王志杰 WANG Zhi-jie
(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,北京 100855)
目前我國基建行業(yè)正處于高速發(fā)展階段,尤其是國家高鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)行更是改變了人們的生活與觀念,由于我國是一個多山國家,在高鐵網(wǎng)絡(luò)線路建設(shè)中難免會穿越各種山嶺,因此山嶺隧道一直是鐵路項目中的重難點(diǎn)。我國當(dāng)前隧道施工技術(shù)還處于“以人為主,機(jī)械為輔”的局面,尤其在炮眼開鑿、裝藥、拱架安裝、混凝土噴射及二次襯砌施工等方面,還在采用人海戰(zhàn)術(shù),不但施工效率低下,而且安全風(fēng)險也很高,隧道施工中的新技術(shù)新設(shè)備應(yīng)用還處于空白階段。但隨著鐵路隧道斷面越來越大,隧道施工要求越來越高,傳統(tǒng)的隧道施工技術(shù)已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展需求。因此為了適應(yīng)隧道未來的發(fā)展趨勢,確保隧道施工質(zhì)量、安全及進(jìn)度,填補(bǔ)大斷面隧道施工機(jī)械化作業(yè)技術(shù)應(yīng)用的空白,施工單位在宜興鐵路采用機(jī)械化配套設(shè)備對隧道進(jìn)行施工,通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用得出隧道機(jī)械化作業(yè)不但減少了對圍巖的多次擾動,保證了圍巖的整體穩(wěn)定性,確保了施工安全、降低了施工風(fēng)險,同時采用也避免了傳統(tǒng)的多部開挖工序,能夠在超前支護(hù)施做的基礎(chǔ)上,可完成全斷面一次性開挖支護(hù),減少了工序循環(huán)時間,有利于施工進(jìn)度指標(biāo)提升,降低施工成本。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用,宜興鐵路項目大斷面隧道機(jī)械化施工作業(yè)所涉及的工藝技術(shù)在施工中取得很好的效果。
目前國內(nèi)隧道以礦山法應(yīng)用最為廣泛,該方法可以在任何地質(zhì)環(huán)境中使用,但該施工方法也存在以下缺點(diǎn):一是鉆爆法各施工工序要求銜接密切,后道工序需及時跟進(jìn),并且工序之間干擾影響較大;二是施工效率低,施工進(jìn)度慢;三是隧道內(nèi)施工安全風(fēng)險較大,在施工過程中極易發(fā)生塌方、突水突泥等狀況,嚴(yán)重影響施工人員的人身安全;四是隧道超欠挖情況較為嚴(yán)重。
隨著我國基建行業(yè)的迅速發(fā)展,隧道施工也迎來一場革命與挑戰(zhàn),必須及時轉(zhuǎn)變隧道工程管理理念:以“機(jī)械施工為主、人工施工為輔”,建立“組建一流的管理團(tuán)隊、配置一流的工裝設(shè)備、采用一流的工藝工法,創(chuàng)一流的施工產(chǎn)品”的指導(dǎo)思想,以隧道全工序機(jī)械化施工為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)大斷面隧道“快挖、快支、主動支、快封閉”。
宜興鐵路ZQ-2標(biāo)線路起止里程DK32+818.45~DK67+702.06,正線全長34.883km,主要工程10橋7隧1車站,橋隧比99.3%,其中隧道工程長度31.1km,主要以Ⅱ、Ⅲ級花崗巖為主,占比達(dá)93.8%。標(biāo)段合同總造價26.15億元,合同工期60個月。
該項目位于鄂西北山區(qū),工程線路選線高,大小臨建、施工便道引入、場站建設(shè)困難,線路緊鄰三峽水源保護(hù)區(qū),環(huán)保、水保要求極高。見圖1。
圖1 Ⅱ級圍巖隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
三臂鑿巖機(jī)管棚施工→三臂鑿巖機(jī)開挖鉆孔→三臂鑿巖機(jī)裝藥、爆破→出渣→三臂鑿巖機(jī)打設(shè)錨桿、鎖腳→拱架拼裝機(jī)安裝拱架→濕噴機(jī)械手噴射砼→自行式仰拱棧橋仰拱施工→自動化防水板鋪掛臺車鋪設(shè)防水板及鋼筋綁扎安裝→澆筑二襯砼。
隧道開挖采用ZYS113智能型三臂鑿巖臺車,該鑿巖臺車自帶測量系統(tǒng),操作人員僅需要預(yù)埋點(diǎn)于邊墻上,間距為每隔20m左右,測量人員對預(yù)埋點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核,導(dǎo)入三臂鑿巖臺車電腦內(nèi),三臂鑿巖臺車根據(jù)導(dǎo)入的坐標(biāo),通過將提前完成的鉆孔參數(shù)設(shè)計導(dǎo)入駕駛室內(nèi)車載主控電腦,全智能三臂鑿巖臺車將按照預(yù)設(shè)鉆孔參數(shù)自動工作,每個孔都由程序進(jìn)行定位、定向和定深度,鉆孔參數(shù)實(shí)時反饋控制,鉆孔外偏值由電腦程序設(shè)定,鉆孔后進(jìn)行自動驗證檢查,實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)量,位置、孔數(shù)、角度、深度等參數(shù)自動控制,最大限度地減少了超挖和欠挖的發(fā)生,確保開孔準(zhǔn)確。通過鑿巖鉆孔參數(shù)檢測傳感器進(jìn)行反饋狀態(tài),自動控制鑿巖機(jī)防卡鉆、防空打、開孔模式等,5m范圍的深孔鉆進(jìn)作業(yè)可在120s內(nèi)全部完成,開挖鉆孔速度較大提升。見圖2、圖3。
圖2 正洞Ⅱ級圍巖開挖爆破參數(shù)表
圖3 ZYS113智能型三臂鑿巖臺車
清孔及裝藥利用自帶的工作平臺及現(xiàn)場增加的工作平臺進(jìn)行,清孔采用空壓機(jī)噴射法,利用氣流吹出孔內(nèi)渣體。清孔時,孔內(nèi)渣體要完全清除,以確??讖胶涂咨顫M足施工要求。鉆進(jìn)完成的炮孔應(yīng)采用抹布或編織袋等進(jìn)行填塞,防止石子等雜物進(jìn)入孔內(nèi)。在裝藥過程中要注意以下幾點(diǎn):
①在炸藥填裝前,由專人對炮孔內(nèi)部進(jìn)行檢查,防止孔內(nèi)有雜物等。
②每個孔的裝藥量要嚴(yán)格控制,預(yù)先將炸藥進(jìn)行計量分份。
③裝藥作業(yè)應(yīng)符合下列要求:在裝藥前,技術(shù)人員需與班組長、爆破工等一起對炮眼進(jìn)行全面檢查,對有問題的炮眼需及時進(jìn)行處理,對不符合要求的炮眼嚴(yán)禁裝藥,嚴(yán)格注意裝藥作業(yè)面與鉆孔作業(yè)面之間的安全距離[1]。
④炮孔檢查無誤后,需按有關(guān)規(guī)定和設(shè)計要求進(jìn)行裝藥,裝藥過程中嚴(yán)格控制裝藥量、起爆順序等要求,裝藥完畢后采用木棍將藥卷推進(jìn)至孔底位置。
拱架安裝采用拱架拼裝機(jī)進(jìn)行施工,機(jī)械化配套施工是采用機(jī)械自帶的機(jī)械夾手對拱架進(jìn)行抓取和按照,在安裝過程中可利用其靈活性對拱架角度進(jìn)行調(diào)節(jié),位置固定后由工人對拱架之間進(jìn)行栓接或焊接,從而加快施工進(jìn)度。與人工作業(yè)相比投入人員少,勞動強(qiáng)度低,安全性能高。見圖4。
圖4 IV級圍巖IVK1型襯砌4Φ22格柵鋼架斷面圖
噴射砼采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行施工,濕噴機(jī)械手作業(yè)效率效率可達(dá)0.5m3/min,是傳統(tǒng)的人工噴射效率的500%,其優(yōu)勢主要有以下幾個方面:
①濕噴機(jī)械手噴射混凝土速度快。
②濕噴機(jī)械手壓力大,可提高噴射混凝土密實(shí)度,避免人工噴射空洞、強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的缺點(diǎn),且回彈小。
③操作人員采用遙控器對噴射機(jī)械手進(jìn)行遙控支護(hù),作業(yè)面距離人員較遠(yuǎn),確保人員安全。
仰拱利用自行式液壓仰拱棧橋進(jìn)行施工,自帶自動行走裝置,不需要裝載機(jī)等外部動力,安全性好,實(shí)用性強(qiáng);仰拱找棧橋配備仰拱曲模裝置,下掛式模板組裝方便,僅需一次組裝,無需重復(fù),大大降低了工人勞動強(qiáng)度,且定位準(zhǔn)確,仰拱施工質(zhì)量提高,提高了仰拱澆筑工效。
利用自動化防水板鋪掛臺車進(jìn)行施工,避免人工定位及定位不準(zhǔn)確的現(xiàn)象發(fā)生,避免掛設(shè)的防水板松緊不一而導(dǎo)致空洞現(xiàn)象的發(fā)生,該防水板臺車采用步履式行走,通過L型懸臂,將防水板套在轉(zhuǎn)軸上,通過懸臂的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鋪掛,垂直方向通過液壓油缸調(diào)整標(biāo)高,適合各種斷面施工,同時鋪掛小車上裝有微調(diào)壓緊裝置,可以調(diào)節(jié)防水板與初支面之間的距離,節(jié)省人力,鋪設(shè)方便,便于操作。
防水板間自動熱熔焊接用自動雙縫熱熔焊接機(jī),焊接前應(yīng)試焊,掌握了合適的焊接溫度和速度后進(jìn)行焊接。在防水板焊接前需將其表面灰塵污漬等清理感覺,每組防水板之間搭接≥150mm,焊接后的焊縫≥15mm[2]。
在臺車就位后測量定位,測量必須要保證隧道凈空以及二襯砼面幾何尺寸,模板架立時,要測量放線,確定隧道中線及拱頂標(biāo)高,同時,要按縱坡、橫坡控制,防止臺車偏位和傾斜,拱頂預(yù)留下沉量為5cm。臺車尺寸校對完成后,安裝臺車上的絲杠,對臺車進(jìn)行加固。臺車配備混凝土分層布料機(jī),機(jī)械操作澆筑口轉(zhuǎn)換,機(jī)械完成輸料管清洗,實(shí)現(xiàn)逐窗分層澆筑,拱部預(yù)留注漿孔實(shí)現(xiàn)帶模注漿功能,提高襯砌施工效率和質(zhì)量,減少二襯混凝土通病的發(fā)生[3]。
采用大斷面機(jī)械化配套設(shè)備施工工法,從管理觀念上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變,確立了機(jī)械代替人工是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢、是智能化管理施工發(fā)展的基礎(chǔ)。采用大斷面工法施工時,減少了對圍巖的多次擾動,施做超前支護(hù)措施,保證了圍巖的整體穩(wěn)定性,各工序采用機(jī)械化配套設(shè)備施工作業(yè),確保了施工安全、降低了施工風(fēng)險。采用全斷面工法施工避免了傳統(tǒng)的多部開挖工序,在超前支護(hù)施做的基礎(chǔ)上,可完成全斷面一次性開挖支護(hù),減少了工序循環(huán)時間,有利于施工進(jìn)度指標(biāo)提升,降低施工成本。
①鑿巖臺車開挖進(jìn)度:正洞Ⅲ級圍巖平均(最大)月進(jìn)度:144(169)m,Ⅳ級圍巖92(121)m,Ⅴ級圍巖65(75)m;相比傳統(tǒng)工藝提高40%。
②工序循環(huán)時間:雙線鐵路隧道機(jī)械化大斷面法施工工點(diǎn)整體循環(huán)時間Ⅲ級圍巖約12h~18h(進(jìn)尺3.8~4.0m),Ⅳ級圍巖約18h~24h(進(jìn)尺2.4~3.6m),Ⅴ級圍巖約18h~26h(進(jìn)尺1.2~3.0m)。其中臺車定位30min,雙機(jī)鉆孔130min~150min(200-230孔),裝藥作業(yè)約90min~120min,相比傳統(tǒng)工藝提高34%。
③人員情況:臺車班7人,配合裝藥8-9人,支護(hù)班9人(含3人噴混)。
①自行式仰拱液壓棧橋:長度37m,作業(yè)長度24m。無鋼筋段6人,每組(12m)2~3天,有鋼筋段12人,每組(12m)3~3.5天,相比傳統(tǒng)工藝提高43%。
②6m幅寬防水板鋼筋臺車:長度9.5m,作業(yè)長度6m。每班3~4人,每組0.8~1天,相比傳統(tǒng)工藝提高29%。
③12m成套技術(shù)襯砌模板臺車:含作業(yè)平臺上下通道爬梯總長度16m,作業(yè)長度12m。無鋼筋段8人,每組2~3天;有鋼筋段18人,每組3~3.5天,相比傳統(tǒng)工藝提高22%。
①所有機(jī)械設(shè)備操作人員必須經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)并經(jīng)考試合格后方可上崗作業(yè),作業(yè)前需由項目部進(jìn)行書面交底。
②施工作業(yè)前需由專人檢查設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、智能系統(tǒng)各部分是否正常,如發(fā)現(xiàn)故障,則應(yīng)排除故障后再進(jìn)行作業(yè)。
③洞內(nèi)用電必須符合有關(guān)規(guī)定,所用電力線路必須為合格產(chǎn)品并設(shè)置漏電保護(hù)裝置。
④鉆孔過程中操作人員要注意觀察掌子面情況,人員維修鉆桿等設(shè)施時,必須佩戴安全帽,在設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行維修。
通過對大斷面隧道施工中的各項工序采用機(jī)械化作業(yè),并且在機(jī)械化作業(yè)中對工序施工技術(shù)、工效比等進(jìn)行認(rèn)真分析研究,選擇合理的參數(shù)用于現(xiàn)場施工中,大大加快了施工進(jìn)度,提高了生產(chǎn)效率,而且減少了人員洞中作業(yè)時間,降低了安全施工風(fēng)險。另一方面也減少了質(zhì)量管理的環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量從管理人員操作到直接管理機(jī)械設(shè)備操作的過渡,施工質(zhì)量達(dá)到明顯加強(qiáng)。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用,該項目大斷面隧道機(jī)械化施工作業(yè)所涉及的工藝技術(shù)在施工中取得很好的效果,也為后續(xù)類似項目尤其是川藏鐵路等高海拔地區(qū)隧道施工提供了借鑒和參考。