成套施工設備在改擴建隧道中的應用

宋 建，楊家財

(廣西桂鹿高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

我國已步入交通強國時代，公路建設里程不斷增加，隧道施工機械化程度越來越高。為實現機械化減人，智能化換人，降低勞動人員作業強度，改善施工現場環境，確保工程質量，縮短各工序時間，確保施工進度，保障施工安全的目標，吳家屯隧道推廣成套施工設備，打造隧道作業流水線。

1 工程概況

吳家屯隧道是同向行車的雙洞四車道高速公路隧道，位于桂林市永福縣廣福鄉吳家屯境內，為桂林至柳州高速公路改擴建控制性工程。該隧道為分離式隧道，其改擴建方案為：老線改為右幅，左幅為新建。本隧道位于新建段，隧道長2 520 m，凈空為(寬×高)11 m×5 m，設計最大埋深為251 m。該隧道Ⅴ級圍巖段約占49.7%，Ⅳ級圍巖約占50.3%。本隧道建設工期為自開工日起22個月，建成后將交通轉換到左線，再施工右線工程。隧道施工進度不僅影響隧道工程工期，同時也制約整個項目工期。

2 項目背景

桂林至柳州高速公路改擴建工程是交通運輸部批準的“廣西交通強國建設試點項目”，項目的目標是“重塑廣西第一路”，爭創國家級優質工程和山嶺重丘區高速公路改擴建示范工程，打造精品工程、和諧工程、平安工程和廉潔工程。路線全長約100.914 km，其中利用老路92.138 km，占比91.3%，新建線路8.776 km。項目主要以兩側直接拼接為主，局部單側拼接或分離為輔的方式進行改擴建。設計時速為120 km/h。整體式路基寬度為41.0～42.0 m。

為進一步落實廣西交通投資集團有限公司高速公路質量管理目標，推廣先進的施工設備和工法，全面提升高速公路品質工程建設，吳家屯隧道全面落實機械化施工要求。

3 隧道成套設備施工

吳家屯隧道堅持“以工裝保工藝，以工藝保質量”的質量管理方針，以首件工程標準化為抓手，以“機械化、專業化、信息化”為支撐手段，推廣隧道成套施工設備，使現場變為工廠。

鋼筋加工廠建設標配設備：龍門吊/桁吊、鋼筋網排焊機、聯合沖剪機、數控冷彎成型機、等離子切割機、小導管剪頭機、數控小導管沖孔機、二保焊機等。

超前預報設備：液壓履帶式多功能超前鉆機(C6)等。

開挖設備：多臂鑿巖臺車、空壓機組等。

初期支護設備：濕噴機械手、多功能拱架安裝臺車、液壓錨桿機等。

二襯及仰拱設備：自行式液壓移動棧橋(配備仰拱弧形模板和中心排水溝整體模板)、半自動防水板鋪掛臺車、防水板電磁波焊機、自動化分層澆筑襯砌臺車(配備分層澆筑布料機、鋼端模或高分子端模)、自行式襯砌養護臺車、電纜溝槽模板臺車、隧道邊墻鑿毛機等。

安全文明施工配備：隧道通風機、除塵霧炮機、清掃車、接送車、隧道逃生管道等。

3.1 鋼筋加工場

智能鋼筋網焊接機器人可實現自動上料、下料、切割和自動焊接等功能，每日生產鋼筋網片達1 000片以上；數控鋼筋彎曲機可實現自動上料、下料、切割、自動彎曲等功能。以上智能、數控生產設備的投入，大幅減少了操作工人數量，有效避免了人為操作帶來的不可控因素，質量、安全管理水平提升顯著，鋼筋加工廠智能化、機械化生產得到全面提升。

3.2 洞身開挖

近年來，隨著對工程安全、環保、質量、文明施工的高度重視，傳統風鉆開挖和其他一般開挖方式已無法滿足標準化施工工藝要求。三臂鑿巖臺車無須人工和其他測量設備布設隧道周邊輪廓及炮孔，大大縮短施工準備時間。其既能自動完成爆破孔、錨桿孔、灌漿孔的自動定位、鉆眼、反饋、調整等功能，也可完成裝藥、錨桿安裝、灌漿、風管安裝等高空作業，鉆孔精度高，可提高鉆孔質量和炮孔利用率，超欠挖控制精準，提升光面爆破效果。

三臂鑿巖臺車主要由底盤系統、液壓系統、電器系統、供水系統、供氣系統、駕駛室、電腦控制系統、鉆臂、推進梁、液壓鑿巖機、輔助臂組成。設備底盤采用四輪驅動系統，具有爬坡能力強、行駛機動靈活、地形適應能力強等特點。駕駛室為全封閉機構，可自由升降，配冷暖空調和雙層隔音玻璃，減少噪音和粉塵傷害，配置自診斷系統和語音報警系統，可對全車狀態進行監控和故障診斷，方便操作人員快速排除故障。配備全電腦控制系統，具有鉆孔自動控制、鉆臂自動控制、自動防卡釬、同步測量等功能，精確控制鉆孔定位、角度和深度。三臂鑿巖臺車配有三只鉆臂，大臂可以俯仰角度為正60°至負30°，擺動角度為左右45°。伸縮臂作業長度為2.5 m，寬度為16 m，高度為11 m，最大覆蓋面積可達154 m2。該設備一次定位可滿足全斷面施工要求，鑿巖硬度高，鉆孔速度快，性能穩定可靠，確保最佳鉆進速率，并配備自動防卡釬裝置，減少鉆具磨損，降低配件消耗，且擺動臂平臺具有自平衡功能，作業范圍大。

該設備采用軟件繪制鉆孔參數規劃圖，并借由移動存儲設備導入電腦，設備就位，撐起支腿，全站儀定位測量，通過激光導向裝置和鑿巖臺車左右兩側的傳感棱鏡，準確測得設備坐標參數，將測量結果輸入車載電腦，確定整機在隧道斷面的相對位置，依據掌子面當前的狀況選擇手動模式、半自動模式和全自動模式三種操作模式：(1)手動模式，在特殊工況下，操作手可通過肉眼觀察鉆臂位置，手動調整鉆臂角度，進行鉆孔作業；(2)半自動模式，在數據輸入電腦后，操作手通過電腦屏幕的實時顯示，移動操縱桿，使屏幕中鉆臂的投影線條與預設布控線條相吻合，確認位置后，設備開始自動鉆孔；(3)全自動模式，操作員向電腦錄入測量坐標，由電腦控制設備按照預設方案自動校準和鉆進。

全電腦液壓三臂鑿巖臺車成功應用于吳家屯隧道，憑借其智能、高效、經濟、穩定的技術特點，使施工效率明顯提升。其以電腦自動控制代替人工操作，減少對操作手經驗的過度依賴，降低工人勞動強度，改善現場環境，有效地縮短了工序時間，大幅提高了開挖進度，隧道界面輪廓成型效果好，超欠挖量小，降低了初期支護成本。該臺車操作人員距掌子面13 m，提高了操作人員的安全系數，鉆進過程中噪音小，能減少噪音對作業人員的影響，可記錄施工數據，為優化爆破方案和后續工序提供信息反饋。

3.3 噴射混凝土

隧道開挖后應及時初噴。噴錨支護必須緊跟開挖工作面，應先噴后錨，噴射作業應有人隨時觀察圍巖變化情況。隧道施工存在安全隱患最大的部位為開挖后未進行支護封閉的圍巖，普通濕噴機械需要人員較多，且在圍巖下面進行作業存在較大的安全隱患。而濕噴機械手操作人員可在已完成初支且遠離掌子面10 m的地方對機械臂進行遙控操作，降低了施工安全風險，避免塌方對人員和機械的安全威脅，使作業安全性能大大提高。

濕噴機械手的工作效率是普通濕噴機的4倍左右，有效提升了噴射效率和質量。其噴射混凝土結構密實，降低施工成本，回彈量少，可縮短施工時間，使巖面快速封閉成環，改善圍巖結構受力，增強圍巖自身穩定性。機械臂操控可使距離及角度控制精準，采用預拌混凝土，噴射機具有穩定的風壓和空壓，能使噴射的混凝土密實均勻，無空洞。

濕噴機械手實現了機械化減人、智能化換人的目的，減少了粉塵的產生，改善了現場施工環境，提高了工效，降低了工人勞動強度，減少了材料浪費。

噴射前應清除松動巖塊，清洗巖壁面粉塵，清除邊角處的巖屑、雜物等。有滲水時，須引排處理。局部水量較大時，采用鑿槽埋管將水引導疏出后再噴射混凝土。通過埋設標志控制噴射混凝土的厚度，確保厚度滿足設計要求。噴射混凝土混合料應隨拌隨噴，回彈物不得重新用作噴射混凝土材料。首層噴混凝土時，要著重填平補齊，將小的凹坑噴圓順，后一層應在前一層混凝土終凝后進行。為了防止后續的防水卷材破損，噴射應使圍巖的凹凸處完全被覆蓋。

3.4 錨桿作業

錨桿施工宜在初噴后及時進行，所有錨桿都必須安裝墊板，墊板需與噴射混凝土緊密接觸，錨桿施作位置用紅漆進行標識。

液壓錨桿鉆機能多角度旋轉鉆孔，錨桿鉆孔精準，安裝方便，能有效避免人員處在未支護的開挖面下作業，提高工人的安全系數。

3.5 拱架安裝

鋼架分節段制作，型鋼鋼架宜采用冷彎法制作成型，鋼架節段可采用工廠化加工制作。拱架接頭鋼板厚度及螺栓規格必須符合設計要求，螺栓孔采用機械鉆孔，孔口采用砂輪機清除毛刺和鋼渣，每榀之間可以轉換。鋼架基礎應置于牢固密實的地基上，腳底超挖、拱腳高程不足時應用噴射混凝土填充。

多功能拱架安裝臺車施工不再借助簡易臺架，施工便捷，減少人員投入，勞動強度低，機械配套施工更加高效，施工安全可靠，定位精準。

3.6 仰拱棧橋

隧道仰拱應及時施工，整斷面一次成型，使支護結構早閉合，改善圍巖受力狀況，控制圍巖變形，保障施工安全。超挖在允許范圍內采用與襯砌同強度等級混凝土澆筑回填；大于規定時，應按設計要求回填，不得用洞渣隨意回填，嚴禁侵入襯砌斷面。

隨著隧道技術的不斷提高，仰拱施工成為相對滯后的施工環節。自行式全液壓移動式棧橋能實現橋上通行、橋下施工互不干擾，使仰拱和仰拱填充的澆筑更加快捷。施工車輛可在棧橋上正常行駛而不影響前方開挖支護作業，橋下可正常進行仰拱的襯砌，鋼筋綁扎、仰拱填充、隧道出渣也可正常作業。仰拱初支和填充依次成型，減少了施工縫。

可調式自動升降液壓系統能滿足不同條件下隧道施工需求，配套仰拱水溝模板、兩側邊部和端頭弧形模板，有效提升了隧道機械化施工水平。該棧橋可依次進行仰拱和仰拱填充的澆筑，在完成仰拱襯砌后，模板前移，在澆筑完第二模后，澆筑第一模的仰拱填充，并且不影響前面開挖、出渣工作，可有效疊加工序，加快施工進度。

自行式全液壓移動式棧橋主要由行走系統、支撐結構、主橋、坡道、滑移小車等部分組成。全橋長30 m，工作長度為18 m，行車寬度為3.5 m，荷載為50 t。棧橋移動、作業采用液壓系統驅動，可以自由前行和左右移動。棧橋采用模塊化拼裝式結構，自身結構合理，重量輕便穩定，增加了棧橋的承載能力，有效拓展了隧道施工空間，使整個施工面可以平行開展，是隧道安全、快速施工的保證。

3.7 防排水作業

防水層在初期支護基本穩定時施工。初期支護表面應平整，無空鼓、裂縫、松酥。對于初支表面外露的錨桿頭、鋼筋頭等堅硬物采用電焊或氧焊齊根切除，并用1∶2水泥砂漿抹平，防止頂破排水板；對局部凹凸部分，應修鑿、噴補，使其表面平順；對超挖較大的部位必須掛網噴錨。

防水板施工采用防水板鋪掛臺車安裝。該臺車就位前仔細檢查初期支護有無空洞，斷面范圍內是否有各類凸起物，通過激光三維掃描儀檢查斷面是否侵線，各類預埋件是否準確，檢驗均合格后方可進行防水層施工。土工布和熱熔墊片使用紅外線激光定位，射釘槍固定。熱熔墊片使用紅外線激光定位，防水板鋪設和安裝自動卷放，從一側邊墻底部向對側邊墻的順序進行展鋪。防水板和熱熔墊片使用超聲波焊機進行焊接，搭接采用爬焊機焊接。利用鋪掛臺車可將防水板幅寬增加為7 m，有效減少焊縫，提高施工效率，降低勞動強度。

縱向止水帶卡具主要由緊線器、止水帶夾緊裝置、卡槽、可調定位裝置組成。緊線器拉直縱向止水帶，安裝止水帶夾緊裝置，夾緊卡槽托架與仰拱邊墻模板連接。基底處理后鋪設土工布，防水板、背貼式止水帶，安裝加固仰拱下端模、中埋式環向止水帶和仰拱上端模。

3.8 襯砌作業

鋼筋集中加工、統一配送，鋼筋制作必須按設計輪廓進行大樣定位。鋼筋安裝采用鋼筋臺車，每2 m一個單元，鋼筋保護層應全部采用高強砂漿墊塊來控制，能有效控制鋼筋間距、位置及保護層厚度。

二襯混凝土施工在周邊位移、拱頂下沉速率和總位移等方面滿足規范要求，初期支護和圍巖變形基本穩定，錨桿拉拔試驗和注漿飽和度檢查合格后方可進行。二襯施工前須對初期支護斷面進行激光測量，對不符合要求的應進行處理。二襯距離掌子面的距離控制在安全步距范圍內，各類洞室預埋件位置經檢查均符合要求后方可進行施工。混凝土錯縫控制在2 mm內，臺車模板與混凝土搭接應加固封堵，防止滲漏漿。已完成的襯砌地段，應繼續觀察二襯的穩定性，注意變形、開裂、侵入凈空等現象，并及時記錄。

為了確保混凝土外觀質量，吳家屯隧道二襯臺車鋼板采用10 mm鋼板加2 mm不銹鋼板壓制而成，以確保澆筑的混凝土潔凈光亮。二襯臺車按照模板準入制驗收合格后拼裝，現場拼裝完成后，在軌道上往返行走3～5次后再次緊固螺栓，并對部分連接部位加強焊接以提高其整體性。每施作襯砌500～600 m，臺車應全面校驗一次。校驗可在隧道加寬帶進行。

混凝土澆筑前需清理基底的雜物并沖洗干凈，模板應打磨干凈并均勻涂刷脫模劑，泵送前用水泥砂漿潤滑管道。采用滑槽逐窗入模澆筑技術，混凝土通過地泵的泵管泵入頂平臺主料斗，再進入滑槽，三通分流。通過調節三通分流槽擋板控制混凝土流向分流串筒，經分滑槽導流至一級工作窗口，關閉分滑槽串筒流向一級分滑槽方向擋板，導流混凝土至二級工作窗口，最后到三級窗口，更換泵管，進行沖頂施工。混凝土應對稱均勻澆筑，左右高差和水平分層不超過50 cm，邊墻和拱腳采用插入式振搗器進行振搗，時間控制在20 s左右，拱頂采用附著式振搗器進行振搗，時間控制在40 s左右，防止過振或漏振。

3.9 襯砌養護

隧道養護采用二襯噴淋養護臺車，以降低水化熱，保護混凝土養護質量。洞口100 m養護期≥14 d，洞身養護期≥7 d，對已貫通的隧道二襯養護期≥14 d。普通二襯混凝土養護采用高壓水噴淋存在養護不均勻、不到位等問題，因而在噴淋養護臺車外側沿著隧道輪廓布設噴淋系統，水霧均勻噴灑到二襯表面，可以沿著軌道移動。根據施工規范要求，定期進行養護，確保二襯混凝土養護質量。對比普通的養護方式，養生均勻到位，有效減少了混凝土收縮裂縫和裂紋，提高了混凝土耐久性。另外可有效降塵，凈化隧道空氣，改善隧道施工環境。

3.10 溝槽作業

采用軌行式液壓水溝電纜槽臺車進行水溝電纜槽施工。

傳統鋼模每次施工都需要將每個鋼板拼接，施工工序多、耗時長、溝槽成品整體性差。水溝電纜槽臺車實現液壓系統自動定位、模架整體走行，溝槽一次成型，提高了水溝施工質量和工效，比傳統作業節省時間60%以上，且交叉作業干擾小、使用壽命長，優勢明顯。

4 結語

在桂林至柳州改擴建高速公路爭創百年品質工程和山嶺重丘區示范工程中的吳家屯隧道使用成套施工機械設備，極大減輕了工人勞動強度，改善了作業環境，減少了人員安全隱患，工程質量和進度得到極大提升。成套施工機械設備將在項目其他隧道推廣使用。