特長公路隧道單頭快速掘進施工技術研究

鄧科，劉彬，王不凡，張慶明，王羽

（1重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶 400010；2重慶交通大學 土木學院，重慶 400074）

0 引言

隧道施工大多是采用新奧法進行的，開挖基本上采用鉆爆法，出碴多采用無軌運輸。隧道施工的快速修建設備配套技術水平、施工裝備及機械化仍處于隧道施工機械化初期，整體技術仍較落后，施工進度差別很大，事故隱患較多，工后環境影響較大。為提高機械化作業程度、施工質量、效率和提升施工信息化，城開特長隧道 （位于在建的重慶城口至開州高速公路，為全國在建高速公路的第三長隧道）根據實際情況配置了大型施工機械配套設備。這套設備主要是由開挖臺車、三臂鑿巖臺車、車載式濕噴機械手、多功能超前地質鉆機、二襯臺車、自行式液壓仰拱棧橋、防水板臺車、檢測管理系統等組成，更加機械化、科學化、信息化，能極大地減少作業人數、改善施工環境、提高施工效率、保證施工質量。

1 工程概況

城開高速公路青龍特長隧道是重慶境內目前最長的在修公路隧道，工程地質環境極為復雜，施工工期長，隧道進口位于重慶市城口縣咸宜鄉青龍村，出口位于開縣滿月鄉天子村鎖口廟附近。隧道左洞長度為11489m，右洞長度為11456m。隧道公路等級為雙向四車道高速公路，隧道路面橫坡單向坡2%（直線段）。左洞起止樁號：ZK71+781～ZK83+270，右洞起止樁號：K71+778～K83+234。該地段工程地質情況主要為：塊狀角礫巖、白云巖，局部夾泥灰巖、頁巖、泥質粉砂巖與灰綠色互層。塊狀構造，節理裂隙較發育，巖體較破碎，塊石碎石狀鑲嵌結構。

經地質勘查，隧道埋深大于769m處時有巖爆發生的可能性。采用這套新型的單頭快速掘進設備，隧道的質量、效率、安全都有極大的提高[1]。

2 單頭快速掘進技術

2.1 工作原理與適用范圍

由于隧道的長度大，地質環境復雜，使用多功能超前地質鉆機用于隧道超前地質預報、鉆注一體化施工，能快捷完成各種復雜巖層變化的超前地質預報，及時通過鉆孔數據進行分析判斷，有效探明隧道開挖前方的地質情況，大幅度提高施工安全。單頭快速掘進設備的基本工作原理是利用三臂鑿巖臺車來測量、鉆眼、裝藥，以此來減少對周邊圍巖的擾動；然后車載式濕噴機械手進場，改善鑿巖車工作后的施工環境。

自行式液壓仰拱棧橋提供輔助作用，它采用機電一體化設計，能自動行走，為仰拱施工提供了小型流水作業工作面，滿足隧道仰拱混凝土整幅澆筑一次成型和快速施工的需求，保證仰拱施工的整體性，確保施工質量。

防水板臺車完成防水板施工后可兼作隧道鋼筋網施工平臺進行鋼筋網施工，極大地減少了人工勞動強度、提高了施工效率，掛設防水板速度也得到較大提高。二襯臺車及時跟進，保證施工質量；同時，使用完善的監控管理系統，時刻對隧道內有害氣體的含量進行監測，對存在地質隱患段進行24h監控，進一步提高隧道信息化施工程度，為施工人員的安全提供保障。

單頭快速掘進技術適用于長度大于3km，且地質情況復雜，對施工質量和進度有一定要求的隧道。

2.2 施工工藝流程

單頭快速掘進技術的工藝流程如圖1所示。

圖2 單頭快速掘進施工現場測量放樣圖

3 單頭快速掘進施工技術實施方法

3.1 測量放樣（圖2）

采用萊卡全站儀TPS1201（精度1″）進行測量放線，測量前視人員利用鑿巖臺車中間的云梯臺架[2]，用紅油漆畫出周邊眼孔位，具體需注意以下幾點：

① 測量按照輪廓線程序將開挖的周邊眼孔位畫出，整體孔位應呈一條圓滑的弧線；

②輔助眼也要在放樣周邊眼的同時用固定尺 （按照爆破設計的固定間距）將輔助眼輪廓線也畫出，炮眼間距60cm；

③為控制周邊眼鉆進角度和坡度兩個重點方面，應由掌子面向后方畫出5條坡度控制線（中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條），同時在下方放出中心位置；

④掌子面的掏槽眼、擴大眼、抬炮眼等由現場技術員在臺車定位后，根據測量放樣的中心線和高度嚴格布孔，布孔必須標準，嚴禁未布孔開鉆施工；

⑤超欠挖應在每一循環進行測量，并在巖面標出超欠挖值。欠挖部位要及時和班組、帶班溝通交底，當班處理；測量隊要在下一次放樣時復測后方的欠挖處理情況。

3.2 單頭快速掘進施工技術

3.2.1 三臂鑿巖臺車操作（圖3）

圖3 鑿巖臺車鉆孔步驟示意圖

工作前檢查泵、空壓機，并檢查管路、接頭等有無漏油、漏水和漏氣等現象。確定各部操作桿、控制裝置及儀表處于正常。準備行走時需要降下升降平臺，倒回滑動工作臺，縮回臂架，將導桿擺成水平，鑿巖機保持在始動位置，縮回支腿方能行走。臺車行走前，應查看場地周圍，確認前后左右無人及障礙物后，再按照引導人員的指示信號作業，不可誤觸操作桿。

行走要平穩，避免緊急操作發生意外事故，特別在上下坡時應特別注意。由于臺車的機體很長，轉向時機體的前端與尾端擺動較大，操作時要特別慎重。液壓油溫應保持在30℃～70℃范圍，超過70℃時，應立即停止行走。進入鑿巖作業之前，應清除作業面上的危石。連接水管前，先用壓縮空氣排除管內的塵埃。將絕緣的電纜線準確地接在供電裝置上。在鑿巖作業和升降平臺作業時，必須先張開支腿，方可進行鑿巖作業和升降平臺作業。嚴禁移動機體，否則將損傷臂和導桿。

若臂需移位時，必須先退回導桿，使頂點離開工作面，注意臂不要相互碰撞，撞壞油管。移動臂時，不可讓軟管絆繞。操作升降平臺時，一定要用手勢或信號提醒下方作業人員注意，隨時查看下方的臂與導桿的位置是否正確。運轉中，因導管、軟管、液壓部件等損傷引起漏油時，應立即停止發動機。停放時，應將導桿和臂根據行走狀態擺成水平位置，各操作桿置于中位，停止發動機[3]。

噴射時首先伸展機械手大臂調整噴頭在邊墻底部施噴位置，使用機械手小臂自動平行功能調整小臂與地面水平，與隧道邊墻平行，調整噴頭距離、角度，完成上述工作后即可開始噴射。噴射中盡量不要再調整噴頭距離、角度及機械手大臂，僅需使用自動伸縮功能控制噴頭在小臂上自動伸縮，從一端緩慢運行到另一端來回2～3次可完成一遍噴射；然后伸展大臂30cm左右（在拱部根據隧道輪廓小臂做適當翻轉），大臂做垂直、水平移動，確保噴頭與巖面的角度和距離，按上述順序噴射下一部位，如此循環完成需噴混凝土的噴面。噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動等對噴射混凝土質量、回彈有較大影響，機械手濕噴混凝土作業時應嚴格控制。

圖4 自行式液壓仰拱棧橋現場施工圖

3.2.3 自行式液壓仰拱棧橋操作

棧橋安裝就緒后，前后頂升油缸工作，使前、后車輪離開鋼軌約50mm，且前后支腿著地。檢查前、后坡橋、過渡橋板是否墊實。允許各種車輛通行，準備橋下仰拱作業。仰拱與回填施工結束，通過提升倒鏈葫蘆，提起前后坡橋。前后頂升油缸工作，使前、后車輪支撐于鋼軌、前后支柱離地不小于100mm。檢查電器系統是否完好，啟動行走電機，帶動棧橋向前移動到下一工位。檢查各部無誤后，完成棧橋準備工作。棧橋組裝完成后，應檢查各部連接螺栓是否擰緊。車輛通行前，檢查各支腿、前后坡橋、過渡橋板是否支撐牢固、落實。棧橋應有照明，以不影響司機視線為主，通行時應限速，不得超過5km/h，并在上橋前鳴笛。棧橋上應有安全標識和警示燈，棧橋自行前，檢查支腿、前后坡橋是否收起，軌道間距是否標準，有無其它障礙物。棧橋自行時，橋下和兩側不得有人，棧橋上一次只允許一輛重車通過 （圖4）。

3.2.4 防水板臺車操作規程

固定防水板時，視初期支護面的平整度將防水板預留一定的富余量，以防過緊而被混凝土擠破。為使防水板接頭焊接良好，防水板每環鋪設長度應比襯砌長度長2.0m，以保證有足夠的預留搭接長度。防水板鋪設好后，安排好工序銜接，盡快綁扎鋼筋灌注混凝土。軟弱圍巖地段襯砌緊跟開挖面時，襯砌端部預留防水板接頭須采取防護措施，防止掌子面爆破時，飛石砸破防水板。襯砌加強鋼筋安裝、各種預埋件設置、擋頭模板安裝，以及泵送混凝土振搗等工序作業中要防止破壞防水板。

4 實施效果

城開特長隧道使用這套單頭快速掘進設備進行施工取得了良好的應用效果。從施工人數上看，它大大減少了隧道掌子面施工人數以及防水板臺車掛設防水板工人的勞動強度；從隧道施工環境上看，它改善了洞內的作業環境，降低了噪音污染、粉塵污染等，提高了安全保障，直接減少了職業病的產生，體現了人性化施工的理念；從施工質量上看，車載式濕噴機械手能保證混凝土密實度，施工質量得到了有效提高。二襯臺車能保證二襯混凝土施工的密實度，拱頂預留注漿孔，可進行帶模注漿，在過程中防范拱頂空洞這一質量通病，保證施工質量；從信息化上看，這套掘進設備的監控系統配置完善，可以24h對隧道進行監測，保證發現問題即可迅速解決，也為施工人員的安全加上一道保險[4]。

5 結語

城開特長隧道采用的單頭快速掘進施工技術極大地改善了洞內施工環境，降低了噪聲、粉塵污染，為工人的健康提供了保障。它對于類似的特長公路隧道快速施工、提高施工的安全性、降低事故率有較大的參考意義，具有很大的推廣價值。

未來公路特長隧道施工必將是高速公路修建面臨的重大問題，單頭快速掘進設備正是對現有公路隧道掘進設備技術的一次完善，也為未來特長隧道施工提供了案例示范。本次城開特長隧道使用的單頭快速掘進設備是實際工程中的進一步驗證，具有一定的前瞻性和趨向性，推廣前景好。