鐵路隧道機械化配套施工工藝和關(guān)鍵施工技術(shù)研究

摘要：以位于遼寧省撫順市新賓縣境內(nèi)樓山隧道的Ⅲ、Ⅳ級圍巖施工段為例，對該隧道施工段開展機械化配套施工。設(shè)計施工工藝并制定超前預(yù)加固措施，從三臂鑿巖臺車隧道開挖施工、初期支護、自行式全制動液壓仰拱棧橋仰拱施工、二襯模板臺車襯砌施工等方面，詳細(xì)闡述了隧道的鉆孔、爆破、襯砌工程的機械化配套施工關(guān)鍵技術(shù)，保障了該隧道施工段安全、快速、高質(zhì)量完成施工任務(wù)。

關(guān)鍵詞：超前預(yù)加固；三臂鑿巖臺車；自行式全制動液壓仰拱棧橋

0" "引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，隧道工程在交通網(wǎng)絡(luò)中的重要性日益凸顯。隧道施工技術(shù)的發(fā)展，尤其是隧道的機械化施工技術(shù)，不僅提高了施工效率，還提高了施工質(zhì)量、保障了施工安全。機械化施工技術(shù)在隧道工程中的廣泛應(yīng)用，推動了隧道施工技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得在復(fù)雜地質(zhì)條件下開展大規(guī)模隧道施工成為可能。

目前，隧道機械化施工主要包括鉆爆法、盾構(gòu)法和掘進(jìn)機法等施工方法。這些施工方法各有優(yōu)劣，適用于不同的地質(zhì)條件和工程需求。例如，盾構(gòu)法在軟土地層中具有較高的施工效率和安全性，而鉆爆法在硬巖地層中則表現(xiàn)出色。掘進(jìn)機法則廣泛應(yīng)用于長大隧道和復(fù)雜地質(zhì)條件的施工中。

近年來，隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道機械化施工技術(shù)在設(shè)備性能、施工工藝和管理方法等方面均取得了顯著的進(jìn)展。本文以位于遼寧省撫順市新賓縣境內(nèi)樓山隧道的Ⅲ、Ⅳ級圍巖施工段為例，對該隧道施工段開展機械化配套施工。

1" "工程概況

位于遼寧省撫順市新賓縣境內(nèi)的樓山隧道，起訖里程為DK97+419.26～DK102+328.98，長度為4909.72m。該隧道沿線地貌形態(tài)復(fù)雜，溝谷縱橫、林木豐富、植被茂密，屬于高風(fēng)險隧道。

該隧道按照國鐵集團和建設(shè)單位要求推行隧道機械化施工。根據(jù)DK100+000～DK101+503隧道施工段所處的Ⅳ級圍巖225m、Ⅲ級圍巖1278m的地質(zhì)條件，決定采用三臂鑿巖臺車等機械設(shè)備，對隧道的鉆孔、爆破、襯砌工程進(jìn)行機械機化配套施工，以便安全、快速、高質(zhì)量完成該隧道施工段的施工任務(wù)。

2" "機械化配套施工關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1" "施工工藝

2.1.1" "施工方法和配套機械設(shè)備

根據(jù)該隧道施工段施工現(xiàn)場實際情況，參照建設(shè)單位相關(guān)管理辦法，采用全斷面和微臺階法進(jìn)行機械化施工。根據(jù)隧道機械化開挖和襯砌施工要求，配備了三臂鑿巖臺車、錨桿鉆機、自行式全制動液壓仰拱棧橋、仰拱襯砌臺車、二襯模板臺車、挖掘機、裝載機、自卸車、混凝土噴射機等所需各種機械設(shè)備，確保隧道施工全安、順利地進(jìn)行。

2.1.2" "初期支護和二次襯砌

Ⅳ、Ⅴ級圍巖初期支護封閉成環(huán)的位置，距離掌子面不得大于90m，二襯襯砌安全步距距離掌子面不得大于160m[1]。Ⅲ級圍巖初期支護封閉成環(huán)的位置，距離掌子面≤150m，二襯襯砌安全步距距離掌子面≤260m。

2.1.3" "安全施工措施

開挖時按照1：0.1至1：0.2放坡。根據(jù)掌子面的具體情況，及時采取預(yù)加固措施，確保持掌子面穩(wěn)定。微臺階開挖時，上臺階縱向長度取3～5m。根據(jù)圍巖的實際地質(zhì)情況以及掌子面穩(wěn)定性要求，適當(dāng)調(diào)整上臺階的縱向開挖長度[2]。

2.2" "超前預(yù)加固措施

2.2.1" "掌子面處理

根據(jù)施工段掌子面的穩(wěn)定性、地層巖性和地下水發(fā)育情況，采取以下措施確保掌子面的穩(wěn)定[3]：對掌子面噴射C30混凝土進(jìn)行封閉，以提高其穩(wěn)定性。對于不穩(wěn)定的掌子面，在噴射C30混凝土的基礎(chǔ)上，增加掌子面桿以進(jìn)一步保障掌子面的穩(wěn)定性。對Ⅳ級圍巖的掌子面，噴射4cm厚度的混凝土。

2.2.2" "超前支護

根據(jù)不同段落的圍巖等級，制定相應(yīng)的超前支護措施，具體支護措施如下：DK100+625～DK100+710段為Ⅳ級圍巖，將其拱部原設(shè)計的?42mm單層小導(dǎo)管調(diào)整為?50mm單層小導(dǎo)管，其縱向間距為4m，每根長度為6m，環(huán)向間距為0.4m，每環(huán)小導(dǎo)管為45根。使用風(fēng)動鑿巖機鉆設(shè)小導(dǎo)管孔，安裝預(yù)制好的小導(dǎo)管，在小導(dǎo)管端頭連接孔口閥和管路；使用注漿機向小導(dǎo)管內(nèi)注入預(yù)制好的水泥-水玻璃雙漿液，以此加固拱部圍巖。

2.2.3" "施工要求

根據(jù)實際施工段的具體情況，合理布置機械化施工設(shè)備，確保施工過程的順利進(jìn)行。嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和管理辦法進(jìn)行施工，確保施工安全和工程質(zhì)量。在施工過程中，對掌子面進(jìn)行實時穩(wěn)定性監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時采取相應(yīng)的預(yù)加固措施。

2.3" "三臂鑿巖臺車隧道開挖施工

2.3.1" "施工準(zhǔn)備

為提高圍巖自穩(wěn)能力、減少超欠挖、節(jié)約施工成本，采用光面爆破技術(shù)進(jìn)行隧道開挖施工。利用超前預(yù)報和超前鉆孔等手段，探測圍巖的完整性、涌水和不良地質(zhì)等情況。分析圍巖的基本力學(xué)性質(zhì)，確定隧道圍巖的實際力學(xué)性質(zhì)，以此確定開挖和支護的詳細(xì)參數(shù)[4]。使用三臂鑿巖臺車在掌子面進(jìn)行爆破空的鉆孔作業(yè)，使用挖掘機及時清理被炸松或產(chǎn)生裂縫可能脫落的石塊，排除險情。

2.3.2" "鉆設(shè)爆破孔

鑒于圍巖條件不斷變化，指定專人進(jìn)行統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)，嚴(yán)格控制周邊孔的間距和深度，動態(tài)調(diào)整開挖斷面[5]。現(xiàn)場技術(shù)人員檢查三臂鑿巖臺車鉆設(shè)爆破孔的質(zhì)量，測量并記錄鉆孔數(shù)據(jù)備用并存檔。三臂鑿巖臺車鉆孔時一般不考慮超欠挖情況。

由于受鉆桿端頭的影響，鉆孔過程中鉆桿端部一般不應(yīng)大于開挖輪廓線15cm。三臂鑿巖臺車鉆設(shè)爆破孔位置如圖1所示。

2.3.3" "裝藥與爆破

周邊孔的裝藥采用非耦合段導(dǎo)爆索分段式連接，禁止簡化步驟和集中裝藥。周邊孔的裝藥量必須嚴(yán)格按照爆破設(shè)計方案進(jìn)行填裝，以確保裝藥質(zhì)量。裝藥時應(yīng)使用搗藥棒將藥包放置在指定位置，并封堵爆破孔。應(yīng)遵循分段、分區(qū)方法，按照“拱腳區(qū)域、拱腰區(qū)域、拱頂區(qū)域”的先后順序，以及“先周邊、后中心”的順序進(jìn)行裝藥。

起爆的順序為：掏槽孔→輔助孔→內(nèi)圈孔→周邊孔→底部孔。爆破后，應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)以散去爆破煙霧。在空氣安全性得到驗證后，爆破人員應(yīng)檢查現(xiàn)場是否有啞炮或殘留爆破材料，并檢查圍巖的穩(wěn)定性，及時處理所有隱患。爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.3.4" "通風(fēng)出渣

爆破后及時通風(fēng)排煙，減少煙塵和有害氣體。出渣時采用1臺挖掘機和2臺裝載機配合自卸車施工。自卸車裝渣不得過滿，嚴(yán)禁超載。駕駛員應(yīng)控制自卸車行駛速度，隧道內(nèi)禁止超速、超車。自卸車過往棧橋時派專人指揮。

2.4" "初期支護

2.4.1" "錨桿施工與封閉成環(huán)

使用錨桿鉆機按設(shè)計間距及長度，沿鋼架邊沿施打隧道徑向錨桿孔并安裝錨桿，將錨桿與鋼架焊接，使錨桿與鋼架形成一個完整的受力環(huán)。為保證支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，初期支護必須在開挖后及時封閉成環(huán)。

2.4.2" "鋼架連接及鎖腳錨管安裝

按照設(shè)計要求，將每榀鋼架的縱橫向連接筋與鋼架焊接牢固。按照設(shè)計要求安裝鎖腳錨管，并控制好施作角度和焊接質(zhì)量。鋼架基底采用混凝土墊塊墊實后，噴射混凝土并噴填密實。

2.4.3" "施工安全及質(zhì)量控制

為了確保施工安全，嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求進(jìn)行施工，保證每一步工序的安全施工。在噴射混凝土和錨桿施工等環(huán)節(jié)，通過實時監(jiān)控和質(zhì)量檢查，確保初期支護的施工質(zhì)量。

2.5" "自行式全制動液壓仰拱棧橋襯砌澆筑施工

2.5.1" "結(jié)構(gòu)特點和使用性能

自行式全制動液壓仰拱棧橋是專為隧道仰拱施工設(shè)計的設(shè)備，主要由大型鋼結(jié)構(gòu)件組成，其最大高度為1.26m，最大寬度為4.1m，最大仰拱襯砌能力為12m。自行式全制動液壓仰拱棧橋具有高強度、高穩(wěn)定性和靈活移動等特點。自行式全制動仰拱棧橋通過其高水平設(shè)計和強大的功能，大大提高了隧道仰拱的施工效率和安全性。其靈活的移動能力和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其成為現(xiàn)代隧道施工中的重要設(shè)備。

2.5.2" "主要部件和系統(tǒng)

自行式全制動仰拱棧橋的主要部件包括主橋、長引橋、短引橋、滑座、底座、行走系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。主橋是該棧橋的核心部件，其長度為8m，負(fù)責(zé)承載主要荷載和施工設(shè)備。長引橋的長度為15m，用于延伸施工范圍。短引橋的長度為6.7m，用于控制棧橋的升降和傾斜，確保在三維空間內(nèi)與仰拱襯砌臺車的完美配合，能夠同時用于仰拱混凝土澆筑和車輛及作業(yè)人員的安全通行。

2.5.3" "倒拱混凝土襯砌與填充施工

使用自行式全制動仰拱棧橋進(jìn)行倒拱襯砌與倒拱填充應(yīng)分開澆筑。倒拱襯砌混凝土終凝后，拆除倒拱模板，澆筑倒拱填充混凝土。根據(jù)混凝土拌合物凝結(jié)時間試驗結(jié)果，倒拱襯砌與填充混凝土之間的澆筑間隔不應(yīng)少于8h。待倒拱填充混凝土達(dá)到5MPa后方可通行人員，達(dá)到設(shè)計強度100%后方可通行車輛。

2.5.4" "與仰拱襯砌臺車配合進(jìn)行仰拱襯砌澆筑

自行式全制動液壓仰拱棧橋在隧道施工中，與仰拱襯砌臺車密切配合，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的仰拱混凝土襯砌澆筑。通過液壓控制系統(tǒng)，該棧橋能夠在施工過程中自由調(diào)整位置，確保澆筑作業(yè)的順利進(jìn)行。

2.6" "二襯模板臺車施工

2.6.1" "軌道鋪設(shè)及臺車組裝要求

臺車的枕木和鋼軌必須符合施工規(guī)范要求，以確保軌道的穩(wěn)定性和安全性。軌距誤差應(yīng)控制在±10mm以內(nèi)，以確保臺車行走的平穩(wěn)性。軌道與枕木必須用道釘固定，防止臺車行走過程中發(fā)生移位或脫軌等危險情況。枕木間距需≤70cm，以確保軌道的承載能力和穩(wěn)定性。二襯模板臺車應(yīng)在隧道洞外，選擇便于二襯模板臺車進(jìn)洞的地段進(jìn)行組裝，以保證二襯模板臺車進(jìn)洞順利。二襯模板臺車安裝完成后，確保臺車軸線與隧道軸線的夾角≤5°。這是確保臺車行走順暢和襯砌施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.6.2" "吊裝作業(yè)

根據(jù)二襯模板臺車施工場地的條件，選擇適當(dāng)噸位的起重機對其主件進(jìn)行吊裝作業(yè)。吊裝二襯模板臺車主件時，確保吊裝過程的安全和穩(wěn)定。二襯模板臺車按照說明書規(guī)定的先后順序進(jìn)行吊裝和組裝，以確保裝過程的安全性。

2.6.3" "組裝質(zhì)量控制

二襯模板臺車在出廠前已經(jīng)進(jìn)行過廠內(nèi)組裝和調(diào)試，因此在施工現(xiàn)場組裝時應(yīng)比較順利。若遇到問題，應(yīng)參考出廠組裝記錄進(jìn)行調(diào)整。若因運輸導(dǎo)致二襯模板變形，應(yīng)盡量進(jìn)行校正，嚴(yán)禁使用氣割和電焊的方法處理二襯模板外表面，以防影響二襯模板表面光潔度和二襯混凝土的澆筑質(zhì)量。

2.6.4" "施工注意事項

在整個施工過程中，必須始終注意施工安全，特別是在吊裝和組裝過程中，確保施工人員和設(shè)備的安全。必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行每一步施工，特別是軌道鋪設(shè)和臺車組裝，以確保施工質(zhì)量和襯砌效果。必須定期檢查和維護臺車及其附屬設(shè)備，確保其正常運行，避免施工過程中出現(xiàn)故障。

3" "結(jié)束語

通過對隧道機械化配套施工工藝和關(guān)鍵施工技術(shù)的研究，展示了機械化施工在隧道工程中的重要作用和實際應(yīng)用效果。通過對不同施工方法的分析與比較，總結(jié)了適用于不同地質(zhì)條件和工程需求的最佳施工方案，詳細(xì)探討了設(shè)備選擇與配置、施工參數(shù)控制、施工質(zhì)量控制和安全管理等關(guān)鍵施工技術(shù)。研究表明，隧道機械化配套施工技術(shù)不僅能夠顯著提高施工效率和施工質(zhì)量，還能在復(fù)雜地質(zhì)條件下保持較高的施工安全性。

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