基于潛孔鉆機(jī)、組合式棧橋的仰拱帶深埋水溝施工技術(shù)研究

錢富林

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隧道深埋水溝的設(shè)置作為一項(xiàng)新的技術(shù)，在國內(nèi)外已有一些相關(guān)研究:如趙俊杰[1]指出高寒地區(qū)的隧道防排水影響因素較多，解決諸多問題的技術(shù)還不夠成熟；沈文剛[2]強(qiáng)調(diào)做好嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水施工工作具有重要的意義；曹振興[3]指出隧道深埋水溝的應(yīng)用，隨著高鐵的迅猛發(fā)展將逐步登上隧道防水體系的舞臺，但在施工過程中增加了深埋水溝施工工序及深埋水溝受斷面限制開挖爆破施工難于控制，如何控制深埋水溝開挖超欠挖，開挖支護(hù)、埋管等作業(yè)與掌子面掘進(jìn)、支護(hù)同步平行作業(yè)成為急需解決的問題；魏奎斐等[4]指出深埋水溝開挖較深、斷面受限，圍巖擾動較大、超挖較大、危險(xiǎn)性高；趙巖[5]指出深埋水溝施工難度大、工序時(shí)間長，是制約隧道施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素。通過市場調(diào)查分析，深埋水溝開挖一般采取人工爆破形式，存在受深埋水溝斷面限制(一般為仰拱下深1.8 m、寬2 m)，爆破難度較大、超欠挖難于控制，本文成功應(yīng)用了潛孔鉆機(jī)的定向鉆孔爆破，較好地控制深埋水溝超欠挖；深埋水溝、仰拱施工基本采取自行式液壓棧橋施工，自行式液壓仰拱棧橋是目前隧道施工中的新型工裝[6]，具有前后、左右移動功能，但不具備上下移動功能，深埋水溝開挖、支護(hù)等工序施工時(shí)將嚴(yán)重影響隧道掘進(jìn)，為此研發(fā)了“隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋”[7]專利技術(shù)，利用長引橋自動升降功能，實(shí)現(xiàn)了深埋水溝及仰拱開挖、支護(hù)、澆筑混凝土等各道工序與隧道掘進(jìn)同步、平行、交叉施工，消除了制約因素，加快了施工進(jìn)度。

2 工程概況及難點(diǎn)分析

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-3標(biāo)段位于山西省晉中市榆社縣，累年極端最低氣溫-25.1℃，最冷月平均氣溫-11.9℃，凍土深度76 cm。標(biāo)段內(nèi)隧道全長15.127 km，隧道設(shè)計(jì)有3 km深埋中心水溝、1 km保溫中心水溝、11.127 km普通中心水溝。深埋水溝在仰拱初支底部，深度1.8 m，呈梯形，上口寬2 m、下口寬1.25 m，支護(hù)形式為:Ⅵ、Ⅴ級圍巖采取15 cm噴錨支護(hù)、18拱架、28 cm噴射混凝土支護(hù)形式，Ⅲ級圍巖無初期支護(hù)形式。施工期間，深埋中心水溝施作已成為重要施工環(huán)節(jié)，包含開挖、出碴、支護(hù)、埋管、防水、澆筑混凝土等多道施工工序，施工過程中存在阻斷交通的問題，對隧道掘進(jìn)施工產(chǎn)生較大影響，從而影響施工進(jìn)度。

加快深埋中心水溝施工進(jìn)度、減少中心水溝施工對仰拱施工進(jìn)度的制約，確保施工安全是工程施工的關(guān)鍵[8]。本文針對新建太焦鐵路榆社隧道設(shè)置深埋水溝施工過程中出現(xiàn)的難點(diǎn)進(jìn)行分析如下:

(1)深埋中心水溝設(shè)置在隧道仰拱基面以下，深度達(dá)到1.8 m，開挖爆破及控制超欠挖成為施工控制的難點(diǎn)技術(shù)。

(2)深埋中心水溝施工工序多，與掌子面掘進(jìn)、仰拱施工相互制約、影響，如何達(dá)到平行交叉作業(yè)成為施工組織急需解決的問題。

(3)采取常規(guī)的人工爆破作業(yè)、單施工環(huán)節(jié)組織施工等方法，存在爆破質(zhì)量難于控制，窩工現(xiàn)象比較嚴(yán)重，施工進(jìn)度緩慢。

3 總體方案

為解決以上問題，應(yīng)用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機(jī)進(jìn)行深埋水溝定向爆破代替人工爆破形式，提升開挖爆破質(zhì)量；加工制作19 m長引橋與自行式液壓棧橋組合，實(shí)現(xiàn)長引橋與自行式棧橋整體移動，長引橋液壓升降，達(dá)到隧道掘進(jìn)、深埋水溝、仰拱等施工平行、交叉作業(yè)的目的，縮短工序循環(huán)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度。

4 深埋水溝開挖施工

4.1 潛孔鉆機(jī)施工工藝原理

傳統(tǒng)鉆爆法開挖難度非常大，耗時(shí)較長，超欠挖較大[9]。因此應(yīng)用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機(jī)鉆孔，就是根據(jù)深埋水溝結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)整鉆孔角度，保證豎向鉆孔深度，避免了普通鉆機(jī)豎向高度不足需多次分層爆破的問題，同時(shí)滿足爆破結(jié)構(gòu)尺寸的要求。起爆順序?yàn)?中線孔不裝藥、不起爆，自中線向外一次起爆，達(dá)到爆破效果。

4.2 潛孔鉆機(jī)爆破施工技術(shù)要點(diǎn)

深埋水溝在仰拱底部向下為梯形槽，中線設(shè)間距50 cm一排縱向孔，一次性鉆至設(shè)計(jì)深度，不裝藥、不爆破，起到增加臨空面的作用，達(dá)到爆破效果。根據(jù)深埋水溝設(shè)計(jì)呈梯形的特點(diǎn)，鉆孔設(shè)計(jì)為:縱向沿中線間距50 cm鉆一排深度1.8 m孔，在中線兩側(cè)間距50 cm、1m各鉆一排傾角78°孔，距離中線50 cm孔深度為1.6 m、距離中線1 m孔深度1.8 m，中線縱向鉆一排間距50 cm孔(不裝藥、不起爆，起增加臨空面作用)起爆順序?yàn)?自中心向兩側(cè)起爆。布孔形式見圖1、圖2。

圖1 潛孔鉆機(jī)布孔斷面圖(單位:cm)

圖2 潛孔鉆機(jī)布孔平面圖(單位:cm)

4.3 效果分析

通過對隧道進(jìn)、出口采取人工爆破及潛孔鉆機(jī)爆破效果統(tǒng)計(jì)分析，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 超欠挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)表1，采用潛孔鉆機(jī)爆破比人工爆破平均節(jié)省時(shí)間28.6%，深埋水溝底部超挖減少62.5%，右側(cè)壁超挖減少42.9%，左側(cè)壁超挖減少37.5%，說明采取潛孔鉆機(jī)爆破施工深埋水溝取得了良好的效果。

5 自行式升降組合棧橋設(shè)計(jì)與施工

5.1 自行式升降組合棧橋設(shè)計(jì)

5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋就是在自行式棧橋前端加工、制作、安裝一副簡易長引橋，以實(shí)現(xiàn)深埋水溝施工與仰拱施工同步、交叉的目的。長引橋與自行式棧橋連為整體，隨自行式棧橋行走系統(tǒng)整體移動，長引橋增加電動升降系統(tǒng)，以自行式棧橋前端橫梁為支點(diǎn)上下旋轉(zhuǎn)，通過升降長引橋可實(shí)現(xiàn)引橋底部深埋水溝、仰拱初期支護(hù)施工，自行式棧橋底部進(jìn)行仰拱各項(xiàng)工序施工，消除相互間干擾，減少工序循環(huán)時(shí)間，達(dá)到加快施工的目的。自行式升降組合棧橋見圖3。

圖3 自行式升降組合棧橋示意

利用 45工字鋼或H型鋼自制長度19 m簡易棧橋，利用3 cm高強(qiáng)鋼板在自行式棧橋前橫梁及自制棧橋一段焊制旋轉(zhuǎn)軸，利用銷子穿接，實(shí)現(xiàn)以自行式棧橋前橫梁為支點(diǎn)，上下180°旋轉(zhuǎn)，為長引橋下部深埋水溝、仰拱初支施工提供了足夠的操作空間。

自行式棧橋前端兩側(cè)豎梁加高，安裝液壓拉伸系統(tǒng)，利用拉伸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長引橋斜向拉升至垂直高度5 m，以實(shí)現(xiàn)長引橋下機(jī)械施工。

組合式棧橋在長引橋拉升后隨自行式棧橋電動行走整體移動。

5.1.2 建模計(jì)算

建立模型計(jì)算油缸拉力(見圖4)。

圖4 計(jì)算模型

長引橋斜向拉力計(jì)算:長度19 m，起拉點(diǎn)距支點(diǎn)12 m，總重為10 t，旋轉(zhuǎn)提升高度1.8 m，建立單約束計(jì)算模型為:

因此，選擇斜向油缸拉力要按照斜向拉力的1.2倍配置，即1 580 kN。

5.2 自行式升降組合棧橋施工

5.2.1 仰拱、深埋水溝初期支護(hù)

對隧道工程施工進(jìn)行科學(xué)的組織設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的施工管理是非常重要的[10]。以太焦鐵路Ⅳ級圍巖施工為例，隧道仰拱及深埋水溝初期支護(hù)每個循環(huán)施作長度3 m，四個循環(huán)施作12 m后開始仰拱防排水、鋼筋、混凝土澆筑等工序施工。掌子面掘進(jìn)施工具備條件后升起組合棧橋長引橋，隨掌子面掘進(jìn)施工(鉆孔約3 h，裝藥約0.5 h，現(xiàn)場清理及準(zhǔn)備爆破約0.5 h)的同時(shí)在長引橋前端開挖仰拱，仰拱開挖每循環(huán)3 m，仰拱開挖爆破后，長引橋隨棧橋整體前移3 m，降下長引橋搭在未開挖仰拱頂面上進(jìn)行出碴作業(yè)，仰拱開挖及出碴時(shí)間約2.5 h。出碴完成后升起引橋，利用潛孔鉆機(jī)開挖深埋水溝，深埋水溝鉆孔爆破約1.5 h，爆破完成后降下長引橋，開始掌子面爆破作業(yè)。潛孔鉆機(jī)鉆孔及棧橋移動見圖5、圖 6。

圖5 潛孔鉆機(jī)鉆孔施工

圖6 組合棧橋移動就位

隧道掌子面爆破后首先進(jìn)行深埋水溝出碴(約0.5 h)，出碴完成后及時(shí)組織進(jìn)行仰拱初期支護(hù)、深埋水溝初期支護(hù)施工(約2 h)，同時(shí)進(jìn)行掌子面出碴(約2.5 h)。出碴完成后，掌子面開始初噴混凝土、打設(shè)錨桿、架設(shè)鋼拱架、安裝網(wǎng)片及連接鋼筋等，施工時(shí)間約5 h，復(fù)噴混凝土約3 h，同時(shí)可進(jìn)行一循環(huán)3 m仰拱、深埋水溝開挖及初期支護(hù)施工；掌子面復(fù)噴混凝土約3 h，可進(jìn)行深埋水溝埋管、澆筑混凝土施工(約2.5 h)。因此可實(shí)現(xiàn)掌子面掘進(jìn)施工1循環(huán)，仰拱及深埋水溝施工2循環(huán)6 m，掌子面掘進(jìn)施工2循環(huán)/d，仰拱及深埋水溝可完成12 m/d，同時(shí)利用長引橋解決了仰拱、深埋水溝施工對掌子面施工的影響，達(dá)到了同步、平行交叉作業(yè)的目的(見圖7)。

圖7 仰拱、深埋水溝平行交叉施工

5.2.2 仰拱施工

仰拱防排水、鋼筋、模板安裝及混凝土澆筑利用掌子面開挖掘進(jìn)、初期支護(hù)時(shí)間、復(fù)噴混凝土?xí)r間進(jìn)行施工，可利用時(shí)間約11.5 h，滿足仰拱各道工序施工時(shí)間要求，即仰拱施工完成時(shí)間為1 d；另外利用1 d時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及達(dá)到強(qiáng)度要求，即每12 m仰拱、深埋水溝施工時(shí)間為3 d。

6 潛孔鉆機(jī)+組合式棧橋施工優(yōu)點(diǎn)

6.1 施工便捷、質(zhì)量易控制

深埋水溝鉆孔采用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機(jī)，占用空間小、移動方便，施工干擾小，鉆孔深度、角度得到有效控制，鉆孔速度快，超欠挖控制較好。

6.2 操作簡單、便于施工

ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機(jī)采用0.5 m、1 m、1.5 m等型號鉆桿，隨鉆進(jìn)深度絲扣連接，實(shí)現(xiàn)深孔鉆孔施工，解決了普通鉆孔自上向下深孔難于施工的問題。

6.3 同步交叉施工、加快施工進(jìn)度

深埋水溝施工過程中加快其施工進(jìn)度，確保施工安全與質(zhì)量是隧道水溝施工的最大難題[11]。隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋增加了長引橋，實(shí)現(xiàn)了長引橋下方深埋水溝施工、仰拱初支施工與棧橋下方仰拱施工平行、交叉作業(yè)的目的，加快深埋水溝、仰拱施工進(jìn)度(節(jié)省1/3時(shí)間，即1.5 d)，保證安全步距要求，特別是對工期緊時(shí)效果更佳。

6.4 安全可靠

加快深埋水溝施工進(jìn)度，減少對隧道拱墻初期支護(hù)的影響，確保施工安全是工程施工難題[12]。隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋全部采用電動整體行走、電動液壓升降系統(tǒng)，操作簡單、方便，施工干擾小，同時(shí)通過中間防護(hù)實(shí)現(xiàn)“上下分離、前后分區(qū)”，安全可靠。

7 結(jié)束語

隧道深埋水溝開挖、支護(hù)、埋管、澆筑混凝土及仰拱開挖、支護(hù)施工工序均在隧道掌子面掘進(jìn)與仰拱施工之間，每四循環(huán)達(dá)到12 m長度方可施工仰拱鋼筋、澆筑混凝土等，且開挖后基底滲水較多，抽排水工程量較大、占用時(shí)間較長，太焦鐵路成功應(yīng)用潛孔鉆機(jī)+組合式棧橋的仰拱帶深埋水溝施工技術(shù)，解決了以上問題，為同類型隧道施工提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

(1)ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機(jī)與普通YT28鑿巖機(jī)開挖法對比，爆破超欠挖量減少了50%以上(傳統(tǒng)開挖法平均超挖30 cm，潛孔鉆機(jī)開挖平均超挖15 cm)。

(2)設(shè)計(jì)的自行式升降組合棧橋，實(shí)現(xiàn)了組合式棧橋長引橋下部利用潛孔鉆機(jī)鉆孔、出碴、抽排水及仰拱初支施作，仰拱棧橋底部施作仰拱鋼筋、模板、混凝土澆筑等，達(dá)到了隧道掘進(jìn)、深埋中心水溝、仰拱三個區(qū)域交叉、平行作業(yè)的目的。

(3)組合式棧橋與普通棧橋施工對比，單工序循環(huán)時(shí)間節(jié)省1/3(普通棧橋施工時(shí)間為4.5 d、組合式棧橋施工時(shí)間為3 d)，減少了爆破施工人員配置及爆破器材的投入，縮短施工循環(huán)作業(yè)時(shí)間，加快了仰拱施工進(jìn)度，從而提升隧道施工效率。