上臺階無預留核心土鉆爆法機械集群隧道施工技術探究

何世榮 雒建奎 駱維斌

（1甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅省隧道工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730030）

隨著盾構掘進機械技術的發展，現代公路山嶺隧道施工多采取機械集群隧道掘進筑建施工技術。應用大型高效的盾構掘進機械，采取工序科學儉省、人機配置合理、作業環境寬敞、通風條件好、工人勞動強度和勞動環境大幅改善的施工組織和技術模式，對保證施工質量和施工安全，盡可能降低工程成本，有重要意義。本研究基于工程案例對上臺階無預留核心土鉆爆法機械集群隧道施工技術開展梳理探究。

1 案例概況

案例系高速公路G316線長樂至同仁公路和省級高速S10 線的重要組成路段，區段全長4.465km，合同工期42個月，合同總價63575.97萬元。主要工程量為兩當特長隧道的左線，全長2050m，其中路基工程挖方34606m3，填方7621m3，砼擋墻13109m3，錨桿框格梁護面966m3，1-13m預應力小橋一座；清單總價33314.51萬元。

隧道洞身部分的圍巖深度在45～273m，洞身穿過新近系的松疏礫砂巖、三疊系的炭質板巖、千枚巖及板巖夾灰巖，二者呈現非整合型觸接。新近系礫砂巖呈紅褐色，狀態緩平，多夾雜土質礫砂巖，巖體屬極軟巖～軟巖，泥土質膠結較弱，狀態相對完整，遇水易崩解。存在板巖下伏，巖層屬三疊系，褶皺發育，層厚變化大，巖體較破碎，節理裂紋發育，圍巖等級屬V級。開挖后圍巖局部位置夾塊狀板巖、千枚巖、碳質泥巖，層理明顯，洞身穿越底層多為碳質泥巖，呈不整合接觸面，薄層～中厚層狀構造，節理裂隙發育，層間結合疏松、表面光滑，巖質偏軟且脆，泥質弱膠結，遇水易軟化；抗風化能力差，抗壓強度低，成洞性能和圍巖穩定性較差，開挖后拱腰至拱頂滑層明顯，片幫掉塊嚴重。案例隧道施工段V級圍巖4557m，占54.3%，IV級圍巖3880m，占45.7%。

采取無預留上臺階核心土鉆爆方式施工。案例隧道的襯砌支護參數見表1所示。

表1 案例隧道襯砌支護設計參數表

2 鉆爆法機械集群隧道施工技術述要

2.1 施工組織模式

鉆爆法機械集群隧道施工組織模式系列見圖1所示。

圖1 機械集群隧道施工組織模式系列圖

案例施工應用的大型機械配套設備以鑿巖雙臂臺車、多功能作業臺架、濕噴臺車、挖裝機、裝載機等為主，系統形成超前支護、噴錨支護、鉆爆、裝運等有機配合機械作業線，科學搭配管理，加強設備管、養、修、用制度，以實現快速、安全、有質量的施工操作目的。成立隧道機械化施工處，建立健全組織機構，下設隧道施工班組，由項目部統一管理。

2.2 主要機械設備配置

意大利卡薩格蘭地C6多功能鉆機，瑞典阿特拉斯-科普柯L2D雙臂液壓鑿巖臺車，芬蘭挪曼爾特（NORMET）電-液控濕噴臺車，集團及公司自主研發隧道多功能拱架安裝施工臺架及自行式移動液壓二襯模板臺車，電焊機、潮噴機等常規隧道施工小型設備機具。

2.3 工程管理及操作人員配置

根據機械配置及各作業面施工情況，人員配置以滿足施工需求為宜，施工中進行優化調整，同時考慮長遠性和可持續性人員培養。具體配置如下：1）班組總負責及項目副經理1名，負責班組施工總體規劃、統籌、安排和協調。2）機械設備負責人1名，負責機械設備的施工管理、維修、協調與調度。3）現場負責人1名，負責現場的施工管理工作。4）現場技術員2名，負責現場具體的施工管理工作。5）設備維修人員1名，負責鑿巖臺車、濕噴臺車及小型機具設備的日常維修、保養，兼鉆爆開挖技術指導。6）鑿巖雙臂臺車配備班長1名，操作人員3名，鉆爆工人4名。負責隧道上臺階鉆爆開挖與系統錨桿、超前小導管及鎖腳錨管的鉆眼及施工作業內容。施工過程中班長及臺車操作人員配合鉆爆工人清孔、裝藥，協助掌握鉆爆開挖基本技能。7）濕噴臺車配備噴錨操作手2名，熟練濕噴操作手1名，負責上臺階初襯噴射砼施工作業及濕噴臺車日常維修保養工作，配備工人2名，負責砼卸料、清理拱架砼及日常雜活。其中1名為熟練潮噴操作手，具備潮噴找平操作水平，必要時進行潮噴找平工作。8）上臺階支護班配備多功能施工臺架操作手1名，負責臺架具體操作與臺架日常維修保養工作，工人6名，負責上臺階拱架、縱向鋼筋、鋼筋網片安裝與焊接。9）下臺階開挖班配備鉆爆開挖工人4名，負責下臺階及仰拱鉆爆開挖，下臺階鎖腳錨管施工。10）下臺階支護班配備噴錨操作手2名，工人2名，負責拱架、縱向連接鋼筋、鋼筋網片安裝與焊接，潮噴砼施工作業。

3 機械化集群施工功效分析

3.1 鑿巖臺車施工與傳統氣腿式鑿巖機施工

1）鉆孔效率高。鑿巖雙臂臺車配備有22kW鉆進鑿巖機，鉆孔深度2.5m，可達到2.5m/min進鉆速率。臺車亦配有多功能框架式可升降作業臂，方便進行“找項”、測量及放置炸藥等操作。臺車的支護錨桿操作方便快捷。鑿巖雙臂臺車只需2h左右即可完成一個鉆爆循環，相比傳統氣腿式鑿巖機施工節約近1.5h。上臺階鉆爆、系統錨桿、超前小導管、鎖腳錨管鉆眼施工每循環作業（2X0.8m）鑿巖臺車耗時3-4小時，傳統人工施工耗時4.5-5.5小時，鑿巖臺車比傳統人工施工節約1.5小時，隧道開挖施工進度大大提高，進度優勢較為明顯。

2）作業環境好，勞動強度低，安全系數高。傳統風鉆為手持工作，屬高強度勞動，鑿巖臺車運用按鈕操作，工作強度小。鑿巖雙臂臺車以電能為動力，相對傳統開挖作業，大幅降低作業面環境空間的空氣污染。電能動力、液壓傳動對周邊幾乎無污染，且鉆孔中自帶的高壓水沖洗功能使其不產生粉塵污染。作業噪聲控制在90分貝內，極大控制了作業面噪聲污染。只需4名操作手就可控制駕駛鑿巖雙臂臺車開展作業，操作臺與掌子面間的距離達10米以上，且操作臺配置安全防護頂棚，方便操作手對圍巖作業面的觀察，一旦發生險情便于操作手快速撤離。采用鑿巖臺車鉆爆開挖、超前小導管及系統錨桿鉆孔施工，減少洞內作業人員，降低安全風險。同時，鑿巖臺車最大臂展長度可達7.1m，避免和減少操作人員長期親臨掌子面、臨空面時間，減少傳統人工鉆孔掌子面圍巖掉塊造成的人員傷害機率，施工相對安全。

3.2 電-液控濕噴臺車用于隧道噴射砼施工

1）節省人工。傳統潮噴施工配備工人4～5名，濕噴配備操作員及工人3～4名。

2）施工進度。挪曼爾特電-液控濕噴臺車用于隧道噴射砼施工時，回彈量較傳統潮噴減少，統計數據顯示，濕噴工藝超挖+回彈量為55%～60%，傳統潮噴工藝超挖+回彈量為60%～70%；速凝劑摻量根據噴射部位可靈活調整，計量準確，效率高，濕噴臺車正常每小時可完成15～20m3砼噴射作業，與傳統潮噴相比，縮短循環耗時。上臺階初期支護噴射砼施工每循環作業（2X0.8m）濕噴臺車耗時2-2.5小時，傳統人工施工耗時2.5-3小時，濕噴臺車比傳統人工施工節約0.5小時。

3）施工質量。潮噴是按設計比例將速凝劑、水泥和骨料干拌均勻，借助壓送設備在軟管內使干集料以懸浮狀態被壓送至噴頭，跟高壓水相混合，再高速噴射至目標巖面。潮噴處理方式下控制水灰比相對困難，水泥的水化反應狀態亦不夠充分，所得混凝土強度難以達到工程要求。濕噴是按設計比例把水泥、水和骨料拌和均勻，借助濕式噴射設備高壓輸送至可加添速凝劑的噴頭噴出，水泥可充分獲得水化反應，所得混凝土強度相對較高。成型砼密實，初襯拱部較大超挖部分均能噴實，降低和避免了初襯背后空腔形成機率。統計數據顯示，濕噴砼強度高于潮噴1～2MPa，隨機抽取的20組噴射砼28d抗壓強度濕噴砼為27.1MPa，潮噴砼25.8MPa。濕噴臺車每小時可噴射砼15-20m3，潮噴機每小時噴射砼5m3，濕噴臺車的噴射壓力最小需8MPa，而潮噴機只需5MPa，通過實體鉆芯取樣，濕噴芯樣較潮噴密實。

4）施工安全。采用濕噴工藝施工，濕噴操作人員距掌子面5～20米操作范圍進行濕噴，操作人員位于成型初襯區域內，將濕噴臺車前臂伸展至作業范圍，圍巖狀況不理想時可降低人員意外傷害幾率。遇隧道突發事件時，機械施工搶險優勢明顯，大大降低安全風險。兩當隧道進口端左右線圍巖級別為V級，設計說明地層為疏松砂礫巖夾泥質砂巖，節理裂隙發育，巖體破碎，泥質弱膠結，屬極軟巖，成洞性及自穩性較差；施工過程隧道穿越地層為泥巖、砂巖與千枚巖、碳質板巖變余結構層，圍巖軟硬不均，滑面、滑層、斷層明顯，圍巖節理裂隙面均含碳質成分，表面極其光滑，施工過程滑層掉塊時有發生，掌子面及拱頂多次出現小型塌方，濕噴臺車封閉掌子面圍巖及通過濕噴回填塌方空腔，鑿巖臺車施作超前小導管搶塌方及處理塌方段時，優勢尤為明顯。搶塌方和塌方段處理過程，設備置于安全地帶完成作業，減少了人員長期親臨危險地帶，大大降低隧道施工安全風險。濕噴機工作時自帶空壓機，無需管道送風，節省洞外空壓機工作臺數，節約用電。

3.3 意大利卡薩格蘭地C6多功能鉆機的使用

1）超前地質預報。鉆孔深度可達20m以上，鉆孔速度快，功效高，提取鉆孔芯樣簡單方便。

2）深孔、大孔徑鉆進速度快，成孔率高，鉆孔深度可達20～40m，28m深孔管棚鉆孔作業2～3小時可完成，施工進度得到有效保障。

3）作業過程機動靈活，角度及高低可調整，提高了鉆孔的工作效率，保證了管棚施工成孔率和角度，施工質量大幅度提高。

3.4 自行式移動液壓二襯模板臺車的應用

自行式移動液壓模板臺車是路橋集團及公司自主研發的自有設備，其優點有：采用全液壓控制，具備上、下、左、右調整功能，行走采用電控系統，臺車就位時間短，操作簡單，可提高工作效率，加快施工進度，且曲墻一次落地，保證了施工質量。

3.5 多功能拱架安裝施工臺架的應用

1）安全省力。臺架具備兩套垂直及一套水平運輸系統，第一套垂直運輸系統能將拱架垂直運輸至臺架頂面，通過水平運輸系統將拱架運送至隧道掌子面擬安裝位置，人工將拱架分段喂入第二套垂直舉升系統后，人工配合將兩側拱架滑落至拱腳，將第三段拱架喂入垂直舉升系統，舉升至要求高程位置進行拱架拼裝連接，最后人工調整拱架中線位置，整體舉升拱架后落入擬安裝位置。以上過程多功能臺架垂直、水平方向能任意調整，能將拱架前后拉緊與連接筋緊貼，做到安全、省力，但不節省人工，因與傳統施工臺架相比，上述過程安裝時間相差不大，且后續工序均由人工完成。

2）縮短拱架到場時間。根據施工工序，出渣完成后，挖機進行掌子面最后整修，整修完成后通過裝載機將傳統施工臺架就位。而采用多功能臺架施工，出渣完成后，裝載機可轉入拱架運輸，臺架自行就位，節約循環耗時20分鐘左右。

4 結語

本研究以案例工程應用技術總結的方式，對上臺階無預留核心土鉆爆法機械集群公路山嶺隧道施工技術及其功效展開探究，該技術的施工組織模式、主要機械設備和人員配置可為同類工程應用提供技術參考。機械化集群隧道作業施工較好實現了設計水灰比，加快了挖筑施工進度，保證了施工質量與安全，作業環境污染降低，體現了以人為本、綠色環保工程原則，具有工程應用意義。