高速鐵路隧道支護結構機械化施工技術

王更峰

（中鐵十一局集團第四工程有限公司 湖北武漢 430074）

1 引言

隨著我國交通事業的迅速發展，使得隧道工程的建設總量成倍增長。然而如此龐大的隧道建設總量，加之不斷提高的質量要求、建設難度以及逐漸上升的勞動力成本等多方面因素給予了建設單位極大的負擔［1］。在這大環境下，推動施工機械化成了隧道工程的當務之急。機械化施工可在降低施工過程中勞動力的需求同時，加快工程進度的推進，提高工程的經濟效率，與傳統施工相比，其工程質量與安全更有保障［2-3］；先進的機械設備以及先進技術的引入迅速提升了隧道的建設水平，其優點得到了業內廣泛認可［4-5］。

國外針對隧道施工機械設備及技術的研究起步較早，早在上世紀40年代，就已開展混凝土噴射機的研究工作，經過半個多世紀的發展，成績斐然［6］。截止目前，世界范圍內的眾多發達國家針對隧道支護工程采用濕噴作業的比率已超八成，隨著近年來濕噴設備往高自動化、易操作方向不斷革新，支護施工的效率與環境質量均得到了顯著提升［7］。相較之下，國內的隧道施工機械化應用則相對較晚，但發展較快，自上世紀80年代起，我國在隧道機械化施工方面逐漸形成了多種機械化施工作業模式，并在隧道建設中不斷完善發展［8-9］。目前我國隧道工程已普及了基本作業的機械化，相應的機械配套技術應用可基本滿足施工的要求，然而與國外先進機械施工相比，仍有不小差距。對隧道施工機械配置的升級，有效提高機械工作效率，確保快速施工和工程質量已成了目前我國隧道施工機械化作業的當務之急［10-11］。

本文結合某高鐵高家坪隧道工程，分別從初次支護、仰拱施工以及二次襯砌施工三個方面著重探討了高速鐵路隧道支護結構的機械化施工技術，為類似工程提供了借鑒。

2 工程概況

高家坪隧道位于湖北省南漳縣李廟鎮境內，中心里程為DK451+786，全長5 498 m；隧道采用進、出口雙向掘進，進口段起訖里程為DK449+037～DK452+300，全長3 263 m，最大埋深320 m，隧道縱坡設計為23‰，順坡施工；隧道大部分位于直線上，僅進口至DK449+577.4 183位于半徑R＝7 000 m的左偏曲線上，施工工期44個月；隧道圍巖主要由頁巖及灰巖構成，其中灰巖地區發育有巖溶地質，施工中存在突水突泥風險，頁巖地層橫穿炭質頁巖夾煤線，可能還有低瓦斯，為Ⅱ級風險隧道。

3 洞身初次支護設備與作業模式

3.1 機械化濕噴工藝

對于長大鐵路隧道支護工程，隨著先進的機械設備與技術的不斷革新以及施工環境的更高要求，使得噴射混凝土技術逐漸往濕噴技術領域發展。高家坪隧道配合混凝土濕噴機械手進行濕噴作業，如圖1所示。整個施工過程采用遙控裝置實現濕噴機械的操作，最佳噴射方位根據“轉臺移動與小臂伸縮定距離、旋轉中小臂定位置、噴嘴定角度”的原則進行確定。混凝土噴射機械手的應用確保了作業人員的施工安全，再配合濕噴工藝使得施工過程中的粉塵濃度以及回彈率得到顯著的抑制，施工作業環境得到進一步改善，同時大大降低了材料成本，施工質量亦得到了極大保障，有效地解決了傳統干噴工藝中存在的高粉塵、高回彈和低質量等難題。

圖1 混凝土濕噴機械手

3.2 拱架機械化快速安裝

國內隧道修建安裝拱架主要采取人工拼裝，但沉重的拱架配件使得施工班組需要配置大量的勞動人員，且勞務繁重，施工安全亦得不到有效保證。高家坪隧道拱架安裝采用鐵建重工SCD112多功能拱架安裝機（見圖2），拱架的拼裝效率得到了迅速提升，無論現場作業人員的安全，或是工程質量與安全均得到了有效保障，提高了工程的經濟效益。

圖2 SCD112多功能拱架安裝機

3.3 DCP／YE錨桿鉆注一體化施工

與傳統的系統錨桿施工相比，DCP／YE錨桿可第一時間形成初始張拉力，具有所需勞動力配置低，安裝速度快、注漿工藝簡單、速度快、功效高、質量可控等特點［12］。高家坪隧道進口DK449+100～DK449+101.6／DK449+119.6～DK449+148.8兩段里程進行錨桿工藝性試驗，將原設計拱部組合中空錨桿及邊墻砂漿錨桿采用新型DCP／YE錨桿代替。錨桿施工主要設備有：鐵建重工ZYS113全電腦三臂鑿巖臺車、SCD112多功能拱架安裝臺車、沖擊式風動扳手、JRD500B拌和、灌漿一體機及BJ-300注漿自動記錄儀等機械化設備，具體設備見表1。

表1 錨桿施工設備統計

采用ZYS113三臂鑿巖臺車鉆孔（見圖3），臺車自帶吊籃輔助安裝錨桿，具有鉆孔速度快，鉆孔、安裝平行作業，節省人工，安全、高效的特點。

圖3 ZYS113三臂鑿巖臺車

利用三臂鑿巖臺車自帶空壓機為風動扳手供風，臺車吊籃供風口與風動扳手風管連接施加錨桿預應力。7462沖擊式風動扳手（見圖4）可以精確地給錨桿施加預應力，不但能夠嚴格控制錨桿施作質量，顯著提高生產率，而且可以大大減輕工人勞動強度。

圖4 沖擊式風動扳手

利用多功能拱架安裝臺車（見圖5）吊籃作為施工平臺，錨桿全部安裝完畢后統一進行注漿。為提高注漿速率，構建由2臺注漿機與1臺注漿車輛構成的注漿工序單元，使得注漿設備與材料統一于車輛之中，提升注漿速率。

圖5 SCD112拱架安裝臺車

4 仰拱機械化施工設備與作業模式

4.1 自行式仰拱腹模一體式棧橋施工

為提高施工效率和施工質量，高家坪隧道仰拱施工采用自行式仰拱腹模一體式棧橋施工，如圖6所示。一體化移動式棧橋組成結構包括由10個以上伸縮單元組固定連接組成的棧橋主體以及折疊式橋板；將折疊式橋板設置于伸縮單元的上端，與之一一對應。其結構簡單、便于操作，可在現場進行快速布設，具有較強的抗毀能力、穩定性、可靠性以及通行能力，使得傳統式棧橋上掌子面開挖支護施工與仰拱的施工無法同時進行的問題得到有效解決。

圖6 移動式棧橋

相比傳統仰拱施工方法而言，一體移動式棧橋施工方法的澆筑跨度較大，進行一次澆筑的長度可以達到20 m，施工縫數更少，整體性更佳，其防水性能得到顯著提升；施工階段采用整幅式澆筑，不留縱向施工縫，仰拱的力學性能得到進一步優化；棧橋作業對棧橋上車輛的通行沒有影響，對隧道內部的交通影響也不大；液壓移動棧橋的剛度較大，兩端桁架具有良好的支護作用，安全性能好，有效保障了棧橋上方車輛行駛過程中下部作業人員的施工安全，確保了施工進度的高效推進。

4.2 中心水溝機械化施工

高家坪隧道采用自行設計和加工的隧道中心水溝移動模架，實現了中心水溝澆筑一體化施工，施工質量與效率得到顯著提升，大大降低了施工成本。移動模架由支架系、模板系和定位系三系構成，其中支架系包括：主縱橫梁、行走輪等；模板系包括：主模板、擋頭模板；定位系包括：橫向螺桿、豎向螺桿、微調螺桿等，如圖7所示。移動模板采用大尺寸定型鋼模制作而成，使得作業人員工作強度大大降低，在一定程度上消除了由于人工操作不當造成的工程缺陷，使得結構的外觀與質量得到有效保障。

圖7 中心水溝移動模架

通過模架可迅速完成大塊模板與定位系統的組裝工作，并借助機械將移動模板整體牽引至下一組，消除了傳統小鋼模等零散拼裝施工效率低下、勞動強度高等問題；同時，模架造價低、易于操作，有效降低傳統方法中臨時支撐的材料成本，施工效率及效益均可得到顯著提升。

5 二次襯砌施工設備與作業模式

5.1 鋼筋機械化安裝

高家坪隧道采用自動式整體模板臺車，如圖8所示。自動式模板臺車車架上布置有鋼筋工作平臺，鋼筋工作平臺連接有升降臂，升降臂連接有升降驅動裝置，可以起吊鋼筋，還可以滿足其他施工同行的需要，有效降低安全隱患，保證施工進度，臺車采用遙控控制。

5.2 二次襯砌機械化安裝

高家坪隧道二次襯砌施工采用二次襯砌臺車全機械化安裝，臺車結構如圖9所示。臺車配備行走定位、澆筑、振搗、端頭模板系統。

圖8 自動式模板臺車

圖9 二次襯砌臺車結構

圖10 為二次襯砌臺車行走定位系統。臺車前后3D掃描儀定位，把需要偏轉的角度和位移通過自動調整左右、上下油缸來實現臺車拱形骨架和模板的精確定位，通過立模油缸來實現精確立模。

圖10 二次襯砌臺車行走定位系統

圖11 為二次襯砌臺車澆筑系統。通過混凝土輸送臺車把混凝土泵送至澆筑機械手，機械手可以縱向和環向運行從而實現左右平衡分層逐窗帶壓澆筑，整個澆筑過程混凝土不易漓析。整套澆筑系統只有在澆筑頭處使用了一小段軟管，具有不易堵管和易清洗的優點。整個澆筑過程只有一套澆筑機械手工作，另一套備用，這樣能夠保證整個澆筑過程的效率。

圖11 二次襯砌臺車澆筑系統

混凝振搗優先采用外部振搗，因外部振搗易實現自動化控制，且人工強度小。氣動振搗器因振動頻率高、對臺車結構影響小而在國外廣泛應用于隧道二次襯砌臺車上（見圖12）。且通過振動分析儀，能夠實時監測振動時間、振動頻率、振動振幅和振動加速度等振搗參數，從而保證混凝土澆筑以及最終產品和工程的質量。

圖12 二次襯砌臺車氣動振動器

5.3 二次襯砌機械化帶模注漿工藝

為了實現對二襯拱頂的脫空及帶模注漿，將二襯臺車進行適當改進，在二襯臺車的拱頂設置4個孔槽，如圖13a所示，而后將固定法蘭滿焊于孔槽處，用以固定RPC注漿管及定位法蘭，最終使固定管底部有效連接注漿機注漿管，如圖13b所示。通過設備的改造，實現了在不脫模的工況下完成二襯拱頂的脫空及注漿施工，確保了二襯拱頂的密實，施工效率得到了顯著提升。

圖13 二襯臺車改造示意

通過對二襯臺車的改造實現了帶模注漿，襯砌拱頂脫空問題得到了有效解決，其注漿耗時更短，對于后續的工程干擾更小，并使得注漿與襯砌混凝土較好地形成統一整體。

6 結束語

某高鐵高家坪隧道工程，針對其支護工程，分別從初次支護、仰拱施工以及二次襯砌施工三個方面對其機械化施工技術進行探討：

（1）對于初次支護工程，采用混凝土濕噴機械手進行濕噴作業，有效保證施工人員的安全，改善了隧道施工環境，節省了材料及成本，提高了施工質量及經濟效益，有效地解決了傳統干噴工藝中存在的高粉塵、高回彈和低質量等難題；采用鐵建重工SCD112多功能拱架安裝機進行拱架安裝，拱架的拼裝效率得到了迅速提升，無論現場作業人員的安全，或是工程質量與安全均得到了有效保障，提高了工程的經濟效益；采用DCP／YE錨桿并配合全電腦三臂鑿巖臺車、多功能拱架安裝臺車、沖擊式風動扳手、拌和、灌漿一體機及注漿自動記錄儀等機械化設備，可顯著提高生產率、施工安全及質量，亦可極大減輕工人勞動強度。

（2）對仰拱施工，采用自行式仰拱腹模一體式棧橋施工，解決了傳統式棧橋上掌子面開挖支護施工與仰拱的施工無法同時進行的問題。同時采用自行設計和加工的隧道中心水溝移動模架，實現了中心水溝澆筑一體化施工，施工質量與效率得到顯著提升，大大降低了施工成本。

（3）對二次襯砌施工，采用自動式整體模板臺車，可滿足其他施工同行的需要，有效降低安全隱患，保證施工進度。通過對二襯臺車的改造實現了帶模注漿，襯砌拱頂脫空問題得到了有效解決，其注漿耗時更短，對于后續的工程干擾更小，并使得注漿與襯砌混凝土較好地形成統一整體。