導(dǎo)語：高速公路隧道機(jī)械化施工技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為實(shí)現(xiàn)特長大斷面隧道機(jī)械化施工，針對某高速隧道機(jī)械化施工段中所面臨的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面開挖，機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)、監(jiān)控量測等問題，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，理論分析，并通過數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)工藝方法比對。有力體現(xiàn)了隧道機(jī)械化施工的必要性，該高速公路隧道在合理的施工組織設(shè)計(jì)下保持較好的工作狀態(tài)、較高的工作效率，學(xué)習(xí)且應(yīng)用國內(nèi)外重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，形成了合理有效安全的施工技術(shù)，和傳統(tǒng)人工法相比，突出了機(jī)械化施工的優(yōu)勢。研究成果可為今后的隧道機(jī)械化施工技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；特長隧道；機(jī)械化施工；施工技術(shù)；安全施工

伴隨著高速公路的大規(guī)模建設(shè)，中國公路的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期，我國疆域遼闊，公路網(wǎng)穿越萬水千山、不斷蔓延，2011~2014年期間，我國公路隧道數(shù)量增加至12404座，總長度達(dá)到10756.7km。2012年之后，公路隧道的建設(shè)規(guī)模和數(shù)量遠(yuǎn)超鐵路隧道，并逐年穩(wěn)步增長，不斷地開創(chuàng)出相當(dāng)數(shù)量的高質(zhì)量隧道工程，公路隧道在建設(shè)過程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)量、質(zhì)量上前所未有的飛躍［1，2］。某高速公路隧道位于廣東省境內(nèi)，設(shè)計(jì)為雙向六車道分離式隧道，起訖樁號左線ZK152+470~ZK156+820，長4350m；右線YK152+495~YK156+810，長4315m；進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高左線136.5m、右線138.8m，出洞口設(shè)計(jì)左線195.1m、右線194.6m，隧道左右洞進(jìn)、出口均采用削竹式洞門；最大埋深約463.76m，屬于特長隧道。隧道區(qū)基巖裂隙水沿坡腳滲出匯集于山間溝谷，根據(jù)現(xiàn)場勘探，隧道內(nèi)不良地質(zhì)為巖溶，場區(qū)范圍內(nèi)溶溝、溶槽縱橫交錯(cuò)，主要受地形排水影響，屬于Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)隧道；隧道進(jìn)出口皆為山林，無路可抵達(dá)隧道口附近，交通不便；出口離鎮(zhèn)上4.2km，有鄉(xiāng)道至隧道山體低洼地段，大車可通行，匯車較方便。隧道進(jìn)口段Ⅲ級圍巖占比較多，圍巖級別所占比例如表1所示。針對這種軟弱圍巖的特長隧道，傳統(tǒng)的人工作業(yè)法存在很多不足，因此采用大型機(jī)械化施工，不僅可以快速施工、節(jié)約成本、減輕人力，且對提高工程項(xiàng)目的安全和質(zhì)量有利［3］。本文對廣東省某高速公路隧道機(jī)械化施工方法進(jìn)行總結(jié)，從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、隧道開挖、出渣施工、三臂鑿巖臺(tái)車施工、噴射混凝土施工、拱架安裝、仰拱作業(yè)、二次襯砌和水溝電纜槽施工等方面展開詳細(xì)討論，為隧道工程大型機(jī)械化施工提供參考。

1某公路隧道機(jī)械化設(shè)備選擇

1.1機(jī)械化施工現(xiàn)狀。目前，隧道工程在建設(shè)過程中基本已機(jī)械化覆蓋，廣州龍頭山8車道公路隧道的開挖面積達(dá)229.4m2，是我國第一條大斷面多車道分離式公路隧道［4］；廈門的萬石山隧道大膽創(chuàng)新，嘗試建設(shè)了中國第一條地下互通隧道，并于2008年投入使用［5］；我國第二長的跨海隧道于21世紀(jì)初動(dòng)工，最大開挖尺寸為28.2m×18.6m，至今未被超越［6］。各種新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝出現(xiàn)在隧道施工里，譬如全斷面挖掘機(jī)、雙臂鑿巖臺(tái)車、三臂鑿巖臺(tái)車、新型自行式襯砌臺(tái)車、養(yǎng)護(hù)臺(tái)車等，大大提高了隧道施工效率，保證了施工安全。但由于各種工程的地質(zhì)情況、施工工藝、施工單位的技術(shù)水平各有千秋，導(dǎo)致不同的隧道工程須選擇不同的機(jī)械化方案以達(dá)到生產(chǎn)目標(biāo)［7，8］。為了積極響應(yīng)“一帶一路”倡議，順應(yīng)安全施工、綠色施工的理念，我國的隧道及地下工程還在繼續(xù)規(guī)劃當(dāng)中，可以說，機(jī)械化施工技術(shù)在隧道工程中必然是大勢所趨［9，10］。1.2配套機(jī)械設(shè)備。某高速公路隧道進(jìn)口段機(jī)械化施工主要涉及到的機(jī)械設(shè)備如表2所示。機(jī)械化施工中最新式的設(shè)備主要為三臂鑿巖臺(tái)車，其余設(shè)備較為常見。

2某高速公路隧道主要施工工藝

2.1施工總體部署。為確保隧道能夠安全施工，需提前探測隧道前方地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場情況，當(dāng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)出現(xiàn)異常地質(zhì)情況時(shí)，使用RPD150C多功能地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確認(rèn)前方地質(zhì)情況及判斷圍巖級別，研究可行有效的開挖方案，多功能地質(zhì)鉆機(jī)實(shí)際每次鉆孔深度為30~40m。三臂鑿巖臺(tái)車由全液壓機(jī)械控制進(jìn)行爆破鉆孔作業(yè)，爆破后采取強(qiáng)排風(fēng)及濕噴機(jī)械手噴水降塵。隧道出口采用挖掘機(jī)、裝載車等設(shè)備配合運(yùn)輸車將隧道洞渣運(yùn)輸至指定填方路基處。采用濕噴機(jī)械手噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。二襯防水板采用自動(dòng)掛布機(jī)和人工配合進(jìn)行安裝，二襯混凝土施工采用新型智能自動(dòng)分料全液壓模板臺(tái)車進(jìn)行澆筑；自行式全液壓仰拱棧橋用于仰拱施工作業(yè)。隧道左右線均由進(jìn)口往隧道中部保持30~50m的距離交錯(cuò)掘進(jìn)，禁止同時(shí)掘進(jìn)同里程斷面。2.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。為滿足隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)目的和要求，本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法擬在非物探方法的基礎(chǔ)上，采用綜合物探超前預(yù)報(bào)方法，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作量如表3所示。其中，非物探方法主要為掌子面地質(zhì)素描和超前鉆探法等，物探方法主要包括地震波反射法和地質(zhì)雷達(dá)方法，地震波以地震波發(fā)射法為主和地質(zhì)雷達(dá)法為輔，采用地震波反射法用TGP206對地質(zhì)情況進(jìn)行系統(tǒng)探測，以弄清隧道掌子面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)采用地質(zhì)雷達(dá)和其它方法進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，以獲得掌子面前方相對準(zhǔn)確的地質(zhì)情況。必要時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探、加深探孔、富水區(qū)還要加紅外線探水，有溶洞的地質(zhì)區(qū)還需要做基底物探的方法。2.3機(jī)械化施工工藝。隧道施工機(jī)械選型應(yīng)全面考慮生產(chǎn)性、可靠性、安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)［11］。隧道開挖要遵循施工規(guī)范，做到爆破弱、進(jìn)尺短、支護(hù)強(qiáng)、封閉早、測量勤等要求［12］，嚴(yán)格按照謹(jǐn)密的生產(chǎn)步驟進(jìn)行。2.3.1隧道開挖。隧道洞身Ⅳ級圍巖采用三臺(tái)階開挖法和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，按2榀鋼架間距控制，利用三臂鑿巖臺(tái)車并排進(jìn)行鉆眼裝藥施工；Ⅲ級圍巖正常段按3m控制，開挖采用兩臺(tái)階開挖法，鋼架鎖腳錨桿必須在仰拱開挖前完成，每循環(huán)進(jìn)不超過3m，采用超前小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)破碎局部圍巖，配2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車并排進(jìn)行施工鉆孔作業(yè)。某高速公路隧道開挖方法主要采用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)臂導(dǎo)坑法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、三臺(tái)階、上下臺(tái)階法。左線進(jìn)口段開挖方法及支護(hù)類型如表4所示，右線開挖方法和左線一致，這里不做展示。采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)開挖Ⅴ級圍巖，遇軟弱圍巖無爆破作業(yè)時(shí)，用挖機(jī)微臺(tái)階開挖方法，其他情況均用人工法進(jìn)行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺(tái)階開挖，Ⅴ級圍巖開挖橫斷面如圖1所示。采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)開挖Ⅴ級圍巖，遇軟弱圍巖無爆破作業(yè)時(shí)，用挖機(jī)微臺(tái)階開挖方法，其他情況均用人工法進(jìn)行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺(tái)階開挖。三臂鑿巖臺(tái)車宜用于上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法施工時(shí)掌子面鉆眼、清孔、裝藥、安裝錨桿等［13］。為確保在開挖方法變化，機(jī)械化施工和人工施工轉(zhuǎn)換順利，操作機(jī)械鉆眼及人工鉆眼人員為獨(dú)立的2套作業(yè)班組，施工用高壓水管、高壓風(fēng)管同時(shí)鋪設(shè)至隧道掌子面近端。2.3.2出渣施工。隧道出渣時(shí)先用挖掘機(jī)裝渣，再將挖掘機(jī)開至指定場地，進(jìn)行掌子面出渣時(shí)，其他作業(yè)面也應(yīng)同時(shí)作業(yè)，使多臺(tái)機(jī)械設(shè)備在不同工序點(diǎn)同步作業(yè)，可大大提高作業(yè)效率，減少作業(yè)時(shí)間，隧道出渣作業(yè)工序如圖2所示。2.3.3三臂鑿巖臺(tái)車施工流程。某高速公路隧道配備的是BoomerXL3D三臂掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車，控制方式采用先導(dǎo)液壓，帶有3條BUT35型鉆臂、鷹式高臂座，使斷面作業(yè)面積增大，作業(yè)范圍15597mm×12789mm，最大覆蓋面積達(dá)178m2，鑿巖機(jī)沖擊頻率60Hz，鉆臂可覆蓋面積178m2，使用壽命可達(dá)15年以上，相比其他同類設(shè)備具有作業(yè)覆蓋度高、定位準(zhǔn)確、承載能力強(qiáng)及可降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢［13］。斷面開挖示意圖如圖3所示，Ⅳ級圍巖開挖示意圖如圖4所示。三臂鑿巖臺(tái)車作業(yè)時(shí)［14］，按測量放線➝炮眼布置➝鉆眼➝裝藥聯(lián)線➝警戒、起爆➝通風(fēng)和灑水除塵➝找頂➝出碴➝斷面檢測及分析的順序進(jìn)行施工，洞身開挖應(yīng)注意以下事項(xiàng)：實(shí)時(shí)跟蹤掌子面圍巖變化情況，根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整施工方案；臺(tái)階法開挖應(yīng)嚴(yán)格控制臺(tái)階長度，同時(shí)嚴(yán)格控制進(jìn)尺長度；成孔后及時(shí)插入竹桿護(hù)孔；鉆孔完成后，及時(shí)將臺(tái)車退至指定位置停放；鉆孔完成后，及時(shí)清理電纜、水管，并及時(shí)關(guān)閘，確保用水用電安全。2.3.4噴射混凝土施工。本隧道濕噴射C25等級的混凝土，在拌和站集中拌制，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)至現(xiàn)場，再由濕噴機(jī)械手噴射，選用ZTC30工程底盤式濕噴臺(tái)車進(jìn)行施工作業(yè)，其技術(shù)參數(shù)如表5所示，設(shè)備主要有行程長、噴射混凝土泵缸徑大、機(jī)械手噴射范圍大、可靠度高等性能特點(diǎn)，用電力驅(qū)動(dòng)工作，可減少尾氣排放，做到綠色施工。噴射混凝土作業(yè)的噴射順序應(yīng)從下到上，反復(fù)噴射。分段施工時(shí)，將上一次噴射的混凝土留個(gè)寬度為200~300mm的斜面，混凝土噴射前需用壓力水將斜面沖洗濕潤。分片噴射時(shí)，先噴鋼架與壁面間混凝土，兩鋼架之間混凝土次之，邊墻混凝土從墻腳噴至墻頭。分層噴射時(shí)，前一層混凝土終凝后方可噴射后一層混凝土，一次噴射混凝土須均勻噴射以控制厚度，邊墻應(yīng)控制在7~10cm，拱部控制在5~6cm，頂部噴射混凝土?xí)r，2次噴射時(shí)間宜相隔2~4h，以避免墜落現(xiàn)象。機(jī)械手噴射速度要適當(dāng)，有利于混凝土壓實(shí)，噴射時(shí)要根據(jù)情況調(diào)整噴射速度，還要保持噴嘴與受噴面間適當(dāng)距離使壓實(shí)最大、回彈最小?；炷羾娚渥鳂I(yè)示意圖如圖5所示。2.3.5拱架安裝車。本隧道配備型號為HLC1215隧道拱架安裝車，主要技術(shù)參數(shù)如下：最大作業(yè)高度為12m，最大作業(yè)水平寬度為18m，最大速度為80km/h，最大爬坡度為20%，機(jī)械手伸縮長度為450mm。圖6為拱架安裝3D圖，將拱架按節(jié)段編號均勻擺放于隧道兩側(cè)，同時(shí)用臺(tái)車1#、3#的工作臂抓取拱架，先對稱安裝C單元，然后組合安裝A+B單元，最后組合安裝A+A+B單元，安裝各拱架節(jié)段時(shí)，利用拱架安裝機(jī)自帶的工作吊籃，并配合人工精準(zhǔn)就位，采用短鋼筋定位、連接鋼筋固定拱架，支墊混凝土墊塊，從而確保鋼架的穩(wěn)定性，間距合理控制。下一步計(jì)劃對拱架連接方式進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)采用插銷式連接，減少焊接、縮短拱架安裝時(shí)間。2.3.6仰拱作業(yè)。仰拱作業(yè)采用型號為ZQ-GGTL24的自行式全液壓仰拱棧橋，該型號設(shè)備跨度大，使用方便，在隧道施工中操作簡便、安全可靠、移動(dòng)迅速，可在隧道仰拱作業(yè)時(shí)發(fā)揮重要作用。開挖完畢仰即開始仰拱及填充，根據(jù)不同圍巖等級，確定開挖長度，無特殊情況下開挖長度為3.0~3.5m。移動(dòng)式仰拱棧橋主要有主梁與車道、前后坡橋、后橋行走與平移、仰拱模板與提升機(jī)構(gòu)、履帶驅(qū)動(dòng)裝置及支腿部分組成。棧橋縱向移動(dòng)施工可按安裝棧橋➝棧橋定位➝仰拱襯砌➝更換位置的順序循環(huán)進(jìn)行仰拱施工。2.3.7二次襯砌。在二次襯砌工序時(shí)，先進(jìn)行防排水及鋼筋施工，采用自動(dòng)掛布機(jī)臺(tái)車鋪設(shè)防水板。第二步采用襯砌模板安裝液壓模板臺(tái)車進(jìn)行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配備了混凝土分層布料機(jī)的臺(tái)車上進(jìn)行［15］（二襯液壓模板臺(tái)車現(xiàn)場如圖7所示）。泵送過程中需確保二襯混凝土澆筑高差不大于500mm，并對暫未澆筑的管路澆筑前潤滑防止堵管，對已澆筑過的泵管喇叭口采用抹布清洗防止再次澆筑時(shí)因密封不嚴(yán)實(shí)，每層管路澆筑完畢后需進(jìn)行清洗并關(guān)閉工作窗；混凝土到達(dá)拆模強(qiáng)度時(shí)可脫模，堵頭模板拆除前做好拆模的各項(xiàng)工作，臺(tái)車在收模時(shí)必須按照先收下動(dòng)模再收上模架的順序進(jìn)行。上述工序完成后還要采用專用隧道二襯混凝土移動(dòng)式臺(tái)架及時(shí)養(yǎng)護(hù)二次襯砌的混凝土，在外側(cè)四周灑水對二襯混凝土表面灑水噴霧，縱向移動(dòng)臺(tái)架，養(yǎng)護(hù)臺(tái)架的電機(jī)行走速度控制在8m/min。灑水噴霧間隔時(shí)間根據(jù)施工條件而定，以確保二襯養(yǎng)護(hù)效果，混凝土養(yǎng)護(hù)車斷面如圖8所示。2.3.8水溝電纜槽施工。采用定型模板臺(tái)車在兩側(cè)對稱澆筑電纜溝槽（見圖9），2次應(yīng)澆筑相同的長度以便對齊施工縫。某高速公路隧道配套的水溝電纜槽臺(tái)車采用整體鋼模設(shè)計(jì)，具有模板強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可減少施工過程中“跑?！爆F(xiàn)象的出現(xiàn)；臺(tái)車拼裝完成后，只需在每次施工前安裝鋼軌，全自動(dòng)操作模板在臺(tái)車就位后方可全部就位，減少了拼模和拆模過程，施工效率高，可縮短工期。

3機(jī)械化作業(yè)功效分析

本隧道進(jìn)口左線共長2155m，其中Ⅴ級圍巖195m，Ⅳ級圍巖830m，Ⅲ級圍巖1130m，不考慮其他因素，機(jī)械化施工比傳統(tǒng)工藝的施工效率增加約30%，左線功效分析數(shù)據(jù)如表6所示。本隧道進(jìn)口右線共長2110.5m，其中Ⅴ級圍巖193m，Ⅳ級圍巖800m，Ⅲ級圍巖1117.5m，不考慮其他因素，機(jī)械化施工的施工效率比傳統(tǒng)工藝增加約31%，右線功效分析數(shù)據(jù)如表7所示。

4結(jié)論

隧道機(jī)械化施工技術(shù)完美切合剛出爐的新基建理念，在未來的交通運(yùn)輸工程、軌道工程建設(shè)中配套機(jī)械化設(shè)備是大勢所向，但考慮到項(xiàng)目的實(shí)際情況，各項(xiàng)目的環(huán)境、特殊地質(zhì)等因素，在隧道機(jī)械化施工方面還有很大缺口。綜合廣東省某高速公路隧道施工機(jī)械化的經(jīng)驗(yàn)，已取得如下成果：⑴廣東省某高速公路隧道機(jī)械化配套施工具有合理有效的組織設(shè)計(jì)，保證整個(gè)項(xiàng)目在進(jìn)行中處于較好的工作狀態(tài)。⑵根據(jù)廣東省某高速公路隧道及其他單位類似工程經(jīng)驗(yàn)值分析，機(jī)械化施工相關(guān)功效控制指標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場的斷面情況調(diào)整，相同的開挖方法，機(jī)械化施工月進(jìn)尺方面較傳統(tǒng)人工開挖V級圍巖快30m，Ⅲ級圍巖快57m，說明圍巖等級越低對機(jī)械化施工越有利，機(jī)械化代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工施工的功效明顯，比人工施工更有優(yōu)勢。本隧道機(jī)械化施工技術(shù)方法可為隧道工程的機(jī)械化作業(yè)提供參考和借鑒，使日后的隧道、地下工程建設(shè)適應(yīng)機(jī)械化施工，并不斷探索創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)械化和智能化。

作者:鐘少杰 單位:中交四航局第二工程有限公司