何世榮 雒建奎 駱維斌

（1甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅省隧道工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代公路山嶺隧道施工多采取機(jī)械集群隧道掘進(jìn)筑建施工技術(shù)。應(yīng)用大型高效的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械，采取工序科學(xué)儉省、人機(jī)配置合理、作業(yè)環(huán)境寬敞、通風(fēng)條件好、工人勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)環(huán)境大幅改善的施工組織和技術(shù)模式，對(duì)保證施工質(zhì)量和施工安全，盡可能降低工程成本，有重要意義。本研究基于工程案例對(duì)上臺(tái)階無(wú)預(yù)留核心土鉆爆法機(jī)械集群隧道施工技術(shù)開展梳理探究。

1 案例概況

案例系高速公路G316線長(zhǎng)樂至同仁公路和省級(jí)高速S10 線的重要組成路段，區(qū)段全長(zhǎng)4.465km，合同工期42個(gè)月，合同總價(jià)63575.97萬(wàn)元。主要工程量為兩當(dāng)特長(zhǎng)隧道的左線，全長(zhǎng)2050m，其中路基工程挖方34606m3，填方7621m3，砼擋墻13109m3，錨桿框格梁護(hù)面966m3，1-13m預(yù)應(yīng)力小橋一座；清單總價(jià)33314.51萬(wàn)元。

隧道洞身部分的圍巖深度在45～273m，洞身穿過(guò)新近系的松疏礫砂巖、三疊系的炭質(zhì)板巖、千枚巖及板巖夾灰?guī)r，二者呈現(xiàn)非整合型觸接。新近系礫砂巖呈紅褐色，狀態(tài)緩平，多夾雜土質(zhì)礫砂巖，巖體屬極軟巖～軟巖，泥土質(zhì)膠結(jié)較弱，狀態(tài)相對(duì)完整，遇水易崩解。存在板巖下伏，巖層屬三疊系，褶皺發(fā)育，層厚變化大，巖體較破碎，節(jié)理裂紋發(fā)育，圍巖等級(jí)屬V級(jí)。開挖后圍巖局部位置夾塊狀板巖、千枚巖、碳質(zhì)泥巖，層理明顯，洞身穿越底層多為碳質(zhì)泥巖，呈不整合接觸面，薄層～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合疏松、表面光滑，巖質(zhì)偏軟且脆，泥質(zhì)弱膠結(jié)，遇水易軟化；抗風(fēng)化能力差，抗壓強(qiáng)度低，成洞性能和圍巖穩(wěn)定性較差，開挖后拱腰至拱頂滑層明顯，片幫掉塊嚴(yán)重。案例隧道施工段V級(jí)圍巖4557m，占54.3%，IV級(jí)圍巖3880m，占45.7%。

采取無(wú)預(yù)留上臺(tái)階核心土鉆爆方式施工。案例隧道的襯砌支護(hù)參數(shù)見表1所示。

表1 案例隧道襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 鉆爆法機(jī)械集群隧道施工技術(shù)述要

2.1 施工組織模式

鉆爆法機(jī)械集群隧道施工組織模式系列見圖1所示。

圖1 機(jī)械集群隧道施工組織模式系列圖

案例施工應(yīng)用的大型機(jī)械配套設(shè)備以鑿巖雙臂臺(tái)車、多功能作業(yè)臺(tái)架、濕噴臺(tái)車、挖裝機(jī)、裝載機(jī)等為主，系統(tǒng)形成超前支護(hù)、噴錨支護(hù)、鉆爆、裝運(yùn)等有機(jī)配合機(jī)械作業(yè)線，科學(xué)搭配管理，加強(qiáng)設(shè)備管、養(yǎng)、修、用制度，以實(shí)現(xiàn)快速、安全、有質(zhì)量的施工操作目的。成立隧道機(jī)械化施工處，建立健全組織機(jī)構(gòu)，下設(shè)隧道施工班組，由項(xiàng)目部統(tǒng)一管理。

2.2 主要機(jī)械設(shè)備配置

意大利卡薩格蘭地C6多功能鉆機(jī)，瑞典阿特拉斯-科普柯L2D雙臂液壓鑿巖臺(tái)車，芬蘭挪曼爾特（NORMET）電-液控濕噴臺(tái)車，集團(tuán)及公司自主研發(fā)隧道多功能拱架安裝施工臺(tái)架及自行式移動(dòng)液壓二襯模板臺(tái)車，電焊機(jī)、潮噴機(jī)等常規(guī)隧道施工小型設(shè)備機(jī)具。

2.3 工程管理及操作人員配置

根據(jù)機(jī)械配置及各作業(yè)面施工情況，人員配置以滿足施工需求為宜，施工中進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)性和可持續(xù)性人員培養(yǎng)。具體配置如下：1）班組總負(fù)責(zé)及項(xiàng)目副經(jīng)理1名，負(fù)責(zé)班組施工總體規(guī)劃、統(tǒng)籌、安排和協(xié)調(diào)。2）機(jī)械設(shè)備負(fù)責(zé)人1名，負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備的施工管理、維修、協(xié)調(diào)與調(diào)度。3）現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人1名，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的施工管理工作。4）現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員2名，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)具體的施工管理工作。5）設(shè)備維修人員1名，負(fù)責(zé)鑿巖臺(tái)車、濕噴臺(tái)車及小型機(jī)具設(shè)備的日常維修、保養(yǎng)，兼鉆爆開挖技術(shù)指導(dǎo)。6）鑿巖雙臂臺(tái)車配備班長(zhǎng)1名，操作人員3名，鉆爆工人4名。負(fù)責(zé)隧道上臺(tái)階鉆爆開挖與系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管及鎖腳錨管的鉆眼及施工作業(yè)內(nèi)容。施工過(guò)程中班長(zhǎng)及臺(tái)車操作人員配合鉆爆工人清孔、裝藥，協(xié)助掌握鉆爆開挖基本技能。7）濕噴臺(tái)車配備噴錨操作手2名，熟練濕噴操作手1名，負(fù)責(zé)上臺(tái)階初襯噴射砼施工作業(yè)及濕噴臺(tái)車日常維修保養(yǎng)工作，配備工人2名，負(fù)責(zé)砼卸料、清理拱架砼及日常雜活。其中1名為熟練潮噴操作手，具備潮噴找平操作水平，必要時(shí)進(jìn)行潮噴找平工作。8）上臺(tái)階支護(hù)班配備多功能施工臺(tái)架操作手1名，負(fù)責(zé)臺(tái)架具體操作與臺(tái)架日常維修保養(yǎng)工作，工人6名，負(fù)責(zé)上臺(tái)階拱架、縱向鋼筋、鋼筋網(wǎng)片安裝與焊接。9）下臺(tái)階開挖班配備鉆爆開挖工人4名，負(fù)責(zé)下臺(tái)階及仰拱鉆爆開挖，下臺(tái)階鎖腳錨管施工。10）下臺(tái)階支護(hù)班配備噴錨操作手2名，工人2名，負(fù)責(zé)拱架、縱向連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片安裝與焊接，潮噴砼施工作業(yè)。

3 機(jī)械化集群施工功效分析

3.1 鑿巖臺(tái)車施工與傳統(tǒng)氣腿式鑿巖機(jī)施工

1）鉆孔效率高。鑿巖雙臂臺(tái)車配備有22kW鉆進(jìn)鑿巖機(jī)，鉆孔深度2.5m，可達(dá)到2.5m/min進(jìn)鉆速率。臺(tái)車亦配有多功能框架式可升降作業(yè)臂，方便進(jìn)行“找項(xiàng)”、測(cè)量及放置炸藥等操作。臺(tái)車的支護(hù)錨桿操作方便快捷。鑿巖雙臂臺(tái)車只需2h左右即可完成一個(gè)鉆爆循環(huán)，相比傳統(tǒng)氣腿式鑿巖機(jī)施工節(jié)約近1.5h。上臺(tái)階鉆爆、系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管鉆眼施工每循環(huán)作業(yè)（2X0.8m）鑿巖臺(tái)車耗時(shí)3-4小時(shí)，傳統(tǒng)人工施工耗時(shí)4.5-5.5小時(shí)，鑿巖臺(tái)車比傳統(tǒng)人工施工節(jié)約1.5小時(shí)，隧道開挖施工進(jìn)度大大提高，進(jìn)度優(yōu)勢(shì)較為明顯。

2）作業(yè)環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全系數(shù)高。傳統(tǒng)風(fēng)鉆為手持工作，屬高強(qiáng)度勞動(dòng)，鑿巖臺(tái)車運(yùn)用按鈕操作，工作強(qiáng)度小。鑿巖雙臂臺(tái)車以電能為動(dòng)力，相對(duì)傳統(tǒng)開挖作業(yè)，大幅降低作業(yè)面環(huán)境空間的空氣污染。電能動(dòng)力、液壓傳動(dòng)對(duì)周邊幾乎無(wú)污染，且鉆孔中自帶的高壓水沖洗功能使其不產(chǎn)生粉塵污染。作業(yè)噪聲控制在90分貝內(nèi)，極大控制了作業(yè)面噪聲污染。只需4名操作手就可控制駕駛鑿巖雙臂臺(tái)車開展作業(yè)，操作臺(tái)與掌子面間的距離達(dá)10米以上，且操作臺(tái)配置安全防護(hù)頂棚，方便操作手對(duì)圍巖作業(yè)面的觀察，一旦發(fā)生險(xiǎn)情便于操作手快速撤離。采用鑿巖臺(tái)車鉆爆開挖、超前小導(dǎo)管及系統(tǒng)錨桿鉆孔施工，減少洞內(nèi)作業(yè)人員，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，鑿巖臺(tái)車最大臂展長(zhǎng)度可達(dá)7.1m，避免和減少操作人員長(zhǎng)期親臨掌子面、臨空面時(shí)間，減少傳統(tǒng)人工鉆孔掌子面圍巖掉塊造成的人員傷害機(jī)率，施工相對(duì)安全。

3.2 電-液控濕噴臺(tái)車用于隧道噴射砼施工

1）節(jié)省人工。傳統(tǒng)潮噴施工配備工人4～5名，濕噴配備操作員及工人3～4名。

2）施工進(jìn)度。挪曼爾特電-液控濕噴臺(tái)車用于隧道噴射砼施工時(shí)，回彈量較傳統(tǒng)潮噴減少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，濕噴工藝超挖+回彈量為55%～60%，傳統(tǒng)潮噴工藝超挖+回彈量為60%～70%；速凝劑摻量根據(jù)噴射部位可靈活調(diào)整，計(jì)量準(zhǔn)確，效率高，濕噴臺(tái)車正常每小時(shí)可完成15～20m3砼噴射作業(yè)，與傳統(tǒng)潮噴相比，縮短循環(huán)耗時(shí)。上臺(tái)階初期支護(hù)噴射砼施工每循環(huán)作業(yè)（2X0.8m）濕噴臺(tái)車耗時(shí)2-2.5小時(shí)，傳統(tǒng)人工施工耗時(shí)2.5-3小時(shí)，濕噴臺(tái)車比傳統(tǒng)人工施工節(jié)約0.5小時(shí)。

3）施工質(zhì)量。潮噴是按設(shè)計(jì)比例將速凝劑、水泥和骨料干拌均勻，借助壓送設(shè)備在軟管內(nèi)使干集料以懸浮狀態(tài)被壓送至噴頭，跟高壓水相混合，再高速噴射至目標(biāo)巖面。潮噴處理方式下控制水灰比相對(duì)困難，水泥的水化反應(yīng)狀態(tài)亦不夠充分，所得混凝土強(qiáng)度難以達(dá)到工程要求。濕噴是按設(shè)計(jì)比例把水泥、水和骨料拌和均勻，借助濕式噴射設(shè)備高壓輸送至可加添速凝劑的噴頭噴出，水泥可充分獲得水化反應(yīng)，所得混凝土強(qiáng)度相對(duì)較高。成型砼密實(shí)，初襯拱部較大超挖部分均能噴實(shí)，降低和避免了初襯背后空腔形成機(jī)率。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，濕噴砼強(qiáng)度高于潮噴1～2MPa，隨機(jī)抽取的20組噴射砼28d抗壓強(qiáng)度濕噴砼為27.1MPa，潮噴砼25.8MPa。濕噴臺(tái)車每小時(shí)可噴射砼15-20m3，潮噴機(jī)每小時(shí)噴射砼5m3，濕噴臺(tái)車的噴射壓力最小需8MPa，而潮噴機(jī)只需5MPa，通過(guò)實(shí)體鉆芯取樣，濕噴芯樣較潮噴密實(shí)。

4）施工安全。采用濕噴工藝施工，濕噴操作人員距掌子面5～20米操作范圍進(jìn)行濕噴，操作人員位于成型初襯區(qū)域內(nèi)，將濕噴臺(tái)車前臂伸展至作業(yè)范圍，圍巖狀況不理想時(shí)可降低人員意外傷害幾率。遇隧道突發(fā)事件時(shí)，機(jī)械施工搶險(xiǎn)優(yōu)勢(shì)明顯，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)。兩當(dāng)隧道進(jìn)口端左右線圍巖級(jí)別為V級(jí)，設(shè)計(jì)說(shuō)明地層為疏松砂礫巖夾泥質(zhì)砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，泥質(zhì)弱膠結(jié)，屬極軟巖，成洞性及自穩(wěn)性較差；施工過(guò)程隧道穿越地層為泥巖、砂巖與千枚巖、碳質(zhì)板巖變余結(jié)構(gòu)層，圍巖軟硬不均，滑面、滑層、斷層明顯，圍巖節(jié)理裂隙面均含碳質(zhì)成分，表面極其光滑，施工過(guò)程滑層掉塊時(shí)有發(fā)生，掌子面及拱頂多次出現(xiàn)小型塌方，濕噴臺(tái)車封閉掌子面圍巖及通過(guò)濕噴回填塌方空腔，鑿巖臺(tái)車施作超前小導(dǎo)管搶塌方及處理塌方段時(shí)，優(yōu)勢(shì)尤為明顯。搶塌方和塌方段處理過(guò)程，設(shè)備置于安全地帶完成作業(yè)，減少了人員長(zhǎng)期親臨危險(xiǎn)地帶，大大降低隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)。濕噴機(jī)工作時(shí)自帶空壓機(jī)，無(wú)需管道送風(fēng)，節(jié)省洞外空壓機(jī)工作臺(tái)數(shù)，節(jié)約用電。

3.3 意大利卡薩格蘭地C6多功能鉆機(jī)的使用

1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。鉆孔深度可達(dá)20m以上，鉆孔速度快，功效高，提取鉆孔芯樣簡(jiǎn)單方便。

2）深孔、大孔徑鉆進(jìn)速度快，成孔率高，鉆孔深度可達(dá)20～40m，28m深孔管棚鉆孔作業(yè)2～3小時(shí)可完成，施工進(jìn)度得到有效保障。

3）作業(yè)過(guò)程機(jī)動(dòng)靈活，角度及高低可調(diào)整，提高了鉆孔的工作效率，保證了管棚施工成孔率和角度，施工質(zhì)量大幅度提高。

3.4 自行式移動(dòng)液壓二襯模板臺(tái)車的應(yīng)用

自行式移動(dòng)液壓模板臺(tái)車是路橋集團(tuán)及公司自主研發(fā)的自有設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)有：采用全液壓控制，具備上、下、左、右調(diào)整功能，行走采用電控系統(tǒng)，臺(tái)車就位時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，可提高工作效率，加快施工進(jìn)度，且曲墻一次落地，保證了施工質(zhì)量。

3.5 多功能拱架安裝施工臺(tái)架的應(yīng)用

1）安全省力。臺(tái)架具備兩套垂直及一套水平運(yùn)輸系統(tǒng)，第一套垂直運(yùn)輸系統(tǒng)能將拱架垂直運(yùn)輸至臺(tái)架頂面，通過(guò)水平運(yùn)輸系統(tǒng)將拱架運(yùn)送至隧道掌子面擬安裝位置，人工將拱架分段喂入第二套垂直舉升系統(tǒng)后，人工配合將兩側(cè)拱架滑落至拱腳，將第三段拱架喂入垂直舉升系統(tǒng)，舉升至要求高程位置進(jìn)行拱架拼裝連接，最后人工調(diào)整拱架中線位置，整體舉升拱架后落入擬安裝位置。以上過(guò)程多功能臺(tái)架垂直、水平方向能任意調(diào)整，能將拱架前后拉緊與連接筋緊貼，做到安全、省力，但不節(jié)省人工，因與傳統(tǒng)施工臺(tái)架相比，上述過(guò)程安裝時(shí)間相差不大，且后續(xù)工序均由人工完成。

2）縮短拱架到場(chǎng)時(shí)間。根據(jù)施工工序，出渣完成后，挖機(jī)進(jìn)行掌子面最后整修，整修完成后通過(guò)裝載機(jī)將傳統(tǒng)施工臺(tái)架就位。而采用多功能臺(tái)架施工，出渣完成后，裝載機(jī)可轉(zhuǎn)入拱架運(yùn)輸，臺(tái)架自行就位，節(jié)約循環(huán)耗時(shí)20分鐘左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以案例工程應(yīng)用技術(shù)總結(jié)的方式，對(duì)上臺(tái)階無(wú)預(yù)留核心土鉆爆法機(jī)械集群公路山嶺隧道施工技術(shù)及其功效展開探究，該技術(shù)的施工組織模式、主要機(jī)械設(shè)備和人員配置可為同類工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。機(jī)械化集群隧道作業(yè)施工較好實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)水灰比，加快了挖筑施工進(jìn)度，保證了施工質(zhì)量與安全，作業(yè)環(huán)境污染降低，體現(xiàn)了以人為本、綠色環(huán)保工程原則，具有工程應(yīng)用意義。