隧道施工機(jī)械配套優(yōu)選方案應(yīng)用效果分析

萬(wàn)耀宇

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，新型機(jī)械設(shè)備不斷涌現(xiàn)，對(duì)工程施工提出新的要求。在隧道工程中，如何合理應(yīng)用機(jī)械配套方案成為當(dāng)前施工重點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道施工機(jī)械配套方案進(jìn)行研究，并取得較為顯著的成果。李釗等[1]認(rèn)為機(jī)械化配套施工方法，相比傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，可以有效控制經(jīng)濟(jì)成本，不僅能降低勞動(dòng)力，而且有助于提高施工質(zhì)量；蔡旺等[2]在研究隧道設(shè)計(jì)工法和機(jī)械化配套技術(shù)的基礎(chǔ)上，將工程安全質(zhì)量放在首要位置，致力于形成適用性較強(qiáng)的機(jī)械化配套方案；齊慶鋒[3]在研究隧道工程施工方法的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)隧道工程在施工中存在主要問(wèn)題，提出了機(jī)械化施工裝備配套及選型方案，以便實(shí)現(xiàn)預(yù)期施工效果。本文在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了隧道施工機(jī)械配套優(yōu)選方案的應(yīng)用，并分析該方案在隧道工程中的具體實(shí)施效果。

1 工程概況

以某隧道工程為例，該隧道總長(zhǎng)5 706m，隧道設(shè)計(jì)為分離式特長(zhǎng)隧道，隧道圍巖主要由干枚狀粉砂巖、灰?guī)r、石灰?guī)r等組成，最大埋深超過(guò)350m。該隧道圍巖級(jí)別為III 級(jí)、Ⅳ級(jí)、V 級(jí)，開(kāi)挖斷面面積為86.23 ～135.3m2。從總體來(lái)看，該隧道工程施工重難點(diǎn)較多，此外，施工作業(yè)空間受限、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等因素影響隧道工程的順利開(kāi)展。對(duì)此，探究隧道施工機(jī)械優(yōu)選配套方案在隧道工程中的應(yīng)用尤為重要。

2 基于開(kāi)挖作業(yè)的機(jī)械配套方案對(duì)比分析

2.1 施工質(zhì)量

開(kāi)挖作業(yè)是保障隧道工程主體安全的重要環(huán)節(jié)，也是施工安全管理工作的重點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，影響隧道洞身開(kāi)挖成孔質(zhì)量的因素較多，比如，測(cè)量放線、鉆孔精度、地質(zhì)條件等可能導(dǎo)致隧道工程出現(xiàn)超挖問(wèn)題，給整體工程施工進(jìn)度造成較大影響。該隧道工程開(kāi)挖斷面面積較大具有明顯優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械設(shè)備方面，應(yīng)用鑿巖臺(tái)車比風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)速度較快，可以實(shí)現(xiàn)一次成孔、精準(zhǔn)定位，不需要單獨(dú)增設(shè)輔助平臺(tái)，保證最終開(kāi)挖成型效果，為后續(xù)噴漿施工提供基礎(chǔ)保障。

該隧道工程施工過(guò)程中使用鑿巖臺(tái)車對(duì)地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)WMD 地質(zhì)分析軟件，可以結(jié)合實(shí)際采集的鉆孔速度、壓力、扭矩等參數(shù)，精準(zhǔn)分析隧道圍巖，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。除此之外，鑿巖臺(tái)車的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的圍巖條件對(duì)鉆機(jī)的推進(jìn)壓力進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度鉆孔。對(duì)于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)來(lái)講，其體積小、啟動(dòng)靈活、容易操作，但需要配置施工臺(tái)架，鉆鑿速度相比鑿巖臺(tái)車較慢，對(duì)鉆工崗位的需求較大，同時(shí)需要鉆工具備較強(qiáng)的機(jī)械操作技能，其自身操作水平的高低對(duì)鉆孔和成孔質(zhì)量影響較大。

隧道每循環(huán)開(kāi)挖結(jié)束后，測(cè)量人員需要對(duì)上一段開(kāi)挖進(jìn)行斷面測(cè)量，利用分析軟件繪制開(kāi)挖斷面，并與實(shí)際設(shè)計(jì)的輪廓圖進(jìn)行對(duì)比，可以明確該段超挖情況。通過(guò)測(cè)量IV 級(jí)圍巖超挖情況得出，無(wú)論是使用三壁鑿巖臺(tái)車，還是風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)都存在個(gè)別不穩(wěn)定現(xiàn)象，還需對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，加強(qiáng)員工實(shí)操能力，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)定期對(duì)隧道工程超挖情況進(jìn)行分析和總結(jié)。結(jié)合工程不同階段測(cè)量的超挖數(shù)據(jù)，計(jì)算隧道斷面的平均線性超挖值，得出使用機(jī)械化開(kāi)挖替代傳統(tǒng)人工施工的方法，實(shí)際應(yīng)用效果較好，鑿巖臺(tái)車與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)作業(yè)超挖對(duì)比，如表1 所示。

表1 三壁鑿巖臺(tái)車與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)作業(yè)超挖對(duì)比表（單位：cm）

2.2 施工成本

（1）人員配置與人工費(fèi)用。該隧道工程引入大型機(jī)械后，減少人工開(kāi)挖的需求，工程實(shí)行兩班倒工作制，對(duì)員工進(jìn)行重新分配，首先一臺(tái)三壁鑿巖臺(tái)車配置4 ～5 名工作人員，人工費(fèi)用約在19 元/m3，鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖進(jìn)尺約為100m/月。其次一臺(tái)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)配置15 ～20 名鉆孔人員，人工費(fèi)用約在10 元/m3，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖進(jìn)尺約為55m/月。

（2）機(jī)械設(shè)備費(fèi)用。相比國(guó)外隧道機(jī)械化施工，我國(guó)隧道建設(shè)起步較晚，機(jī)械化設(shè)備水平相對(duì)落后，如果使用國(guó)外進(jìn)口機(jī)械，以性價(jià)比較高的液壓鑿巖臺(tái)車為例，其造價(jià)預(yù)算費(fèi)用約為800 萬(wàn)元，如果按照最低折舊年限10 年，計(jì)算單臺(tái)機(jī)械的維修費(fèi)用約在0.6 萬(wàn)元/月，機(jī)械每月零件損耗費(fèi)用約為2.5 萬(wàn)元，綜合計(jì)算鑿巖臺(tái)車實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用約在19.2 元/m3，將其與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比，得出鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖1m3所花的費(fèi)用比其貴12.1m3。

（3）火工費(fèi)及電費(fèi)。鑿巖臺(tái)車的鉆孔直徑為45mm、孔徑可達(dá)50mm，有效鉆孔深度為5m；風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔直徑約在30 ～50mm，孔徑約在36 ～50mm，有效鉆孔深度為5m。

在隧道工程施工中，應(yīng)用32mm 乳化炸藥。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于鑿巖臺(tái)車來(lái)講，在III 級(jí)圍巖中，開(kāi)挖深度在4.5m 時(shí)，使用炸藥量約為340kg、雷管約為215 發(fā)。在IV、V 級(jí)圍巖中，開(kāi)挖深度在3 ～3.5m 時(shí)，使用炸藥量約為172 ～285kg、雷管約為198 ～230 發(fā)；對(duì)于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)來(lái)講，在III 級(jí)圍巖中，當(dāng)開(kāi)挖深度在4.5m 時(shí)，炸藥用量在317kg、雷管189 發(fā)。在IV、V 級(jí)圍巖中，開(kāi)挖深度在3 ～3.5m 時(shí)，炸藥用量在189 ～240kg、雷管196 ～210 發(fā)。按照乳化炸藥7.5 元/kg，電子雷管進(jìn)貨價(jià)4.31 元/個(gè)，綜合計(jì)算本隧道工程應(yīng)用鑿巖臺(tái)車的火工品約在16.67 元/m3、風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)火工品約為12.83 元/m3。

在隧道施工中應(yīng)用液壓鑿巖臺(tái)車，不需要額外增設(shè)空壓機(jī)，鑿巖臺(tái)車在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)自身的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵提供液壓動(dòng)力，有利于隧道施工。應(yīng)用人工成孔作業(yè)時(shí)，需要借助施工專用開(kāi)挖臺(tái)架開(kāi)展作業(yè)。通過(guò)計(jì)算人工、機(jī)械、火工、開(kāi)挖臺(tái)架等成本費(fèi)用，鑿巖臺(tái)車施工成本約為48.6 元/m3、風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施工成本約為48.05 元/m3，鑿巖臺(tái)車每開(kāi)挖1m3圍巖成本增加0.84 元。

2.3 施工進(jìn)度

風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)應(yīng)用流程如下：在開(kāi)挖作業(yè)前期做好臺(tái)架的檢查和接地工作，同時(shí)將開(kāi)挖臺(tái)架移入掌子面，將其搭建成專業(yè)鉆孔平臺(tái)，由測(cè)量放樣人員進(jìn)入隧道進(jìn)行掌子面放樣，并找出輪廓線控制點(diǎn)，為保證開(kāi)挖的精準(zhǔn)度，嚴(yán)格把控鉆孔位置和深度，結(jié)合隧道工程需求合理使用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，將炸藥包放入鉆孔內(nèi)，同時(shí)將多功能臺(tái)架移到位后實(shí)行爆破作業(yè)，在施工過(guò)程中需要重視現(xiàn)場(chǎng)的空氣流通，所有工作人員應(yīng)撤離到安全場(chǎng)地，確保工人安全。

全液壓鑿巖臺(tái)車應(yīng)用流程如下：測(cè)量放樣完畢后，對(duì)鑿巖臺(tái)車進(jìn)行定位，結(jié)合鑿巖臺(tái)車中間的控制中心線和隧道周邊炮眼位置，核對(duì)上一循環(huán)開(kāi)挖情況，并對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)記錄最終所測(cè)量的結(jié)果，為后期修正提供數(shù)據(jù)支持。結(jié)合不同開(kāi)挖斷面結(jié)構(gòu)特征，及時(shí)對(duì)鑿巖臺(tái)車液壓系統(tǒng)鉆孔推進(jìn)壓力進(jìn)行調(diào)整，確保鑿巖臺(tái)車鉆孔精度和質(zhì)量。鑿巖臺(tái)車與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施工進(jìn)度對(duì)比，如表2 所示。

表2 鑿巖臺(tái)車與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施工進(jìn)度對(duì)比表

3 基于支護(hù)作業(yè)的機(jī)械配套方案對(duì)比分析

3.1 施工質(zhì)量

支護(hù)作業(yè)是隧道工程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

（1）回彈率。在初期支護(hù)作業(yè)中，將混凝土噴射到圍巖上，由于無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)，部分掉落的混凝土表示回彈率，因此在回彈率的把控上較為困難。通常情況下，回彈率受混凝土配合比、施工工藝、原材料等因素的影響，具有不確定性。該隧道工程在保證原材料和配合比一致的條件下，對(duì)徐工HPB220 混凝土噴射機(jī)和Sika-PM500 混凝土濕噴機(jī)械手的施工工藝進(jìn)行分析。對(duì)于徐工HPB220 混凝土噴射機(jī)來(lái)講，在施工過(guò)程中應(yīng)用徐工噴射機(jī)時(shí)，由于環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致工作人員進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)，無(wú)法精準(zhǔn)確定位置和角度，在一定程度上增加隧道施工的難度，耗時(shí)增加。除此之外，工作人員應(yīng)用徐工HPB220 混凝土噴射機(jī)時(shí)，無(wú)法獲取最佳噴射量，在噴射速度方面也無(wú)法把控，導(dǎo)致噴射作業(yè)回彈率較高。對(duì)于Sika-PM500 混凝土濕噴機(jī)械手來(lái)講，應(yīng)用效果較好，可以實(shí)現(xiàn)定位噴射、側(cè)向操作，與隧道施工適配性較強(qiáng)，機(jī)械手操作員明確具體位置后，使用遙控器調(diào)節(jié)噴嘴位置，結(jié)合噴射距離精準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度、減速度等參數(shù)，確保機(jī)械手的精準(zhǔn)度，達(dá)到最佳的回彈率。結(jié)合隧道工程機(jī)械施工數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算得出徐工噴射機(jī)的平均回彈率在23.80%、機(jī)械手的平均回彈率在12.27%，機(jī)械手的回彈率優(yōu)于徐工噴射機(jī)。

（2）混凝土平整度和強(qiáng)度。支護(hù)作業(yè)效果影響噴漿質(zhì)量，噴漿作業(yè)效果主要體現(xiàn)在混凝土的平整度上，徐工噴射機(jī)具有速凝劑添加控制系統(tǒng)，對(duì)變量泵的輸出壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，合理控制輸出量大小。機(jī)械手配備PLC 程序模塊和液態(tài)添加劑計(jì)量輸送裝置，可以實(shí)時(shí)精確控制速凝劑流量，提升噴射混凝土性能，達(dá)到提高隧道初支噴射混凝土平整度的目的[4]。該隧道工程噴射作業(yè)完成后，使用2m 靠尺對(duì)平整度進(jìn)行檢查，并對(duì)混凝土進(jìn)行取樣，利用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其強(qiáng)度，徐工噴射機(jī)的平均平整度在5.3%、混凝土平均強(qiáng)度為32.2MPa；機(jī)械手平均平整度在4.4%、混凝土平均強(qiáng)度在33.6MPa，從總體上來(lái)看，機(jī)械手的應(yīng)用效果較好。

3.2 施工成本

（1）人員的配置和費(fèi)用。以該隧道工程右線施工為例，在進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)，1 臺(tái)徐工HPB220 混凝土噴射機(jī)需要配備6名作業(yè)人員和1 名成熟噴工，不同的工作面配置的噴射機(jī)數(shù)量是相同，分別配置4 臺(tái)，備用2 臺(tái)，全部工作人員共計(jì)21 名。1 臺(tái)Sika-PM500 混凝土濕噴機(jī)械手在運(yùn)行期間，需要配置主噴手1 名，3 名作業(yè)人員。徐工噴射機(jī)主噴人員月工資標(biāo)準(zhǔn)為10 000 元，每月工人費(fèi)用約為5 萬(wàn)元，機(jī)械手主噴人員月工資標(biāo)準(zhǔn)為15 000 元，每月工人費(fèi)用約為4 萬(wàn)元。

（2）混凝土費(fèi)用。從目前來(lái)看，混凝土材料單價(jià)為526.5 元/m3，在隧道Ⅳ級(jí)圍巖中，每延米混凝土數(shù)量為4.85m3/m，按照月掘進(jìn)計(jì)劃尺為120m，超挖值為200%，計(jì)算兩種機(jī)械每月混凝土費(fèi)用為：噴射機(jī)：4.85×120×（1+23.80%）×200%×526.5 ≈76 萬(wàn)元；機(jī)械手：4.85×120×（1+12.27%）×200%×526.5 ≈69 萬(wàn)元。

（3）機(jī)械費(fèi)用。按照機(jī)械設(shè)備一般的折舊年限10 年，機(jī)械手的市場(chǎng)價(jià)格在350 萬(wàn)元左右，計(jì)算得出機(jī)械手每月折舊費(fèi)加上機(jī)械維修費(fèi)共計(jì)7.35萬(wàn)元，噴射機(jī)市場(chǎng)價(jià)格在20萬(wàn)元左右，按照不同工作面配置4 臺(tái)，購(gòu)置總價(jià)在80 萬(wàn)元，每月折舊費(fèi)加上維修費(fèi)共計(jì)4 萬(wàn)元。

（4）電力消耗費(fèi)用。按照每月0.8 元計(jì)算電費(fèi)，機(jī)械手每小時(shí)耗電量在140W/T，其電費(fèi)消耗約為5.8 元/m3，噴射機(jī)每小時(shí)耗電量在345W/T，其電費(fèi)消耗約為41 元/m3。該隧道工程噴射混凝土量約為34 500/m3，使用機(jī)械手的電費(fèi)約為20 萬(wàn)元、噴射機(jī)的電費(fèi)約為143 萬(wàn)元，基于人工費(fèi)用、混凝土費(fèi)用、機(jī)械費(fèi)用、電力消耗費(fèi)用，兩種機(jī)械綜合成分分析，如表3 所示。

表3 機(jī)械手與噴射機(jī)綜合成分分析表（單位：萬(wàn)元/月）

3.3 施工進(jìn)度

（1）生產(chǎn)效率方面。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)匯總得出，機(jī)械手噴射能力在30m3/h，噴射高度為17m；噴射機(jī)噴射能力在20m3/h，噴射所需時(shí)間為9.1min，將兩者進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)機(jī)械手的工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出噴射機(jī)；

（2）工序方面。機(jī)械手配備驅(qū)動(dòng)裝置，準(zhǔn)備時(shí)間約為5min，而徐工噴射機(jī)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)裝置，需要借助其他設(shè)備運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢瞄_(kāi)展支護(hù)作業(yè)，準(zhǔn)備時(shí)間約為15min，因此，無(wú)論是生產(chǎn)效率方面，還是在工序銜接上，機(jī)械手的應(yīng)用性較強(qiáng)，合理應(yīng)用有助于提高施工效率，有助于保證施工進(jìn)度。

4 基于支護(hù)作業(yè)的機(jī)械配套效果

針對(duì)隧道開(kāi)挖施工而言，采用的III 級(jí)、IV ～V 級(jí)圍巖一級(jí)機(jī)械化配套方案，促使開(kāi)挖施工速度得到顯著提升，不僅具有良好的卡挖鉆孔成型效果和超挖控制效果，還在極大程度上改善了作業(yè)環(huán)境。從施工成本方面來(lái)看，采用的鑿巖臺(tái)車與之前風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)設(shè)備的相比，圍巖每開(kāi)挖1m3多花費(fèi)0.84 元，該設(shè)備在整個(gè)工程中的應(yīng)用，開(kāi)挖總成本超出51 萬(wàn)元。但應(yīng)用該鑿巖設(shè)備能夠顯著提升開(kāi)挖施工的速度，III 級(jí)圍巖和IV ～V級(jí)圍巖開(kāi)挖速度分別提升33%和100%。

而對(duì)于隧道初期支護(hù)施工而言，采用的是噴射混凝土施工方式，不僅有效降低了混凝土的回彈率，且在混凝土強(qiáng)度和平整度方面得到有效改善。同時(shí)，機(jī)械化的噴射混凝土施工還減少了各作業(yè)工序之間的銜接時(shí)間，混凝土施工效率得到明顯提高，采用的濕噴機(jī)械手比傳統(tǒng)的濕噴機(jī)在每噴射1m3混凝土?xí)r，施工速率是原本的3 倍，在整個(gè)工程中的應(yīng)用，共減少施工成本264.6 萬(wàn)元。此外，本工程采用的III 級(jí)圍巖和IV ～V 級(jí)圍巖一級(jí)機(jī)械化配套方案，總減少施工成本為213.6 萬(wàn)元，整體來(lái)看，配套方案的應(yīng)用效果表現(xiàn)良好。

5 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用施工機(jī)械配套方案，對(duì)施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工成本進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）隧道工程應(yīng)用III 級(jí)、IV ～V 級(jí)圍巖一級(jí)機(jī)械化配套方案，極大程度地提升開(kāi)挖效率，憑借鉆孔效果較好等優(yōu)勢(shì)，有效提高鉆孔施工質(zhì)量。

（2）隧道工程應(yīng)用III 級(jí)、IV ～V 級(jí)圍巖機(jī)械化配套方案，大幅度降低施工成本，應(yīng)用效果較好。

（3）隧道工程應(yīng)用III 級(jí)、IV ～V 級(jí)圍巖一級(jí)機(jī)械化配套方案，在施工中應(yīng)用鑿巖臺(tái)車效率較高，相較于傳統(tǒng)人工開(kāi)挖作業(yè)，保證施工進(jìn)度。