大斷面隧道加強型機械化施工管理及施工效果分析

姜銀周， 申百囤

(中鐵一局集團第五工程有限公司， 陜西 寶雞 721006)

0 引言

伴隨著經濟的發展和綜合國力的提升，基礎設施建設逐漸成為我國發展的重點。近年來，由于我國人口數量的不斷增加，各地區之間的聯系不斷加強，對交通提出了更高的要求，其中高速鐵路發展最為突出，而隧道建設又是高速鐵路發展的重點工程，且隧道工程的質量會直接關系到高速鐵路的發展[1-2]。由于隧道工程施工的隱蔽性和危險性，直接導致隧道施工空間狹小和施工環境惡劣，致使施工難度加大。因此，改善施工作業空間，提高施工環境質量，對于隧道工程建設尤為重要[3-4]。

為保證隧道施工安全，2014年9月19日國家安全監管總局、交通運輸部、國務院國資委、國家鐵路局四部委以安監總管二(2014)104號印發了《隧道施工安全九條規定》，明確要求在隧道施工中應嚴控作業人數，提高作業面施工環境，要求作業面要采用機械化施工。隨著我國高速鐵路建設的快速發展，隧道機械化施工是發展的必然趨勢[5-8]。

根據中國鐵路總公司《關于鄭州至萬州鐵路湖北、重慶段工程初步設計的批復》(鐵總鑒函[2016]723號)對隧道施工采用加強型機械化配套的要求，在鄭萬高鐵隧道施工中選定部分隧道工作面進行加強型機械化配套施工。加強型與普通型機械化配套相比，每個工點均增加配備了全電腦三臂鑿巖臺車2臺、拱架安裝機1臺，其余設備大致相同。

目前，國內隧道施工已經很少使用人工開挖法，隨著隧道施工機械的不斷發展，隧道機械化程度越來越高。國內外較多學者對人工開挖方法與機械化開挖方法下的施工管理體系及施工效果進行了大量的分析[9-10]，而對機械化施工方法中加強型與普通型機械化配套施工的對比分析較少。根據我國高速鐵路的發展要求，加強型機械化隧道施工組織管理體系的建立對于推動高速鐵路大斷面隧道建設具有重要意義[11-13]，故本文將展開對隧道加強型機械化和普通型機械化類型施工管理體系及施工效果的分析。

結合鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-8標隧道施工實踐，通過對隧道加強型機械化和普通型機械化配套類型施工管理體系及施工效果進行分析，考慮施工管理、施工設備及作業線班組配備等因素，分析在長大隧道施工中加強型機械化配套施工管理對隧道工程建設的作用，以及隧道采用加強型機械化施工后的施工效果。

1 工程概況

新建鄭州至萬州鐵路湖北段站前工程ZWZQ-8標，正線全長36.002 km，隧道總長34.05 km，占標段總長的94.6%，其中，楚烽隧道5 298 m(總長8 708 m)，新華隧道18 770 m，甘家山隧道5 592 m，興山隧道4 375 m(總長10 085 m)，均設計為單洞雙線隧道。根據實施性施工組織設計安排，標段內共5個施工作業區(7個正洞工作面)： 楚烽隧道2#橫洞、新華隧道3#橫洞+斜井+出口、甘家山隧道橫洞。

各作業工區隧道均采用大斷面開挖方法進行施工，根據不同圍巖級別及埋深條件，可分為全斷面法和微臺階法。全斷面法即含仰拱一次全環開挖，完成后初期支護立即閉合成環，見圖1。微臺階法即分上下臺階(上臺階長3～4 m)2次開挖、2次支護，根據下臺階高度不同，分為2種情況： 1)下臺階高度為仰拱高度稱為微臺階Ⅰ法，見圖2(a)； 2)下臺階高度3～4 m稱為微臺階Ⅱ法，見圖2(b)。

圖1 全斷面法施工示意圖

按照加強型機械化配置組織施工，主要配套機械為三臂鑿巖臺車、拱架安裝機、混凝土濕噴機械手、防水板鋪設及鋼筋定位臺架、自行式仰拱棧橋、襯砌模板臺車和噴淋養護臺架。部分機械如圖3和圖4所示。

(a) 微臺階Ⅰ法

(b) 微臺階Ⅱ法

圖3 三臂鑿巖臺車

圖4 拱架安裝機

2 隧道施工管理

隧道施工管理主要包括施工管理體系、施工設備及作業線班組配置。加強型機械化施工作為目前隧道施工發展的必然趨勢，其施工管理的合理性及高效性對于加強型機械化施工的推廣具有重要的研究價值。本文通過對加強型機械化和普通型機械化施工管理進行對比，以分析加強型機械化施工的優勢。

2.1 施工管理

為保障隧道加強型機械化施工配套使用和安全管理，按“誰主管，誰負責”的原則，明確各級領導、職能部門和人員的崗位職責和安全生產職責，發揮大型專業配套機械化施工優勢，結合項目實際情況制定加強型機械化施工管理制度。其管理體系為： 項目部加強型機械化施工管理領導小組(管理層)、項目分部(執行層)、隧道作業隊(作業層)3級管理模式。主要內容如圖5所示。

圖5 加強型機械化配套施工管理模式

Fig. 5 Management mode of strengthened mechanized construction

隧道普通型機械化施工作業采用施工作業隊和作業班組2級管理組織體系，管理組織體系上有了較大的變動。從管理級別上，加強型機械化施工較為復雜，但可以有效地提高施工效率，達到“誰主管，誰負責”的要求，責任到人，提高隧道施工質量。

2.2 施工設備

隧道加強型機械化快速施工從開挖、出碴、初期支護、仰拱鋪底、防水作業、襯砌作業、水溝電纜槽等主要施工工序為出發點，設備配套能力作為保障，各工序之間相互協調、合理搭接，達到隧道快速施工的目的。

隧道加強型機械化配套的關鍵工序由機械控制、人工輔助，施工質量得到了極大的提升； 而普通型機械化配套施工設備較落后，施工很大程度上受人為因素的影響，質量難以保證。

為滿足大斷面雙線高速鐵路復雜隧道開挖要求，鄭萬高鐵為各工序配置先進的機械設備，各工序機械設備配置如表1和圖6所示。

2.3 作業線班組配置

根據隧道主要施工工序，將作業線分為開挖作業線、出碴作業線、初期支護作業線、仰拱鋪底作業線、防水及襯砌作業線和水溝電纜槽作業線。加強型和普通型機械化配套施工各作業線班組(人數)對比見表2和圖7。

由表2和圖7可知，采用加強型機械化施工時各作業線的人數都少于普通型機械化施工，人數約為普通型機械化施工的56.36%。

3 施工效果

施工效果主要從施工作業環境、作業安全性、施工質量和施工效率4方面進行對比分析。

3.1 施工作業環境

相同斷面隧道開挖若采用常規人工鉆爆法施工，需配置風鉆數量多達30把，鉆機由空壓機高壓風作動力，開挖面空氣污染大，同時作業風鉆會產生高分貝噪音，對持鉆工人身體健康極為不利，施工環境如圖8所示。電腦三臂鑿巖臺車開挖采用電力作為動力，開挖面空氣污染極小，噪音較小，大大降低了作業環境對作業人員的傷害，施工環境如圖9所示。

現場采用混凝土濕噴機械手進行初期支護作業，隧道內掌子面粉塵濃度較低，整個作業區域空氣質量較好，有效地改善了施工作業環境，滿足職業健康安全要求。

3.2 作業安全性

采用人工風鉆開挖，司鉆人員離掌子面很近，如果隧道掌子面巖層自穩性較差，易造成人員傷害。采用電腦三臂鑿巖臺車開挖，操作人員在封閉的駕駛室，離掌子面有十幾m遠，處于初期支護封閉區，大大提高了作業安全性。另外，鑿巖臺車的多功能升降吊籃能配合測量放樣和裝藥等作業，相對于普通開挖作業臺架靈活多用，更利于作業安全性。

混凝土濕噴機械手有一個可以伸縮和旋轉的液壓臂架，采用無線電遙控器操作，操作人員可以站在已經初期支護完成的安全地帶控制設備運轉，施工安全性有很大提高。濕噴機械手采用三臂伸縮使噴頭貼近掌子面進行噴射施工，設備本身在已經初期支護完成的部位，即使掌子面出現塌方掉頂，也不會威脅到設備本身。在隧道施工爆破后，鑿除危矸松石，接著可以用壓縮風和水對爆破后的圍巖進行沖洗，清除浮塵； 隨后即可對爆破后的圍巖進行初噴，及時對掌子面圍巖進行封閉，減少圍巖暴露時間，增強施工安全性。

自從采用該噴射機械手進行初期支護施工后，未發生工傷事故。傳統的混凝土噴射機進行噴漿作業時必須待碴土清除干凈，工作臺架移動到需要噴射的作業面下方，由操作人員站在臺架上手持噴頭實施噴射，此時操作人員的勞動強度較大，施工安全存在極大隱患。采用混凝土噴射機械手可以完全避免以上隱患，能有效保障施工人員的安全和健康。

表1 加強型機械化配套各工區工序機械化配套表

圖6 加強型機械化配套各工區工序機械化配套圖

施工內容加強型機械化配套施工人數普通型機械化配套施工人數備注開挖作業線8～1026～28鑿巖臺車和風鉆打孔比較,以全斷面(150 m2)為例初期支護作業線8～1020～25 機械施工按1套機械手+運輸車,錨桿施工按臺車鉆孔人工安裝計算;小型機具按2套噴混凝土設備,錨桿按風鉆鉆孔人工安裝計算出碴作業線914均按雙裝載機裝碴,大型運輸車按4臺配置,小型運輸車按6臺配置仰拱鋪底作業線1218防水作業線57襯砌作業線88水溝電纜槽作業線610總人數(約數)62110

圖7加強型、普通型機械化配套隧道施工各作業線班組(人數)對比圖

Fig. 7 Comparison of operation lines between reinforced and conventional mechanized construction of tunnel

圖8 人工鉆爆法施工環境

圖9 機械化施工環境

3.3 施工質量

施工質量主要從隧道開挖主要的施工工序進行分析。

3.3.1 鉆爆

為保證隧道光面爆破效果，隧道鉆爆圖的設計及優化至關重要。

加強型機械化施工操作手可以根據鉆爆設計圖孔位施鉆，如圖10所示，并及時給工程技術人員反饋開挖效果，以便對鉆爆設計進行優化，從而達到光面爆破及降低炸藥單耗的效果。輔助眼鉆孔時，根據掌子面圍巖堅硬程度、巖層產狀等適當調整鉆爆設計圖炮眼間距及角度。操作手根據電腦鉆爆圖適時鉆孔，個別孔人工可干預微調鉆孔，可以有效地控制超欠挖(利用鑿巖臺車輪廓掃描儀測量爆破后的超欠挖)情況，真正做到光面爆破，減少出碴和回填方量，減少襯砌混凝土的消耗，省工、省時、省料。超欠挖掃描見圖11，爆破效果見圖12。

圖10 爆破圖

圖11 超欠挖掃描 (單位： m)

圖12 爆破效果

普通型機械化施工雖是根據鉆爆圖設計進行全站儀定位，然后人工裝藥進行爆破，但爆破后超欠挖數據測量費時費力且誤差較大，不能及時優化鉆爆設計，從而限制了隧道施工質量。

3.3.2 噴射混凝土

混凝土濕噴機械手配備液態添加劑自動計量裝置，能夠精確添加速凝劑，電子程序能自動對混凝土和速凝劑流量同步控制，保證速凝劑最優摻量；機械手可以保證噴射角度和距離，避免人工噴射的盲區，加之機械手噴射流量穩定、速度勻速，并能實現現場連續濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，初期支護混凝土強度高、整體性強、密實度好。

濕噴機械手的噴射效率為7～25 m3/h，平均為18 m3/h，噴射前的設備準備時間短，可縮短作業循環時間，且快速封閉巖面會有效約束巖層變形的發展，改善圍巖受力狀態，增強圍巖穩定性。濕噴機械手現場施工見圖13。

圖13 濕噴機械手現場施工

3.4 施工效率

施工效率主要是對施工單循環開挖時間以及月進尺進行分析對比。

加強型、普通型機械化配套工序耗時見表3和圖14。

表3普通型與加強型機械化單位進尺耗時表

Table 3 Time consumptions for strengthened and conventional mechanized construction h

開挖方式各工序單位進尺耗時鉆孔裝藥爆破出碴錨桿施作立拱架噴混凝土單位進尺耗時加強型機械化0.50.510.511.34.8普通型機械化0.80.51.211.51.86.8

圖14 普通型與加強型機械化單位進尺耗時圖

Fig. 14 Time consumptions for strengthened and conventional mechanized construction

由表3和圖14可知，加強型機械化施工單位進尺(指隧道1 m進尺)各工序總耗時減少30%左右，極大地提高了施工效率。

加強型、普通型機械化配套月進度對比見表4。

表4 加強型、普通型機械化配套月進度對比

4 結論與討論

本文通過對加強型機械化與普通型機械化施工管理及施工效果的對比分析，綜合考慮施工管理層、施工設備及作業線班組配置等因素，得到如下結論。

1)加強型機械化施工管理分為3級管理，能有效提高施工效率，達到“誰主管，誰負責”的要求，責任到人，提高隧道施工質量。

2)加強型機械化施工以開挖、出碴、初期支護、仰拱鋪底、防水作業、襯砌作業、水溝電纜槽等主要施工工序為出發點，設備配套能力作為保障，各工序之間相互協調、合理搭接，達到隧道快速施工的目的。

3)加強型機械化施工在作業環境、作業安全系數、施工質量和施工效率等方面都得到了有效改善，保證了隧道施工質量及快速施工要求。

4)加強型機械化施工組織體系運用已初見成效，隧道施工工效和施工進度得到提高，施工人員人身安全也得到保障。

5)目前加強型機械化施工正處于試驗階段，各工序施工熟練程度還有待提高，施工管理層的職業素質及相關專業知識尚需進一步培訓，待各方面條件成熟以后，將進一步分析加強型機械化施工技術。