基于激光投影定位輪廓線的隧道掌子面冷開挖技術(shù)

鐘磊 申鐵軍

摘要 隧道施工中，隧道超欠挖直接影響整個隧道施工質(zhì)量及成本，因此控制隧道超欠挖顯得尤為重要。文章研發(fā)隧道開挖輪廓線定位裝置，提供一種隧道開挖輪廓線連續(xù)定位指示裝置，以解決采用全站儀放樣不能實時連續(xù)指示隧道開挖輪廓等問題，避免了二次放樣，實現(xiàn)激光投影放樣自動化，同時采用改良后的反鏟式挖掘機及挖掘機機械臂裝置，提高了施工效率。

關(guān)鍵詞 激光；定位；掌子面；冷開挖；輪廓線

中圖分類號 U455.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0104-03

0 引言

使用鑿巖臺車鉆爆法開挖，用鉆臂在巖面上進(jìn)行鉆眼，然后裝藥爆破的一種隧道開挖方法，對于一些特殊區(qū)域（如市區(qū)，靠近鐵路的地區(qū)）不允許進(jìn)行爆破作業(yè)，容易受區(qū)域限制。不能用鉆爆法開挖時，用挖掘機加炮錘進(jìn)行破碎挖掘的傳統(tǒng)作業(yè)方法。

1 隧道開挖輪廓線的放樣

1.1 全站儀進(jìn)行隧道輪廓放樣的弊端

在實際的施工過程中一般使用全站儀進(jìn)行隧道輪廓放樣，然后使用油漆在掌子面上進(jìn)行噴涂標(biāo)記，最后按照噴涂標(biāo)記的痕跡進(jìn)行開挖。這樣的方法會使得掌子面的標(biāo)記點在斷面修整時被挖掉，而且不能連續(xù)指導(dǎo)機械進(jìn)行斷面修整，這樣就需要測量人員重新進(jìn)行標(biāo)記。不僅費時費力而且在現(xiàn)場重新標(biāo)記的時候，也不能保證在新的掌子面上的標(biāo)記點與原有掌子面上的標(biāo)記點完全一致，進(jìn)而難以確保在開挖的時候不出現(xiàn)超欠挖的現(xiàn)象。

1.2 激光投影放樣開挖輪廓線

相較于傳統(tǒng)全站儀放樣掌子面開挖輪廓線，此種裝置具有放樣精準(zhǔn)度高、簡單實用的特點，可為隧道開挖輪廓線提供連續(xù)定位指示。

（1）采用激光投影放樣開挖輪廓線，由連接移動滑輪、頂端固定圓盤、激光投影儀3部分組成了激光投影裝置[1]。

（2）底端激光投影儀內(nèi)置裝置可通過手機軟件進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。

（3）為掌子面開挖提供精確點位。

2 隧道掌子面冷開挖

（1）不能用鉆爆法開挖時，就要用挖掘機加炮錘進(jìn)行破碎挖掘。

（2）在現(xiàn)有技術(shù)中，挖掘機機械臂的斗桿伸縮缸通常設(shè)置在動臂的頂端。

（3）通過斗桿伸縮缸牽引斗桿，使斗桿圍繞挖掘機動臂與斗桿相互鉸接的位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以調(diào)整挖掘機機械臂，進(jìn)而將炮錘送至需要破碎挖掘的位置[2]。

（4）在炮錘對隧道的拱頂進(jìn)行破碎挖掘時，現(xiàn)有技術(shù)下的挖掘機機械臂，其斗桿伸縮缸通常會占用挖掘機機械臂上方的空間[3]。

（5）不但限制了挖掘機機械臂的最大仰角，還會導(dǎo)致炮錘難以破碎挖掘鋼拱架后的拱頂。

（6）若更換小型挖掘機進(jìn)行施工，機械臂雖然變短但是挖掘力又嚴(yán)重不足。

（7）為解決此類問題，研究挖掘機新型機械臂裝置，將斗桿油缸設(shè)置于動臂下方并與斗桿下方進(jìn)行鉸接，以提高其靈活性和確定開挖角度。

（8）采用改良后的反鏟式挖掘機及挖掘機機械臂裝置進(jìn)行隧道掌子面冷開挖。

（9）相較于傳統(tǒng)機械臂仰角變大也更加靈活，且機械臂的力量也得到了提升。

3 隧道開挖機械臂裝置研究

（1）把機械臂動臂與斗桿的長度適當(dāng)縮減，動力臂增長。

（2）把斗桿油缸設(shè)置于動臂下方并與斗桿下方進(jìn)行鉸接。

（3）機械臂的整體靈活性和挖掘力得到提升，不僅大幅提高了隧道掌子面開挖的施工進(jìn)度，而且降低了施工安全質(zhì)量風(fēng)險。

4 先進(jìn)性分析

（1）此套機械臂裝置在不更換挖掘機和不改變施工停機平面的高度的情況下，解決了無法對拱頂進(jìn)行破碎挖掘的難題。

（2）機械臂的整體靈活性和挖掘力得到提升，不僅大幅提升施工效率還節(jié)省了大量人工成本，既達(dá)到施工安全、高效的目的，又能保證施工質(zhì)量。

（3）改良優(yōu)化的挖掘機機械臂裝置在大跨徑隧道機械冷開挖中的應(yīng)用，解決拱頂直接破碎難、作業(yè)半徑小的問題，加快施工進(jìn)度，減少成本投入，降低安全隱患。

5 創(chuàng)新性分析

5.1 隧道開挖機械臂裝置

該裝置應(yīng)用后可擴展開挖機械作業(yè)半徑，相比傳統(tǒng)挖掘機，新型機械臂裝置解決了無法對拱頂進(jìn)行破碎挖掘的難題。

（1）設(shè)計應(yīng)用了一種新型隧道開挖設(shè)備新型機械臂裝置。

（2）機械臂的整體靈活性和挖掘力得到了提升。

（3）大幅提高了隧道掌子面開挖的施工進(jìn)度。

（4）降低了施工安全質(zhì)量風(fēng)險。

（5）施工更加靈活，挖掘力更強且不需要人工采用小型機具輔助破碎。

5.2 開挖輪廓線定位裝置

為掌子面開挖提供了精確的點位，避免了超欠挖，有效保證了掌子面開挖施工質(zhì)量。

（1）設(shè)計應(yīng)用一種開挖輪廓線定位裝置，相比傳統(tǒng)全站儀放樣能實現(xiàn)實時精準(zhǔn)放樣，手機電腦控制自動化，避免超欠挖，更好地控制了開挖精度。

（2）采用激光投影放樣開挖輪廓線的方案，并對其加以改進(jìn)創(chuàng)新，實現(xiàn)了半自動化。

（3）減少頻繁使用全站儀放樣的時間，加快了施工進(jìn)度。

（4）底端激光投影儀內(nèi)置裝置可通過手機軟件進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。

6 實例分析

某隧道掌子面原計劃采用鉆爆法施工，但施工用電均需自發(fā)電，經(jīng)過核算發(fā)電費用以及所需柴油費用，見表1、表2。決定改變原方案，采用挖掘機+破碎頭（直錘）機械開挖方法施工，具體如下：

（1）采用三臺階開挖法，每個臺階開挖高度控制在4 m以內(nèi)。

（2）拱部及邊墻預(yù)留變形量20 cm。

（3）上臺階拱部開挖面角度控制在90 °以內(nèi)。

（4）開挖前完成輪廓線放樣，先行破碎開挖輪廓線處40 cm范圍內(nèi)，從而控制超欠挖情況。

（5）開挖破碎由隧道拱部中線向兩側(cè)邊墻方向逐漸破碎開挖。

（6）開挖中部預(yù)留巖石，從而避免雜亂無章、破碎，影響圍巖穩(wěn)定性，造成安全質(zhì)量隱患。

（7）開挖面完成后及時進(jìn)行檢測并檢查有無侵限欠挖的情況，符合要求后立即進(jìn)行混凝土初噴。

（8）及時完成初期支護(hù)，盡量減少圍巖的暴露時間，以避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)。

通過上述分析及表1、表2得知，大跨度隧道機械開挖施工工法，能夠提高施工效率，減少安全質(zhì)量隱患，解決了山體短隧道非爆破開挖施工技術(shù)難的問題。

7 結(jié)束語

綜上所述，此施工技術(shù)解決了山體短隧道非爆破開挖施工技術(shù)難的問題，不但提高了施工效率而且在降低隧道開挖安全質(zhì)量隱患的同時節(jié)約了大量施工成本。

（1）通過施工方案比選、新技術(shù)應(yīng)用、改良機械設(shè)備、完善管理制度等措施一步步探索完善隧道機械冷開挖新的施工工藝，總結(jié)出了能夠達(dá)到設(shè)計要求的合理的施工方案。

（2）此套機械臂裝置在不更換挖掘機和不改變施工停機平面的高度情況下，把普通挖掘機機械臂動臂與斗桿的長度適當(dāng)縮減，動力臂增長，從而可對拱頂進(jìn)行破碎挖掘。

（3）機械臂的整體靈活性和挖掘力得到提升，不但大幅提高了隧道掌子面開挖的施工進(jìn)度，而且降低了施工安全質(zhì)量風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

[1]李亞飛， 胡文柱， 馬永超， 等. 一種隧道開挖輪廓線激光定位裝置：CN216246370U[P]. 2022-04-08.

[2]胡文柱， 李亞飛， 楊志， 等. 一種方便使用的道路橋梁工程用防護(hù)架：CN211848938U[P]. 2020-11-03.

[3]李亞飛， 胡文柱， 王照威， 等. 挖掘機機械臂及挖掘機：CN215906871U[P]. 2022-02-25.