖。隧道洞身Ⅳ级围岩采用三台阶开挖法和环形开挖预留核心土法施工，按2榀钢架间距控制，利用三臂凿岩台车并排进行钻眼装药施工；Ⅲ级围岩正常段按3m控制，开挖采用两台阶开挖法，钢架锁脚锚杆必须在仰拱开挖前完成，每循环进不超过3m，采用超前小导管注浆超前支护破碎局部围岩，配2台三臂凿岩台车并排进行施工钻孔作业。某高速公路隧道开挖方法主要采用了双侧壁导坑法、单侧臂导坑法、三台阶预留核心土法、环形开挖预留核心土法、三台阶、上下台阶法。左线进口段开挖方法及支护类型如表4所示，右线开挖方法和左线一致，这里不做展示。采用超前小导管注浆支护开挖Ⅴ级围岩，遇软弱围岩无爆破作业时，用挖机微台阶开挖方法，其他情况均用人工法进行掌子面钻眼、清孔、装药、爆破开挖微台阶开挖，Ⅴ级围岩开挖横断面如图1所示。采用超前小导管注浆支护开挖Ⅴ级围岩，遇软弱围岩无爆破作业时，用挖机微台阶开挖方法，其他情况均用人工法进行掌子面钻眼、清孔、装药、爆破开挖微台阶开挖。三臂凿岩台车宜用于上下台阶法、三台阶法施工时掌子面钻眼、清孔、装药、安装锚杆等［13］。为确保在开挖方法变化，机械化施工和人工施工转换顺利，操作机械钻眼及人工钻眼人员为独立的2套作业班组，施工用高压水管、高压风管同时铺设至隧道掌子面近端。2.3.2出渣施工。隧道出渣时先用挖掘机装渣，再将挖掘机开至指定场地，进行掌子面出渣时，其他作业面也应同时作业，使多台机械设备在不同工序点同步作业，可大大提高作业效率，减少作业时间，隧道出渣作业工序如图2所示。2.3.3三臂凿岩台车施工流程。某高速公路隧道配备的是BoomerXL3D三臂掘进凿岩台车，控制方式采用先导液压，带有3条BUT35型钻臂、鹰式高臂座，使断面作业面积增大，作业范围15597mm×12789mm，最大覆盖面积达178m2，凿岩机冲击频率60Hz，钻臂可覆盖面积178m2，使用寿命可达15年以上，相比其他同类设备具有作业覆盖度高、定位准确、承载能力强及可降低劳动强度等优势［13］。断面开挖示意图如图3所示，Ⅳ级围岩开挖示意图如图4所示。三臂凿岩台车作业时［14］，按测量放线➝炮眼布置➝钻眼➝装药联线➝警戒、起爆➝通风和洒水除尘➝找顶➝出碴➝断面检测及分析的顺序进行施工，洞身开挖应注意以下事项：实时跟踪掌子面围岩变化情况，根据围岩情况及时调整施工方案；台阶法开挖应严格控制台阶长度，同时严格控制进尺长度；成孔后及时插入竹杆护孔；钻孔完成后，及时将台车退至指定位置停放；钻孔完成后，及时清理电缆、水管，并及时关闸，确保用水用电安全。2.3.4喷射混凝土施工。本隧道湿喷射C25等级的混凝土，在拌和站集中拌制，混凝土运输车运至现场，再由湿喷机械手喷射，选用ZTC30工程底盘式湿喷台车进行施工作业，其技术参数如表5所示，设备主要有行程长、喷射混凝土泵缸径大、机械手喷射范围大、可靠度高等性能特点，用电力驱动工作，可减少尾气排放，做到绿色施工。喷射混凝土作业的喷射顺序应从下到上，反复喷射。分段施工时，将上一次喷射的混凝土留个宽度为200~300mm的斜面，混凝土喷射前需用压力水将斜面冲洗湿润。分片喷射时，先喷钢架与壁面间混凝土，两钢架之间混凝土次之，边墙混凝土从墙脚喷至墙头。分层喷射时，前一层混凝土终凝后方可喷射后一层混凝土，一次喷射混凝土须均匀喷射以控制厚度，边墙应控制在7~10cm，拱部控制在5~6cm，顶部喷射混凝土时，2次喷射时间宜相隔2~4h，以避免坠落现象。机械手喷射速度要适当，有利于混凝土压实，喷射时要根据情况调整喷射速度，还要保持喷嘴与受喷面间适当距离使压实最大、回弹最小。混凝土喷射作业示意图如图5所示。2.3.5拱架安装车。本隧道配备型号为HLC1215隧道拱架安装车，主要技术参数如下：最大作业高度为12m，最大作业水平宽度为18m，最大速度为80km/h，最大爬坡度为20%，机械手伸缩长度为450mm。图6为拱架安装3D图，将拱架按节段编号均匀摆放于隧道两侧，同时用台车1#、3#的工作臂抓取拱架，先对称安装C单元，然后组合安装A+B单元，最后组合安装A+A+B单元，安装各拱架节段时，利用拱架安装机自带的工作吊篮，并配合人工精准就位，采用短钢筋定位、连接钢筋固定拱架，支垫混凝土垫块，从而确保钢架的稳定性，间距合理控制。下一步计划对拱架连接方式进行优化，试验采用插销式连接，减少焊接、缩短拱架安装时间。2.3.6仰拱作业。仰拱作业采用型号为ZQ-GGTL24的自行式全液压仰拱栈桥，该型号设备跨度大，使用方便，在隧道施工中操作简便、安全可靠、移动迅速，可在隧道仰拱作业时发挥重要作用。开挖完毕仰即开始仰拱及填充，根据不同围岩等级，确定开挖长度，无特殊情况下开挖长度为3.0~3.5m。移动式仰拱栈桥主要有主梁与车道、前后坡桥、后桥行走与平移、仰拱模板与提升机构、履带驱动装置及支腿部分组成。栈桥纵向移动施工可按安装栈桥➝栈桥定位➝仰拱衬砌➝更换位置的顺序循环进行仰拱施工。2.3.7二次衬砌。在二次衬砌工序时，先进行防排水及钢筋施工，采用自动挂布机台车铺设防水板。第二步采用衬砌模板安装液压模板台车进行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配备了混凝土分层布料机的台车上进行［15］（二衬液压模板台车现场如图7所示）。泵送过程中需确保二衬混凝土浇筑高差不大于500mm，并对暂未浇筑的管路浇筑前润滑防止堵管，对已浇筑过的泵管喇叭口采用抹布清洗防止再次浇筑时因密封不严实，每层管路浇筑完毕后需进行清洗并关闭工作窗；混凝土到达拆模强度时可脱模，堵头模板拆除前做好拆模的各项工作，台车在收模时必须按照先收下动模再收上模架的顺序进行。上述工序完成后还要采用专用隧道二衬混凝土移动式台架及时养护二次衬砌的混凝土，在外侧四周洒水对二衬混凝土表面洒水喷雾，纵向移动台架，养护台架的电机行走速度控制在8m/min。洒水喷雾间隔时间根据施工条件而定，以确保二衬养护效果，混凝土养护车断面如图8所示。2.3.8水沟电缆槽施工。采用定型模板台车在两侧对称浇筑电缆沟槽（见图9），2次应浇筑相同的长度以便对齐施工缝。某高速公路隧道配套的水沟电缆槽台车采用整体钢模设计，具有模板强度大、稳定性好等特点，可减少施工过程中“跑模”现象的出现；台车拼装完成后，只需在每次施工前安装钢轨，全自动操作模板在台车就位后方可全部就位，减少了拼模和拆模过程，施工效率高，可缩短工期。

3机械化作业功效分析

本隧道进口左线共长2155m，其中Ⅴ级围岩195m，Ⅳ级围岩830m，Ⅲ级围岩1130m，不考虑其他因素，机械化施工比传统工艺的施工效率增加约30%，左线功效分析数据如表6所示。本隧道进口右线共长2110.5m，其中Ⅴ级围岩193m，Ⅳ级围岩800m，Ⅲ级围岩1117.5m，不考虑其他因素，机械化施工的施工效率比传统工艺增加约31%，右线功效分析数据如表7所示。

4结论

隧道机械化施工技术完美切合刚出炉的新基建理念，在未来的交通运输工程、轨道工程建设中配套机械化设备是大势所向，但考虑到项目的实际情况，各项目的环境、特殊地质等因素，在隧道机械化施工方面还有很大缺口。综合广东省某高速公路隧道施工机械化的经验，已取得如下成果：⑴广东省某高速公路隧道机械化配套施工具有合理有效的组织设计，保证整个项目在进行中处于较好的工作状态。⑵根据广东省某高速公路隧道及其他单位类似工程经验值分析，机械化施工相关功效控制指标可根据现场的断面情况调整，相同的开挖方法，机械化施工月进尺方面较传统人工开挖V级围岩快30m，Ⅲ级围岩快57m，说明围岩等级越低对机械化施工越有利，机械化代替传统人工施工的功效明显，比人工施工更有优势。本隧道机械化施工技术方法可为隧道工程的机械化作业提供参考和借鉴，使日后的隧道、地下工程建设适应机械化施工，并不断探索创新实现真正的机械化和智能化。

作者:钟少杰 单位:中交四航局第二工程有限公司