面向全電腦多臂鑿巖臺車和濕噴機組的公路隧道施工工藝

李恒鴻

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

公路隧道工程具有條件復雜、技術要求高等特點，要想保證施工質量與效率，必須在施工中運用各類機械設備，以此解決人力無法解決的問題，從根本上保證隧道施工質量及安全。全電腦多臂鑿巖臺車與濕噴機組是當前公路隧道工程施工常用機械，為使其發揮出應有的作用效果，有必要對其施工工藝進行分析研究。

1 公路隧道全電腦多臂鑿巖臺車開挖工藝

1.1 洞身鉆孔

(1)掌子面鉆孔

①單循環鉆孔按以下工藝流程進行：鉆孔定位→推進梁前進→鉆孔→根據斜率調整鉆孔功率→采用全功率開孔→終孔→清孔→推進梁后退→對下一孔位進行鉆進。

②臺車施工按以下工藝流程進行：以隧道各項設計參數為依據借助iSure等軟件進行鉆孔圖的編制→使鉆孔圖生成鑿巖臺車可以識別的文件，然后導入至臺車系統當中→臺車就位→由測量人員借助全站儀對臺車上的棱鏡和開挖面之間的相對位置進行測量，并記錄測量數據→由臺車的操作人員向臺車系統輸入測得的定位數據，然后利用臺車鉆臂按照數據開始鉆孔定位→使臺車按照設計鉆孔圖實施鉆孔→結合實際的爆破效果與收集到的各類鉆孔數據，適當調整鉆孔圖[1]。

③整個斷面的一次循環施工按以下工藝流程進行：做好各項施工準備工作→確定臺車位置并組織臺車就位→采用臺車開始鉆孔→在孔中裝藥→爆破→洞內通風→排除危險→排除鉆渣→質量檢測→經檢測確認合格后進入下一循環。

(2)鉆錨桿孔

一般將掌子面上的鉆孔施工完成后對上一循環各錨桿孔進行鉆鑿，其過程和掌子面鉆孔施工完全相同。具體的鉆鑿順序既可以在前期設計工作中確定，也可以由施工人員根據現場環境自由選擇。

(3)欠挖鉆孔

對于欠挖相對較小的部位需利用鉆桿及時鑿除，而較大的則要通過爆破處理，相關技術人員要結合現場情況實施鉆設，由于無設計資料可以參考，所以要加強和爆破人員之間的溝通交流，以保證鉆孔參數及裝藥參數的合理性。施工中應盡可能減少或避免超欠挖，因為超欠挖必然影響工期，并增加成本[2]。

1.2 吹渣清孔

每完成一個孔位的鉆鑿，臺車鉆臂可自動開始清孔，而且清孔還有多種模式，如水洗、壓縮氣體沖洗與水氣組合沖洗。完成清孔后能為之后的裝藥創造便利條件，并能起到一定對鉆具進行冷卻的作用。

1.3 臺車維修保養

每完成一個循環的鉆孔任務，都要對臺車實施一次維修保養，確保下一循環得以順利進行。在維修保養過程中，要做好以下常規檢查工作：鉆臂檢查、推進梁檢查、底盤檢查、操作室檢查、鉆進液壓系統檢查和氣動系統檢查[3]。

1.4 開挖特殊情況處理

(1)鉆孔時掉石

因掌子面經常凹凸不平，所以鉆孔時面部圍巖因受力發生變化會越來越松散，因此作業過程中應采取措施防止鉆孔時發生掉石導致鉆臂被砸傷。在鑿巖臺車的操控室中能看到掌子面實際鉆孔狀況，技術人員應隨時對鉆臂周圍石塊是否松動進行觀察，一旦發現有松動掉落的跡象，應立即將其清除。

(2)掌子面不平

掌子面如果不平會對整個自動鉆孔過程造成很大影響，因鉆臂無法對路徑上存在的障礙進行自動識別，所以在鉆臂移位時應安排人工進行判別與輔助，避免鉆臂和掌子面上的巖石發生碰撞導致鉆臂損傷，進而影響鉆臂精度。

(3)機械故障

鉆桿與鉆頭發生磨損或直接損壞，對此應根據實際情況在洞內或洞外進行維修。在更換損壞的零部件過程中，要暫停作業，以保證安全，將零部件更換完成后，恢復正常作業。

(4)涌水、塌孔

通過地質勘查與超前地質預報明確圍巖實際狀況后，如果在施工中突然產生涌水與塌孔現象，應立即暫停施工，撤出洞內的機械與人員，并組織專門的技術人員進洞，確定導致涌水和塌孔的原因，在確定作業環境達到安全或完成處理后再恢復施工。當發現圍巖狀況相對較差時，應通過注漿或降低水位來處理。

(5)變斷面施工

對于長大隧道，經常會在施工中布置應急車道，這一過渡段的存在會遇到隧道截面先增大、再減小，最后恢復至標準斷面的情況，這樣一來，會使隧道中心軸線發生移位。如果是從大斷面變為小斷面，則通常采取將大斷面一直施工到設計要求的位置后再破口進入到小斷面進行施工的方法解決；如果是從小斷面變為大斷面，則通常采用更改周邊眼外插角與裝藥量的方法處理。若隧道圍巖為硬質巖，則可直接通過錯臺來適應突變。

(6)圍巖斷層

在斷層地段應謹慎施工，一般需按照先墻后拱的原則進行超前支護，采取合理有效的支護方法。在選擇施工方法時，首先考慮臺階法或核心土預留法。

2 公路隧道濕噴機組施工工藝

濕噴機組主要技術參數如表1所示。

表1 濕噴機組主要技術參數

濕噴機組布料臂架主要技術參數如表2所示。

表2 濕噴機組布料臂架主要技術參數

2.1 施工準備

噴射面處理是否到位直接影響混凝土和圍巖之間的粘結力，所以施工開始前必須做好噴射面處理，在噴射面處理過程中要充分考慮以下幾點：為避免受噴面產生裂縫或剝落，需將松散浮石清理干凈，若發現涌水，需做好排水；對設有金屬網的部位進行可靠加固，以免影響掛網質量；通過噴水將巖面上的灰塵清除干凈，為和混凝土之間的黏貼創造良好條件。將受噴面處理好后，由噴射施工班組把濕噴機械開至起點樁號，并安排輔助人員將水電線路接好，同時配合運輸車在濕噴機中裝入混合料[4]。

2.2 濕噴機作業

(1)將濕噴機安裝到位并調試好以后，對水管路及噴射管路進行連接，并用壓力水對受噴面進行必要的二次沖洗。

(2)濕噴作業開始前，應先對壁面爆破情況進行觀察，以確定是否存在超欠挖現象，防止存在超欠挖未能及時處理給之后的噴射施工造成影響。

(3)混合料上料應保持均勻和連續，確保機筒中始終處在飽滿的狀態，并在料斗口處設置篩網，用于剔除粒徑超出限值的骨料。

(4)噴射按照先墻后拱和從下到上的順序進行。正式噴射前先將受噴面補平，并注意要有搭接，使噴射速度保持均勻；當噴射面積較大時，需做好分段與分片，一般每3～4 m設置一段。從下部開始沿水平方向進行旋轉移動，然后不斷向上移動，每次噴射的厚度不能超過6 cm，在有鋼拱架及鋼筋網分布的部位，應先對拱架后部及鋼筋網部位進行噴射，以免產生空洞，然后再對拱架中間部分進行噴射。

(5)噴嘴和受噴面之間的距離應控制在0.8～1.2 m范圍內，在作業過程中應確保料束和受噴面之間保持垂直。

(6)對于料束運動軌跡，為環形旋轉，在旋轉的同時沿水平方向移動，每旋轉一圈需壓半圈。每圈的直徑按30 cm控制，在噴射第二行的過程中，需按照順序從第一行的起點以上位置開始，保證兩行之間的搭接長度達到2～3 cm[5]。

(7)對于料束旋轉速度，按沒旋轉一圈消耗2 s的要求控制。

(8)對于風壓與實際喂料量需結合具體的噴射位置確定和調整，比如，對拱部進行噴射時，工作風壓需控制在0.12～0.15 MPa范圍內，喂料量需達到3 m3/h；對邊墻進行噴射時，工作風壓需控制在0.15～0.18 MPa范圍內，喂料量需達到4 m3/h。

2.3 機械養護

在完成一個循環的施工后，都應按照要求保養濕噴機，其主要任務包括對濕噴機料斗、管道、伸縮臂和車身進行清洗，為下次作業做好準備。

2.4 混凝土養護

混凝土噴射厚度相對較小，如果施工時空氣中的水分較少，則可能是噴射完成的混凝土產生干縮裂縫，而且由于摻入了速凝劑，會使水泥水化受到一定抑制，導致強度產生受到影響，所以必須安排專人做好混凝土養護。具體的養護方法為在混凝土達到終凝狀態2 h后開始灑水，確保噴射完成的混凝土在強度形成期間始終保持濕潤，灑水頻率一般為3～4次/d，如果外界氣溫相對較高，則應適當增加灑水頻率，而養護持續時間通常需達到14 d以上。此外要注意，當氣溫不足5 ℃時，不可灑水，以免發生凍結。

2.5 施工注意事項

(1)噴射開始前認真檢查是否存在危石，若發現危石，應及時將其清除，將噴射機布置在可靠與安全的位置，以保證施工安全。

(2)經常性檢查噴射機的管路接頭、出料彎頭與輸料管，如果發現異常，應立即處理。

(3)在拱腳處進行堆料的過程中，需將噴頭朝向下方噴射，以確保邊墻和拱腳之間的銜接處達到密實。

(4)在曲線段進行混凝土噴射時，相鄰的兩榀拱之間不可互為參照，以該榀拱架剛好覆蓋為準。

(5)整條運輸路線必須保持暢通，照明與電源系統運行正常，使材料及時供應，避免由于材料供應不及時造成噴射中斷。

(6)噴射作業人員應戴好各類防護用品。考慮到噴射作業對環境有特殊要求，所以人員上崗前應經過嚴格的培訓和交底，并在考核通過后才能允許上崗。

2.6 噴射特殊情況處理

(1)管道堵塞

噴射開始前，先將電路、風路和水路接通，并開啟閥門逐步上升到額定壓力，然后開啟電機進行空載運行，經空載運行檢查確認無誤后，即可開始投料。如果突然發生管道堵塞現象，應立刻暫停喂料，先敲擊堵塞處，初步散開物料，再用空壓機將管道吹通。

(2)供料間斷

如果供料間斷的時間達到1 h以上，則需將輸料管中殘留的混凝土全部噴出，然后停機，需要注意的是，在關閉電動機之前，應先暫停加料，最后停止送氣。

(3)供料過量

如果實際的混凝土供給情況導致現場等待卸料的車輛數量達到兩臺以上，則要在使用這部分混凝土之前對其坍落度進行二次檢驗，經檢驗確認滿足施工要求后才能用于施工，未經檢驗與檢驗結果不合格時，均不可在施工中使用。此外還要對材料供應予以科學的配合，盡量避免供料過量現象的發生。

(4)停電

因該設備采用雙驅動力，所以一旦停電，可立即改用柴油機提供動力，對剩余的混合料進行噴射，此時應對材料供應組織進行適當調整，以適應驅動力形式的改變。

(5)作業面轉移

將已經卸入到料斗的混凝土盡量在下次轉移之前完成噴射，在下一作業面噴射開始后再恢復正常投料，防止由于作業面轉移使材料自身性能產生變化。

2.7 濕噴機優勢

(1)濕噴機支持無線遙控，施工面不需要有作業人員，可大幅提高作業安全性，一般情況下兩名技術人員就能完成作業；而傳統噴射施工需要有人工手持噴頭進行噴射，一般需要9人左右才能完成作業，而且還需要搭設拱架，人員和噴射面之間的距離很近，安全風險高。

(2)采用濕噴機作業時，材料可以在洞外集中拌制，施工時不會產生高濃度粉塵，而采用傳統方式施工時，混凝土需在現場拌制，會產生大量粉塵。

(3)濕噴機的作業效率一般不低于20 m3/h，而傳統噴射方法只有5～7 m3/h。

(4)由于濕噴機的應用能實現材料集中拌制，所以對各項技術指標的控制更加精準，能更好的保證噴射施工質量。而采用人工進行噴射時大多時候都依靠個人經驗進行材料調配，很難保證材料的質量與強度。

(5)采用濕噴機施工時對各項參數的控制比較精確，能有效減少回彈，一般地段的混凝土回彈率不超過14%，鋼拱架處的混凝土回彈率也不超過16%。而采用傳統方法施工時，回彈率普遍不低于20%，個別部位甚至可以達到30%左右，造成材料浪費，使施工成本明顯增加。

3 結 語

綜上所述，機械化施工是當前公路隧道施工的主流趨勢，全電腦多臂鑿巖臺車和濕噴機組就是在鉆孔與支護施工中使用的現代化機械，通過對這些機械的應用，可以在保證質量的前提下，加快施工效率，減少人力投入，保證施工安全，具有極大的應用和推廣價值。