高速公路隧道機械化施工技術研究

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摘要：為實現特長大斷面隧道機械化施工，針對某高速隧道機械化施工段中所面臨的超前地質預報、掌子面開挖，機械化施工關鍵技術、監控量測等問題，經過現場試驗，理論分析，并通過數據與傳統工藝方法比對。有力體現了隧道機械化施工的必要性，該高速公路隧道在合理的施工組織設計下保持較好的工作狀態、較高的工作效率，學習且應用國內外重點項目經驗，形成了合理有效安全的施工技術，和傳統人工法相比，突出了機械化施工的優勢。研究成果可為今后的隧道機械化施工技術提供參考。

關鍵詞：高速公路隧道；特長隧道；機械化施工；施工技術；安全施工

伴隨著高速公路的大規模建設，中國公路的發展已經進入了一個嶄新的時期，我國疆域遼闊，公路網穿越萬水千山、不斷蔓延，2011~2014年期間，我國公路隧道數量增加至12404座，總長度達到10756.7km。2012年之后，公路隧道的建設規模和數量遠超鐵路隧道，并逐年穩步增長，不斷地開創出相當數量的高質量隧道工程，公路隧道在建設過程中實現了數量、質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，設計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；進洞口設計標高左線136.5m、右線138.8m，出洞口設計左線195.1m、右線194.6m，隧道左右洞進、出口均采用削竹式洞門；最大埋深約463.76m，屬于特長隧道。隧道區基巖裂隙水沿坡腳滲出匯集于山間溝谷，根據現場勘探，隧道內不良地質為巖溶，場區范圍內溶溝、溶槽縱橫交錯，主要受地形排水影響，屬于Ⅲ級風險隧道；隧道進出口皆為山林，無路可抵達隧道口附近，交通不便；出口離鎮上4.2km，有鄉道至隧道山體低洼地段，大車可通行，匯車較方便。隧道進口段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，傳統的人工作業法存在很多不足，因此采用大型機械化施工，不僅可以快速施工、節約成本、減輕人力，且對提高工程項目的安全和質量有利［3］。本文對廣東省某高速公路隧道機械化施工方法進行總結，從超前地質預報、超前支護、隧道開挖、出渣施工、三臂鑿巖臺車施工、噴射混凝土施工、拱架安裝、仰拱作業、二次襯砌和水溝電纜槽施工等方面展開詳細討論，為隧道工程大型機械化施工提供參考。

1某公路隧道機械化設備選擇

1.1機械化施工現狀。目前，隧道工程在建設過程中基本已機械化覆蓋，廣州龍頭山8車道公路隧道的開挖面積達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新，嘗試建設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世紀初動工，最大開挖尺寸為28.2m×18.6m，至今未被超越［6］。各種新技術、新設備、新工藝出現在隧道施工里，譬如全斷面挖掘機、雙臂鑿巖臺車、三臂鑿巖臺車、新型自行式襯砌臺車、養護臺車等，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情況、施工工藝、施工單位的技術水平各有千秋，導致不同的隧道工程須選擇不同的機械化方案以達到生產目標［7，8］。為了積極響應“一帶一路”倡議，順應安全施工、綠色施工的理念，我國的隧道及地下工程還在繼續規劃當中，可以說，機械化施工技術在隧道工程中必然是大勢所趨［9，10］。1.2配套機械設備。某高速公路隧道進口段機械化施工主要涉及到的機械設備如表2所示。機械化施工中最新式的設備主要為三臂鑿巖臺車，其余設備較為常見。

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情況，根據現場情況，當超前地質預報出現異常地質情況時，使用RPD150C多功能地質鉆機進行超前地質預報，確認前方地質情況及判斷圍巖級別，研究可行有效的開挖方案，多功能地質鉆機實際每次鉆孔深度為30~40m。三臂鑿巖臺車由全液壓機械控制進行爆破鉆孔作業，爆破后采取強排風及濕噴機械手噴水降塵。隧道出口采用挖掘機、裝載車等設備配合運輸車將隧道洞渣運輸至指定填方路基處。采用濕噴機械手噴射混凝土進行初期支護。二襯防水板采用自動掛布機和人工配合進行安裝，二襯混凝土施工采用新型智能自動分料全液壓模板臺車進行澆筑；自行式全液壓仰拱棧橋用于仰拱施工作業。隧道左右線均由進口往隧道中部保持30~50m的距離交錯掘進，禁止同時掘進同里程斷面。2.2超前地質預報。為滿足隧道地質超前預報目的和要求，本次隧道地質超前預報方法擬在非物探方法的基礎上，采用綜合物探超前預報方法，超前地質預報工作量如表3所示。其中，非物探方法主要為掌子面地質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雷達方法，地震波以地震波發射法為主和地質雷達法為輔，采用地震波反射法用TGP206對地質情況進行系統探測，以弄清隧道掌子面前方的工程地質和水文地質采用地質雷達和其它方法進行短期預報，以獲得掌子面前方相對準確的地質情況。必要時進行超前地質鉆探、加深探孔、富水區還要加紅外線探水，有溶洞的地質區還需要做基底物探的方法。2.3機械化施工工藝。隧道施工機械選型應全面考慮生產性、可靠性、安全性、耐久性、經濟性等特點［11］。隧道開挖要遵循施工規范，做到爆破弱、進尺短、支護強、封閉早、測量勤等要求［12］，嚴格按照謹密的生產步驟進行。2.3.1隧道開挖。隧道洞身Ⅳ級圍巖采用三臺階開挖法和環形開挖預留核心土法施工，按2榀鋼架間距控制，利用三臂鑿巖臺車并排進行鉆眼裝藥施工；Ⅲ級圍巖正常段按3m控制，開挖采用兩臺階開挖法，鋼架鎖腳錨桿必須在仰拱開挖前完成，每循環進不超過3m，采用超前小導管注漿超前支護破碎局部圍巖，配2臺三臂鑿巖臺車并排進行施工鉆孔作業。某高速公路隧道開挖方法主要采用了雙側壁導坑法、單側臂導坑法、三臺階預留核心土法、環形開挖預留核心土法、三臺階、上下臺階法。左線進口段開挖方法及支護類型如表4所示，右線開挖方法和左線一致，這里不做展示。采用超前小導管注漿支護開挖Ⅴ級圍巖，遇軟弱圍巖無爆破作業時，用挖機微臺階開挖方法，其他情況均用人工法進行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺階開挖，Ⅴ級圍巖開挖橫斷面如圖1所示。采用超前小導管注漿支護開挖Ⅴ級圍巖，遇軟弱圍巖無爆破作業時，用挖機微臺階開挖方法，其他情況均用人工法進行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺階開挖。三臂鑿巖臺車宜用于上下臺階法、三臺階法施工時掌子面鉆眼、清孔、裝藥、安裝錨桿等［13］。為確保在開挖方法變化，機械化施工和人工施工轉換順利，操作機械鉆眼及人工鉆眼人員為獨立的2套作業班組，施工用高壓水管、高壓風管同時鋪設至隧道掌子面近端。2.3.2出渣施工。隧道出渣時先用挖掘機裝渣，再將挖掘機開至指定場地，進行掌子面出渣時，其他作業面也應同時作業，使多臺機械設備在不同工序點同步作業，可大大提高作業效率，減少作業時間，隧道出渣作業工序如圖2所示。2.3.3三臂鑿巖臺車施工流程。某高速公路隧道配備的是BoomerXL3D三臂掘進鑿巖臺車，控制方式采用先導液壓，帶有3條BUT35型鉆臂、鷹式高臂座，使斷面作業面積增大，作業范圍15597mm×12789mm，最大覆蓋面積達178m2，鑿巖機沖擊頻率60Hz，鉆臂可覆蓋面積178m2，使用壽命可達15年以上，相比其他同類設備具有作業覆蓋度高、定位準確、承載能力強及可降低勞動強度等優勢［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。三臂鑿巖臺車作業時［14］，按測量放線➝炮眼布置➝鉆眼➝裝藥聯線➝警戒、起爆➝通風和灑水除塵➝找頂➝出碴➝斷面檢測及分析的順序進行施工，洞身開挖應注意以下事項：實時跟蹤掌子面圍巖變化情況，根據圍巖情況及時調整施工方案；臺階法開挖應嚴格控制臺階長度，同時嚴格控制進尺長度；成孔后及時插入竹桿護孔；鉆孔完成后，及時將臺車退至指定位置停放；鉆孔完成后，及時清理電纜、水管，并及時關閘，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，混凝土運輸車運至現場，再由濕噴機械手噴射，選用ZTC30工程底盤式濕噴臺車進行施工作業，其技術參數如表5所示，設備主要有行程長、噴射混凝土泵缸徑大、機械手噴射范圍大、可靠度高等性能特點，用電力驅動工作，可減少尾氣排放，做到綠色施工。噴射混凝土作業的噴射順序應從下到上，反復噴射。分段施工時，將上一次噴射的混凝土留個寬度為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，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，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，邊墻應控制在7~10cm，拱部控制在5~6cm，頂部噴射混凝土時，2次噴射時間宜相隔2~4h，以避免墜落現象。機械手噴射速度要適當，有利于混凝土壓實，噴射時要根據情況調整噴射速度，還要保持噴嘴與受噴面間適當距離使壓實最大、回彈最小?；炷羾娚渥鳂I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，主要技術參數如下：最大作業高度為12m，最大作業水平寬度為18m，最大速度為80km/h，最大爬坡度為20%，機械手伸縮長度為450mm。圖6為拱架安裝3D圖，將拱架按節段編號均勻擺放于隧道兩側，同時用臺車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，安裝各拱架節段時，利用拱架安裝機自帶的工作吊籃，并配合人工精準就位，采用短鋼筋定位、連接鋼筋固定拱架，支墊混凝土墊塊，從而確保鋼架的穩定性，間距合理控制。下一步計劃對拱架連接方式進行優化，試驗采用插銷式連接，減少焊接、縮短拱架安裝時間。2.3.6仰拱作業。仰拱作業采用型號為ZQ-GGTL24的自行式全液壓仰拱棧橋，該型號設備跨度大，使用方便，在隧道施工中操作簡便、安全可靠、移動迅速，可在隧道仰拱作業時發揮重要作用。開挖完畢仰即開始仰拱及填充，根據不同圍巖等級，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、仰拱模板與提升機構、履帶驅動裝置及支腿部分組成。棧橋縱向移動施工可按安裝棧橋➝棧橋定位➝仰拱襯砌➝更換位置的順序循環進行仰拱施工。2.3.7二次襯砌。在二次襯砌工序時，先進行防排水及鋼筋施工，采用自動掛布機臺車鋪設防水板。第二步采用襯砌模板安裝液壓模板臺車進行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配備了混凝土分層布料機的臺車上進行［15］（二襯液壓模板臺車現場如圖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因密封不嚴實，每層管路澆筑完畢后需進行清洗并關閉工作窗；混凝土到達拆模強度時可脫模，堵頭模板拆除前做好拆模的各項工作，臺車在收模時必須按照先收下動模再收上模架的順序進行。上述工序完成后還要采用專用隧道二襯混凝土移動式臺架及時養護二次襯砌的混凝土，在外側四周灑水對二襯混凝土表面灑水噴霧，縱向移動臺架，養護臺架的電機行走速度控制在8m/min。灑水噴霧間隔時間根據施工條件而定，以確保二襯養護效果，混凝土養護車斷面如圖8所示。2.3.8水溝電纜槽施工。采用定型模板臺車在兩側對稱澆筑電纜溝槽（見圖9），2次應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車采用整體鋼模設計，具有模板強度大、穩定性好等特點，可減少施工過程中“跑?！爆F象的出現；臺車拼裝完成后，只需在每次施工前安裝鋼軌，全自動操作模板在臺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機械化作業功效分析

本隧道進口左線共長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，機械化施工比傳統工藝的施工效率增加約30%，左線功效分析數據如表6所示。本隧道進口右線共長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，機械化施工的施工效率比傳統工藝增加約31%，右線功效分析數據如表7所示。

4結論

隧道機械化施工技術完美切合剛出爐的新基建理念，在未來的交通運輸工程、軌道工程建設中配套機械化設備是大勢所向，但考慮到項目的實際情況，各項目的環境、特殊地質等因素，在隧道機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械化的經驗，已取得如下成果：⑴廣東省某高速公路隧道機械化配套施工具有合理有效的組織設計，保證整個項目在進行中處于較好的工作狀態。⑵根據廣東省某高速公路隧道及其他單位類似工程經驗值分析，機械化施工相關功效控制指標可根據現場的斷面情況調整，相同的開挖方法，機械化施工月進尺方面較傳統人工開挖V級圍巖快30m，Ⅲ級圍巖快57m，說明圍巖等級越低對機械化施工越有利，機械化代替傳統人工施工的功效明顯，比人工施工更有優勢。本隧道機械化施工技術方法可為隧道工程的機械化作業提供參考和借鑒，使日后的隧道、地下工程建設適應機械化施工，并不斷探索創新實現真正的機械化和智能化。

作者:鐘少杰 單位:中交四航局第二工程有限公司