唐 強(qiáng)， 秦 嶺， 陳 軍， 楊劍雄， 張 震， 王冰冰

(中鐵隧道局集團(tuán)第五建筑有限公司， 天津 300300)

拱架式預(yù)切槽施工機(jī)械在黃土隧道施工中的應(yīng)用

唐 強(qiáng)， 秦 嶺， 陳 軍， 楊劍雄， 張 震， 王冰冰

(中鐵隧道局集團(tuán)第五建筑有限公司， 天津 300300)

隧道預(yù)切槽施工技術(shù)在國外應(yīng)用比較廣泛，但在我國應(yīng)用還較少。針對黃土地質(zhì)專項(xiàng)研制了國內(nèi)首臺拱架式預(yù)切槽機(jī)，并在黃土隧道進(jìn)行了施工試驗(yàn)。通過施工試驗(yàn)，掌握設(shè)備定位、分區(qū)切灌、設(shè)備行走、施工作業(yè)組織等關(guān)鍵技術(shù)，并提出應(yīng)用改進(jìn)及優(yōu)化措施。試驗(yàn)結(jié)果表明切槽系統(tǒng)工作狀態(tài)和設(shè)備切削、噴灌功能滿足設(shè)計(jì)及施工試驗(yàn)要求，為預(yù)切槽同步切削噴灌一體化研究提供了數(shù)據(jù)支撐和研究方向。

預(yù)切槽法； 拱架式預(yù)切槽機(jī)； 黃土隧道； 設(shè)備構(gòu)成； 設(shè)備定位； 分區(qū)切灌； 施工作業(yè)組織

0 引言

隧道預(yù)切槽支護(hù)技術(shù)最早出現(xiàn)于美國[1]，20世紀(jì)70年代后在法國、意大利、日本得到長足發(fā)展。20世紀(jì)90年代，我國提出以土質(zhì)和軟巖隧道為對象的預(yù)切槽機(jī)及其施工工藝的研究方案，并取得了階段性成果[2],但由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)裝備制造能力和鐵路隧道施工理念的制約，相關(guān)的研究應(yīng)用工作遲滯不前。

目前現(xiàn)有的預(yù)切槽技術(shù)研究主要有： 預(yù)切槽法機(jī)械組成、控制地層變形的基本原理以及應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題[3]；預(yù)切槽機(jī)研制設(shè)計(jì)理論[4]；軸式預(yù)切槽機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能研究[5-8]；采用數(shù)值模擬方法分析隧道預(yù)切槽法施工可行性[9]；分析預(yù)襯砌的變形及受力特性[10]；通過對比分析預(yù)切槽法與常規(guī)全斷面法施工引起的地層變形程度等，論證預(yù)切槽法預(yù)支護(hù)的優(yōu)勢[11]；研究預(yù)切槽法在大斷面黃土隧道施工中合理的仰拱封閉距離[12]；研究解決預(yù)切槽法施工過程中槽內(nèi)混凝土難以噴灌的問題[13]等。

根據(jù)已有研究，國內(nèi)首臺隧道中心軸式預(yù)切槽機(jī)已完成了試制[5-6]，并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)[10]，但因故只開展了1環(huán)的研究，尚未有成熟的技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用成果。同時(shí)，目前針對預(yù)切槽技術(shù)的研究，多集中在理論方面，現(xiàn)場實(shí)際施工應(yīng)用研究還不夠深入，可以說預(yù)切槽施工機(jī)械現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)研究在國內(nèi)還處于剛剛起步階段[14-15]。

近期國內(nèi)成功研制出首臺拱架式預(yù)切槽機(jī),并在蒙華鐵路郝窯科隧道進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，探索出新式機(jī)械研發(fā)、施工參數(shù)、工藝流程等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。本文通過大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，主要論述拱架式預(yù)切槽施工機(jī)械性能、定位、分區(qū)切灌、行走、設(shè)備施工組織等整套施工應(yīng)用技術(shù)，對于加速推進(jìn)我國隧道預(yù)切槽支護(hù)技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)一步助力隧道施工全面機(jī)械化，具有重要的指導(dǎo)和研究意義。

1 工程概況

郝窯科隧道位于陜西省宜川縣境內(nèi)，屬于黃土高原殘塬區(qū)，隧道全長992 m，為單洞雙線隧道。隧道縱坡為單面坡，坡度為5‰，隧道最大埋深138 m。其中Ⅳ級圍巖段落長681 m，采用預(yù)切槽法施工。預(yù)切槽法隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 預(yù)切槽法隧道橫斷面圖(單位： mm)

隧道區(qū)地層主要為砂質(zhì)新黃土、砂質(zhì)老黃土和黏質(zhì)老黃土。其中： 砂質(zhì)新黃土呈褐黃色，稍濕，稍密—密實(shí)，以粉粒為主，土質(zhì)均勻；砂質(zhì)老黃土呈黃褐色，稍濕，中密—密實(shí)，土質(zhì)均勻，呈大塊壓密結(jié)構(gòu)；黏質(zhì)老黃土呈紅褐色，硬塑，土質(zhì)均勻，呈大塊壓密結(jié)構(gòu)，見白色菌絲及姜石。隧道區(qū)范圍內(nèi)未見地表水，地下水主要為第四系孔隙裂隙水和基巖裂隙水，勘探深度內(nèi)未揭示穩(wěn)定的水面。

2 預(yù)切槽施工技術(shù)簡介

隧道預(yù)切槽技術(shù)即利用拱架式預(yù)切槽機(jī)上安裝的特制鏈?zhǔn)綑C(jī)械切刀，沿隧道斷面開挖輪廓周邊連續(xù)切割出一條具有一定厚度和深度的窄槽(一般厚度為10～45 cm、深2～5 m)，同時(shí)分區(qū)段利用混凝土噴射裝置向槽內(nèi)噴灌混凝土，從而在隧道開挖面外廓形成一個(gè)起預(yù)先支護(hù)作用的連續(xù)混凝土殼體。當(dāng)混凝土拱殼達(dá)到一定強(qiáng)度后，即可在該殼體的保護(hù)下進(jìn)行全斷面開挖，渣土裝運(yùn)，初期支護(hù)鋼架、噴混凝土支護(hù)及后續(xù)仰拱初期支護(hù)施工，防水襯砌等施工作業(yè)，隧道施工設(shè)備可穿行于預(yù)切槽機(jī)。

2.1 預(yù)切槽法施工工藝流程

預(yù)切槽法施工工藝流程為：平整場地(預(yù)切槽機(jī)行走工作面)—預(yù)切槽機(jī)定位復(fù)核—分區(qū)切削成槽—分區(qū)噴灌混凝土—預(yù)切槽預(yù)襯混凝土完成—預(yù)切槽機(jī)后移—土方清運(yùn)—場地平整—作業(yè)臺架駛?cè)搿跗谥ёo(hù)拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝—初期支護(hù)噴混凝土—掌子面全斷面土方開挖及外運(yùn)—平整場地(預(yù)切槽機(jī)行走工作面)、繼續(xù)第2循環(huán)預(yù)襯混凝土施工—施工數(shù)循環(huán)—開挖仰拱、施工仰拱初期支護(hù)—仰拱初期支護(hù)施工一定長度后按常規(guī)方法施工仰拱襯砌、拱墻襯砌。

2.2 預(yù)切槽法主要施工設(shè)備配置

1)預(yù)切槽法施工專用設(shè)備配置： 拱架式預(yù)切槽機(jī)1臺，混凝土輸送泵1臺，專用變壓器1臺。

2)預(yù)切槽法施工常規(guī)設(shè)備配置： 車載式多功能作業(yè)臺架1臺，濕噴機(jī)械手1臺，挖掘機(jī)1臺，自卸汽車3臺，裝載機(jī)1臺等。

3 預(yù)切槽設(shè)備構(gòu)成

3.1 預(yù)切槽設(shè)備主體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1)拱架式預(yù)切槽設(shè)備構(gòu)成如圖2所示，由主機(jī)、后配套和泵送系統(tǒng)組成。主機(jī)包括行走機(jī)構(gòu)1、拱架總成2、環(huán)向驅(qū)動(dòng)裝置3、鏈刀驅(qū)動(dòng)總成4、混凝土噴射總成5、后配套總成6、電氣控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)等。后配套包括專用供電變壓器、主線電纜和全站儀等。泵送系統(tǒng)包括凝土泵和連接管件等。

1—行走機(jī)構(gòu)； 2—拱架總成； 3—環(huán)向驅(qū)動(dòng)裝置； 4—鏈刀驅(qū)動(dòng)總成； 5—混凝土噴射總成； 6—后配套總成。

圖2預(yù)切槽機(jī)設(shè)備構(gòu)成示意圖

Fig. 2 Sketch of pre-cutting machine composition

2)拱架式預(yù)切槽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1(廠家提供)。

表1 拱架式預(yù)切槽機(jī)整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

3.2 預(yù)切槽機(jī)結(jié)構(gòu)組成

3.2.1 拱架總成

拱架總成主要包含拱架、油管架、滾筒、左行走架、托架組件、支撐機(jī)構(gòu)、右行走架、限位滑塊、托輪總成、撐靴機(jī)構(gòu)、防護(hù)網(wǎng)和管架等部件。拱架總成性能參數(shù)見表2。

表2 拱架總成性能參數(shù)

3.2.2 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)主要由行走梁、行走架、前轉(zhuǎn)向座、后轉(zhuǎn)向座、齒條和行走驅(qū)動(dòng)組成。行走梁性能參數(shù)見表3。

表3 行走梁性能參數(shù)

3.2.3 鏈刀驅(qū)動(dòng)總成

鏈刀驅(qū)動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)座、低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)、軸及軸端密封等零部件組成。驅(qū)動(dòng)座整體為箱型結(jié)構(gòu)，通過銷軸與鏈刀變幅裝置相連，鏈刀總成通過螺栓與驅(qū)動(dòng)座相連，下部安裝有低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)鏈條進(jìn)行回轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)座兩側(cè)鉸耳與鏈刀偏擺油缸相連，使鏈刀可以實(shí)現(xiàn)左右偏擺。鏈刀驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 鏈刀驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.4 噴射裝置

噴射裝置包括傳動(dòng)導(dǎo)向裝置、噴嘴、鉸接裝置、支撐座、伸縮機(jī)構(gòu)、液壓油缸、旋轉(zhuǎn)編碼器、自潤滑銅件及尼龍件、聚氨酯噴嘴和連接件等。

3.2.5 環(huán)向驅(qū)動(dòng)裝置

環(huán)向驅(qū)動(dòng)裝置受交變應(yīng)力且受力較大，設(shè)計(jì)制造時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，液壓馬達(dá)連接分動(dòng)箱，再通過軸連接減速機(jī)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，同軸性好。

3.2.6 后配套總成

后配套為設(shè)備的獨(dú)立部件，通過液壓和電氣管路與主機(jī)相連，主要為拱架式預(yù)切槽作業(yè)提供動(dòng)力源和操縱控制室。采用自行走底盤，駕駛室可在一定范圍內(nèi)升降和回轉(zhuǎn)，方便操作手觀察和調(diào)整。后配套整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由行走底盤、機(jī)架、液壓油箱、旋轉(zhuǎn)支撐總成、駕駛室總成、電器柜總成、電纜卷筒、電機(jī)泵組和機(jī)罩等部件組成。后配套結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表5。

表5 后配套結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

4 預(yù)切槽機(jī)施工及應(yīng)用

4.1 設(shè)備定位

預(yù)切槽設(shè)備定位采用四點(diǎn)定位的導(dǎo)向測量系統(tǒng)，即在設(shè)備4個(gè)支腿端部分別裝置測量點(diǎn)，利用平行四邊形原理，在設(shè)備定位時(shí)于行走梁之間架設(shè)全站儀，通過后方交匯的形式對全站儀進(jìn)行設(shè)站。預(yù)切槽設(shè)備行走、定位步驟如下：

1)在行走梁之間架設(shè)全站儀，全站儀進(jìn)行后方交匯設(shè)站，如圖3所示；

2)支腿著地穩(wěn)定后，人工依次對4個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)測量，并在駕駛控制室內(nèi)的導(dǎo)向測量系統(tǒng)界面上進(jìn)行確認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)測量4個(gè)點(diǎn)位，確保設(shè)備處于水平狀態(tài)；

3)對設(shè)備進(jìn)行整機(jī)的轉(zhuǎn)向、平移，保證設(shè)備軸線與設(shè)計(jì)值偏差在允許范圍內(nèi)；

4)設(shè)備姿態(tài)調(diào)整到位后，利用電氣控制系統(tǒng)使鏈刀就位，電氣控制系統(tǒng)對設(shè)備就位的初始狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)記錄歸零，全站儀進(jìn)行復(fù)核無誤后撤走全站儀；

5)在設(shè)備工作過程中，導(dǎo)向系統(tǒng)間隔一定時(shí)間(可手動(dòng)設(shè)置時(shí)間間隔)依次自動(dòng)測量4個(gè)點(diǎn)位來計(jì)算設(shè)備的姿態(tài)變化情況，并保存和顯示數(shù)據(jù)，操作人員可以通過界面上設(shè)備數(shù)據(jù)的變化對設(shè)備姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，以保證設(shè)備姿態(tài)正確。

4.2 分區(qū)切灌

4.2.1 預(yù)切槽切灌施工順序

預(yù)切槽機(jī)切灌施工順序如圖4所示： 切削1部—切削2部—噴灌1部—切削3部—噴灌2部—切削4部—噴灌3部—切削5部—噴灌4部—切削6部—噴灌5部—切削7部—噴灌6部—噴灌7部完成。

圖4 環(huán)向切削噴灌施工順序

1)切削時(shí)，首先將鏈刀推進(jìn)至切槽深度，然后自上往下移動(dòng)，同時(shí)鏈刀鋸齒轉(zhuǎn)動(dòng)，切削土體并形成槽腔。在切槽的同時(shí)，駕駛室采用數(shù)字化自動(dòng)控制切槽角度、鏈刀轉(zhuǎn)速和下移速度等。切削方向如圖4所示， 1—6部切削時(shí)自上往下切削，第7部自右往左或自左往右切削。

2)噴灌時(shí)方向與切削方向正好相反， 1—6部噴灌時(shí)自下往上噴灌，第7部左右往復(fù)噴灌。

3)接縫處拉毛及清理。每段切削時(shí)對已成型段回切10 cm左右，使切削面形成V形接榫，利用刀齒在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果；同時(shí)鏈刀上鋼絲刷將虛渣清除至槽外，噴灌前采用高壓風(fēng)管清理搭接面，保證搭接質(zhì)量。

4.2.2 切槽施工參數(shù)

1)在施工應(yīng)用初期，施工工藝參數(shù)為切槽深度3.5 m、切槽厚度0.3 m、切槽外插角8°、搭接長度0.5 m、一次開挖長度3.0 m；為適應(yīng)地質(zhì)變化、保證施工安全，后期更改為切槽深度3.5 m、搭接1 m、一次開挖長度2.5 m，其他參數(shù)不變。環(huán)向切削長度分段如圖5所示。

圖5 環(huán)向切削長度分段(單位： mm)

2)預(yù)切槽機(jī)電控系統(tǒng)儲存數(shù)據(jù)顯示： 切槽時(shí)切槽深度為3.5 m，切槽厚度為300 mm，切削仰角為8°，電壓為380 V，液壓系統(tǒng)壓力為30 MPa，電機(jī)主電流最大設(shè)計(jì)定值為225 A。

對設(shè)備機(jī)械性能參數(shù)進(jìn)行分析。

①環(huán)向驅(qū)動(dòng)環(huán)向切削時(shí)，整機(jī)切削轉(zhuǎn)矩較小(為80 kN·m)，整個(gè)施工過程中轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的13%，切削速度可控制在1檔即最高速80 cm/min，滿足切削要求，并且具備足夠的環(huán)向脫困能力。

②俯仰油缸在切削過程中從拱側(cè)到拱頂呈幾何上升，拱頂退刀壓力最大(接近設(shè)計(jì)壓力25 MPa)。據(jù)此分析： a)鏈刀處于拱頂時(shí)所有鏈刀彎矩由俯仰油缸承受。b)根據(jù)受力情況，復(fù)合退刀徑向油缸和行走馬達(dá)匹配存在微小差別(影響因素主要是2種驅(qū)動(dòng)方式、液壓控制管路壓降及反應(yīng)時(shí)間不一樣)，導(dǎo)致鏈刀側(cè)面與土體之間產(chǎn)生摩擦，從而退刀壓力增大。c)進(jìn)刀過程中，鏈刀受載產(chǎn)生變形，在切出土體后鏈刀釋放變形應(yīng)力造成與兩側(cè)土體摩擦。從俯仰角度分析，鏈刀在進(jìn)退刀及環(huán)向切削過程中未發(fā)生俯仰角度變化，說明整個(gè)成槽變化不大，鏈刀變形遠(yuǎn)低于其額定變形(1/1 500)。

③鏈刀切削力為設(shè)計(jì)壓力的30%，切削較為輕松?，F(xiàn)場鏈刀磨損較少，符合設(shè)計(jì)要求。

④主電機(jī)電流使用率在60%左右，處于電機(jī)優(yōu)選范圍內(nèi)，滿足施工要求。

⑤行走馬達(dá)壓力為設(shè)計(jì)壓力的10%，進(jìn)退刀及脫困能力足夠。

3)現(xiàn)場切削試驗(yàn)如圖6所示。

(a) 第4部切削

(b) 第6部切削完成

綜上所述，該拱架式預(yù)切槽機(jī)切槽參數(shù)調(diào)整靈活，符合設(shè)計(jì)要求，也可滿足整個(gè)施工過程和試驗(yàn)要求。

4.2.3 噴灌施工參數(shù)

1)噴灌參數(shù)為： 早強(qiáng)早凝混凝土強(qiáng)度等級為C30，噴灌混凝土泵送壓力為10～12 MPa，空氣壓力為0.8 MPa，速凝劑壓力為1 MPa。

2)噴灌要求： ①開噴前先將接茬處存在的虛渣吹出槽外，噴嘴與槽口保持垂直伸進(jìn)空腔，保持噴嘴與受噴面之間的距離為0.6～1.0 m。②噴嘴應(yīng)保持勻速移動(dòng)，在槽內(nèi)按照正弦曲線的形式自內(nèi)向外分層噴灌作業(yè)，使混凝土自內(nèi)向外“擠”出，拱頂部全槽長左右往復(fù)噴射成層，如圖7所示。其余段由于相對高差較大，適當(dāng)縮短混凝土初凝時(shí)間并在槽內(nèi)坡面噴射堆積，以防止噴層掉落。

(a) 第7部

(b) 第1—6部

3)現(xiàn)場噴灌試驗(yàn)如圖8所示。

4)沉降收斂變形控制效果較好。正洞試驗(yàn)期間，拱頂沉降最大累計(jì)變形量為15.6 mm，拱頂沉降最大變形速率為3.5 mm/d；周邊收斂最大累計(jì)變形量為27.5 mm，周邊收斂最大變形速率為4.78 mm/d；地表沉降最大累計(jì)變形量為14.3 mm，地表沉降最大變形速率為1.7 mm/d。

開挖檢查預(yù)襯砌混凝土輪廓尺寸，弧度圓順，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范[16]要求。

4.3 設(shè)備行走

預(yù)切槽機(jī)行走時(shí)，端部油缸縮回，行走架著地，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)行走梁同步向前(后)移動(dòng)；到達(dá)行程極限位置時(shí)，端部油缸伸出，行走架離地，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)行走架自身在行走梁上同步前(后)移動(dòng)。2個(gè)動(dòng)作交替進(jìn)行使得設(shè)備幀式向前(后)行走。

4.4 設(shè)備施工作業(yè)組織

4.4.1 預(yù)切槽機(jī)作業(yè)組織流程

1)挖掘機(jī)在開挖掌子面及平整場地后駛出，停放至指定位置。

(a) 第1部噴灌

(b) 第2部噴灌完成

2)多功能作業(yè)臺架駛進(jìn)掌子面，進(jìn)行掌子面加固，后方同步檢查預(yù)切槽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

3)預(yù)切槽機(jī)行走至掌子面，控制室、混凝土輸送泵緊后就位。

4)預(yù)切槽機(jī)定位，將鏈刀移動(dòng)至切槽位置，調(diào)整角度，利用全站儀檢查復(fù)核，準(zhǔn)備切槽。

5)根據(jù)劃分區(qū)段，分區(qū)切槽。

6)第1區(qū)段切槽完成后，移至第2區(qū)段繼續(xù)切槽，噴灌第1區(qū)段。第1區(qū)段噴灌與第2區(qū)段切槽同步作業(yè)，互不干擾。

7)切削、噴灌作業(yè)完成后，整機(jī)后移，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)。

8)預(yù)襯混凝土等強(qiáng)過程，對掌子面土方進(jìn)行清理，進(jìn)行上循環(huán)初期支護(hù)作業(yè)。

9)預(yù)襯混凝土等強(qiáng)完成，全斷面開挖掌子面，清運(yùn)土方，平整場地。

10)預(yù)切槽機(jī)駛?cè)?，繼續(xù)進(jìn)行第2循環(huán)作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)。

4.4.2 預(yù)切槽機(jī)作業(yè)平面布置

該拱架式預(yù)切槽機(jī)施工作業(yè)平面布置如圖9和圖10所示。

4.5 應(yīng)用改進(jìn)及優(yōu)化

1)因拱腳處第1部和第2部為反斜面，且本段為砂性黃土地質(zhì)、自穩(wěn)能力稍差，切削完成后發(fā)生槽壁坍塌，如圖11所示。

圖9 預(yù)切槽機(jī)施工作業(yè)平面布置(切灌作業(yè))(單位： cm)

圖10 預(yù)切槽機(jī)施工作業(yè)平面布置(初期支護(hù)作業(yè))(單位： cm)

圖11 拱腳槽壁坍塌

解決方案： ①將拱腳分段高度減小到3.0 m左右，以減小槽壁暴露的長度，及時(shí)噴灌。②采用擋板進(jìn)行臨時(shí)支擋，在易坍塌一側(cè)置入木質(zhì)擋板，利用鋼筋框架將板固定，阻擋槽壁坍塌或噴灌混凝土進(jìn)入內(nèi)側(cè)坍塌空腔，如圖12所示。③在其他類似工程應(yīng)用時(shí)，對斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將拱腳處設(shè)計(jì)成豎直墻形式，同時(shí)利于增大鏈刀下擺角度。

圖12 拱腳槽壁坍塌處理示意圖

2)因預(yù)支護(hù)為噴射素混凝土，整環(huán)預(yù)支護(hù)切灌分7塊完成，每塊混凝土接茬質(zhì)量較差，易造成接茬面強(qiáng)度不足。切槽腔混凝土施工采用混凝土噴灌工藝，在寬度僅為30 cm、深度超過3 m的狹小空間內(nèi)進(jìn)行混凝土噴灌尚無成熟經(jīng)驗(yàn)，混凝土噴射參數(shù)的選擇、槽內(nèi)灌噴的技巧等均還在摸索階段。對于盲噴而言，噴灌混凝土質(zhì)量控制難度較高。

解決方案： ①每段切削時(shí)對已成型段回切10 cm左右，使切削面形成V形接榫，再利用刀齒在接茬面上拉出刀痕，起到拉毛的效果。②在鏈刀上每隔2 m安裝鋼絲刷(見圖13)，清理分段接茬面上的渣土，提高混凝土接茬連接質(zhì)量。③噴灌設(shè)備改進(jìn)。a)對噴頭進(jìn)行改進(jìn)，使噴頭具備一定的擺噴角度； b)為了加強(qiáng)噴灌過程監(jiān)控，在噴射臂上安裝無線可視裝置(見圖14)，可以觀察槽壁穩(wěn)定狀態(tài)以及噴灌過程，如發(fā)現(xiàn)問題，可及時(shí)處理。

圖13 切削鏈刀安裝鋼絲刷

圖14 噴灌設(shè)備安裝可視化裝置

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)通過黃土隧道預(yù)切槽施工現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了預(yù)切槽施工的關(guān)鍵技術(shù)，包括設(shè)備定位、分區(qū)切灌、設(shè)備行走、施工作業(yè)組織等，取得了切槽深度、分段數(shù)量、搭接長度、外插角、噴灌混凝土等關(guān)鍵施工參數(shù)。

2)對設(shè)備的定位導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將拱圈定位優(yōu)化為行走梁四點(diǎn)定位，經(jīng)多次復(fù)核，設(shè)備自動(dòng)測量系統(tǒng)與人工測量數(shù)據(jù)差值小于10 mm，定位精度滿足施工要求。

3)在郝窯科老黃土隧道經(jīng)過施工試驗(yàn)，預(yù)切槽設(shè)備切槽系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，預(yù)切槽設(shè)備分區(qū)切灌功能滿足設(shè)計(jì)及試驗(yàn)要求。

4)通過在混凝土配合比中添加早強(qiáng)早凝材料，在試驗(yàn)室環(huán)境下噴灌混凝土10 h強(qiáng)度可達(dá)到10 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)要求；但在現(xiàn)場施工中，早高強(qiáng)混凝土到達(dá)現(xiàn)場后坍落度損失較為嚴(yán)重，無法滿足正常噴灌要求。從正洞第2環(huán)開始采用普通C30混凝土進(jìn)行噴灌作業(yè)，經(jīng)過測試，噴灌完成后至少19 h后強(qiáng)度達(dá)到10 MPa，預(yù)襯砌混凝土等強(qiáng)時(shí)間增加。

5)試驗(yàn)段掌子面黃土自穩(wěn)能力差，切槽過程中槽壁易坍塌，特別是每環(huán)兩側(cè)拱腳部位較易出現(xiàn)坍塌，噴混凝土后侵入凈空造成欠挖，后續(xù)施工處理欠挖較為困難。目前的預(yù)切槽施工工法不適應(yīng)于圍巖自穩(wěn)能力差的地層。

6)預(yù)襯混凝土因需分段切灌，兩段混凝土間接縫強(qiáng)度降低，會影響預(yù)襯混凝土整體承載能力。

5.2 建議

1)對切槽設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步對切灌同步作業(yè)進(jìn)行研究，提高設(shè)備的地層適應(yīng)性，同時(shí)提高施工效率。

2)研究纖維混凝土應(yīng)用的可行性，改進(jìn)切槽機(jī)噴灌設(shè)備功能，使之能適用纖維混凝土，提高預(yù)襯混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。

3)適當(dāng)加長切槽刀具，在提高循環(huán)進(jìn)尺的同時(shí)提高施工效率。

4)在切灌過程中，拱腳處槽壁易發(fā)生坍塌現(xiàn)象，拱腳切灌宜采用豎直槽段以提高槽壁穩(wěn)定性。

[1] 王霆, 劉維寧.預(yù)切槽技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2004(增刊): 221.

WANG Ting, LIU Weining. Pre-cutting technique [J]. Modern Tunnelling Technology, 2004(S): 221.

[2] 王慷慨, 張成滿, 翁伯康. 隧道預(yù)切槽試驗(yàn)機(jī)研究[J]. 工程機(jī)械, 1997(6): 7.

WANG Kangkai, ZHANG Chengman, WENG Bokang. Development of prototype of groove-precutting machine for tunnel [J]. Construction Machinery and Equipment, 1997(6): 7.

[3] 王秀英, 劉維寧, 趙伯明, 等. 預(yù)切槽及其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2011, 48(3): 22.

WANG Xiuying, LIU Weining, ZHAO Boming, et al. Pre-cutting method and its key techniques in application[J]. Modern Tunnelling Technology, 2011, 48(3): 22.

[4] 郝燁江, 賀美德, 趙坤, 等. 機(jī)械預(yù)切槽法施工機(jī)械結(jié)構(gòu)詳析與模型設(shè)計(jì)[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 34(1)： 86.

HAO Yejiang, HE Meide, ZHAO Kun, et al. Detailed analysis of structure and model design for construction machinery of mechanical pre-cutting method [J]. Journal of North University of China(Natural Science Edition), 2013, 34(1)： 86.

[5] 陳力. 中心軸式隧道預(yù)切槽機(jī)研制[J]. 工程技術(shù), 2015(22)： 34.

CHEN Li. Development of tunnel pre-cutting machine with central shaft [J]. Engineering Technology, 2015(22): 34.

[6] 陳力. 中心軸式預(yù)切槽機(jī)施工探討[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2014(10)： 57.

CHEN Li. Discussion on the construction of pre-grooving machine with central shaft [J]. Railway Construction Technology, 2014(10): 57.

[7] 鄒海炎. 預(yù)切槽鏈鋸式切刀關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2016(2): 97.

ZOU Haiyan. Key technology research on chain-saw cutter of pre-cutting groove machine [J]. Railway Construction Technology, 2016(2): 97.

[8] 牛志瑋. 預(yù)切槽拱架總成研究[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2016(2): 90.

NIU Zhiwei. Arch assembly of the pre-cutting groove machine [J]. Railway Construction Technology, 2016(2): 90.

[9] 韓高升, 李梅, 王秀英. 預(yù)切槽法在淺埋暗挖下穿公路段隧道中的設(shè)計(jì)[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2017, 34(4)： 58.

HAN Gaosheng, LI Mei, WANG Xiuying. Pre-cutting method design of the shallow-buried excavation underpass highway tunnel paragraph [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2017, 34(4)： 58.

[10] 孫兵, 王秀英, 譚忠盛. 中心軸式預(yù)切槽機(jī)械在大斷面黃土隧道中的應(yīng)用試驗(yàn)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2016, 60(5)： 74.

SUN Bing, WANG Xiuying, TAN Zhongsheng. Application test of center axis pre-cut machine in large-section loess tunnel [J]. Railway Standard Design, 2016, 60(5): 74.

[11] 王秀英, 張鍼, 呂和林, 等. 機(jī)械預(yù)切槽法開挖軟土隧道地層變形研究[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(1): 140.

WANG Xiuying, ZHANG Zhen, LYU Helin, et al. A study of ground deformation when excavating tunnel in soil by mechanical pre-cutting method [J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(1): 140.

[12] 靳寶成, 王秀英. 預(yù)切槽法黃土隧道仰拱合理封閉距離研究[J]. 鐵道建筑, 2016(4): 51.

JIN Baocheng, WANG Xiuying. Research on reasonable distance of invert closure in loess tunnel by pre-cutting method [J]. Railway Engineering, 2016(4): 51.

[13] 韓高升, 王秀英, 王北華. 機(jī)械預(yù)切槽法施工過程中槽內(nèi)混凝土相關(guān)問題研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2017, 54(1): 9.

HAN Gaosheng, WANG Xiuying, WANG Beihua. On some issues with concrete during tunnelling by the mechanical pre-cutting method [J]. Modern Tunnelling Technology, 2017, 54(1): 9.

[14] 謝達(dá)文, 劉維寧, 曹國斌. 預(yù)切槽技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用前景[C]// 2007中國交通高層論壇論文集. 北京：北京交通大學(xué)出版社, 2007: 248.

XIE Dawen, LIU Weining, CAO Guobin. Application prospect of pre-cutting technique in tunnel construction [C]//Proceedings of the Advanced Forum on Transportation of China in 2007. Beijing: Beijing Jiaotong University Press, 2007: 248.

[15] 宋愛志. 機(jī)械預(yù)切槽隧道施工法及其最新發(fā)展[J]. 西部探礦工程, 1994, 6(1): 53.

SONG Aizhi. Mechanical pre-cutting method in tunnel construction and its latest development [J]. West-China Exploration Engineering, 1994, 6(1): 53.

[16] 鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn): TB 10417—2003[S]. 北京： 中國鐵道出版社, 2004.

Standard for construction quality acceptance of railway tunnel engineering: TB 10417—2003[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2004.

ApplicationofArch-typePre-cuttingMachinetoConstructionofLoessTunnel

TANG Qiang, QIN Ling, CHEN Jun, YANG Jianxiong, ZHANG Zhen, WANG Bingbing

(TheFifthConstructionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Tianjin300300,China)

The pre-cutting technology for tunnel construction is widely used in foreign countries, but it is seldom used in China. The first arch-type pre-cutting machine is developed for loess geology, and the construction test is carried out in the loess tunnel. The key construction technologies, i.e. equipment positioning, partition cutting and jet grouting, equipment walking and construction organization, are presented by construction test; and the improvement and optimization measures are put forward. The test results show that the working state of the cutting system and the cutting and jet grouting function of the equipment can meet the design and construction test requirements; and the data support and research direction can be provided for the integrated research of synchronous cutting and jet grouting of the pre-cutting technology.

pre-cutting method; arch-type pre-cutting machine; loess tunnel; equipment composition; equipment positioning; partition cutting and jet grouting; construction organization

2017-07-14;

2017-10-08

唐強(qiáng)(1983—)，男，四川巴中人，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸專業(yè)，?？?，工程師，現(xiàn)從事工程施工技術(shù)管理工作。E-mail: 415205144@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.016

U 455

B

2096-4498(2017)12-1613-09