鐵路大斷面隧道拱架安裝施工技術(shù)研究

0 引言

國內(nèi)高速鐵路、高速公路大斷面隧道施工中，拱架安裝工序可使用的設(shè)備較少[1-2]，一般采用現(xiàn)場(chǎng)自制簡(jiǎn)易臺(tái)架進(jìn)行作業(yè)。該作業(yè)方式對(duì)臨邊防護(hù)不到位，且缺少強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，臺(tái)架依靠裝載機(jī)拖動(dòng)行駛，由此導(dǎo)致作業(yè)穩(wěn)定性較差、安全隱患大[3]。同時(shí)拱架搬運(yùn)、舉升、安裝全部依靠人工作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高[4]。在拱架安裝過程時(shí)，作業(yè)人員全部暴露在隧道開挖后未支護(hù)段，尤其在IV級(jí)、V級(jí)圍巖段，開挖面巖石掉塊頻繁，人員安全風(fēng)險(xiǎn)較高[5]。

針對(duì)隧道拱架安裝過程中存在的諸多問題，近年來眾多學(xué)者和施工企業(yè)進(jìn)行了探索研究。王全智等[6]研究了基于開挖與拱架安裝一體臺(tái)架的隧道拱架快速安裝施工技術(shù)。傅重陽[研究了高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體高效拼裝技術(shù)。馬賢尚[8開展了山區(qū)隧道鋼拱架高精度拼裝施工技術(shù)研究。孔文亞等[9研究了高速鐵路隧道鉆爆法機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)和裝備。蔣云東[10]對(duì)隧道多功能立架臺(tái)車快速安裝鋼拱架施工技術(shù)進(jìn)行了分析。本文結(jié)合玉磨鐵路萬和隧道特點(diǎn)，采用三臂拱架安裝機(jī)安裝型鋼拱架，解決了大斷面隧道拱架安裝難題。

1工程概況

玉磨鐵路萬和隧道位于云南省峨山縣萬和村附近，全長(zhǎng) 17441m 。其中，Ⅱ級(jí)圍巖 7040m ，Ⅲ級(jí)圍巖5080m ，IV級(jí)圍巖3370m，V級(jí)圍巖 1951m 。隧道設(shè)進(jìn)口工作面，3個(gè)輔助坑道（每個(gè)設(shè)2個(gè)工作面），明挖區(qū)間設(shè)2個(gè)工作面，共計(jì)9個(gè)作業(yè)面，施工組織難度大。

萬和隧道存在坍塌體、滑坡和順層、有害氣體、放射性、高地溫、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)，軟質(zhì)巖易發(fā)生大變形，地下水較發(fā)育，隧道施工中易產(chǎn)生突水、突泥危害。該隧道單個(gè)掌子面掘進(jìn)均達(dá)到 2500m ，是玉磨鐵路控制工期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程。隧道初期支護(hù)型鋼架多采用I18以上型鋼加工而成，單榀拱架重量達(dá) 1.306t ，人工立架舉升、拼接拱架困難。

2三臂拱架安裝機(jī)應(yīng)用可行性分析

針對(duì)萬和隧道圍巖類型及斷面形式，若采用傳統(tǒng)的人工鉆爆施工，完成鉆孔作業(yè)需要18~22人，進(jìn)行立架作業(yè)需要18~20人。若采用傳統(tǒng)的立架方式，作業(yè)人員明顯不足。若設(shè)置專業(yè)立架班組，又因所需人員較多，無法充分發(fā)揮工人的最大勞動(dòng)價(jià)值，導(dǎo)致窩工嚴(yán)重。而應(yīng)用三臂鑿巖臺(tái)車，鉆孔所需工人大幅減少，僅需3~5人。

三臂拱架安裝機(jī)安裝拱架時(shí)，可由中間主臂抓舉隧道拱部段拱架，兩側(cè)輔臂舉升隧道兩側(cè)邊墻拱架。隨后，兩側(cè)輔臂作業(yè)人員在操作籃內(nèi)進(jìn)行拱架拼接、固定，再由三個(gè)大臂操作籃內(nèi)作業(yè)人員分別進(jìn)行拱架連接鋼筋、鋼筋網(wǎng)片等安裝作業(yè)。施工工藝流程如圖1所示。

綜上所述，萬和隧道采用了三臂拱架安裝機(jī)進(jìn)行拱架安裝作業(yè)，作業(yè)人員只需5人，且與三臂鑿巖臺(tái)車所需工人可交叉調(diào)配使用，既能最大程度發(fā)揮工人的勞動(dòng)價(jià)值，又不會(huì)造成窩工，實(shí)現(xiàn)了鉆孔與立架作業(yè)的合理配置。

3關(guān)鍵施工技術(shù)分析

3.1 安裝機(jī)進(jìn)場(chǎng)

在拱架安裝前，先將拱架安裝所需材料全部運(yùn)至作業(yè)區(qū)，并分類堆放。三臂拱架安裝機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，需要啟動(dòng)柴油機(jī)頂升前方支撐缸，以減少作業(yè)過程中設(shè)備的晃動(dòng)。

圖1施工工藝流程

在拱架安裝之前，先關(guān)閉三臂拱架安裝機(jī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，再接通電源，開啟電動(dòng)機(jī)，并切換至電力驅(qū)動(dòng)。電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備無煙塵排放，洞內(nèi)空氣質(zhì)量不受影響，且作業(yè)過程噪音相對(duì)較小，便于人員之間溝通。之后升起前端支撐缸，調(diào)平設(shè)備。

3.2檢查開挖面

設(shè)備就位后，拱架安裝人員分別操作三臂拱架安裝機(jī)的三個(gè)操作平臺(tái)，近距離檢查開挖面，處理欠挖和松動(dòng)的危石。開挖面檢查合格后，三臂拱架安裝機(jī)兩側(cè)大臂采用卡具將拱架卡緊上部端頭1m位置，中間主臂采用機(jī)械手抓握拱架中心位置。三臂拱架安裝機(jī)檢查開挖面如圖2所示。

圖2三臂拱架安裝機(jī)檢查開挖面

3.3舉升拱架

測(cè)量人員采用全站儀在開挖面測(cè)量確定拱架安裝位置，設(shè)置控制點(diǎn)。前方工人利用三個(gè)大臂操作籃，可將控制點(diǎn)設(shè)置在掌子面任何位置，便于拱架安裝過程中工人使用。作業(yè)人員在三臂拱架安裝機(jī)操作籃內(nèi)，裝載安裝拱架所需的鋼筋網(wǎng)、連接筋、連接螺栓等材料，以及電焊機(jī)焊把鉗、焊條、扳手等工具。

待安裝的鋼拱架運(yùn)至作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)先拼接成拱部段和兩側(cè)邊墻段。三臂拱架安裝機(jī)中間主臂操作籃內(nèi)作業(yè)人員通過控制液壓缸，實(shí)現(xiàn)拱架翻轉(zhuǎn)、上升、前移等動(dòng)作，將拱架中間部分舉升到安裝位置后靜止不動(dòng)。兩側(cè)輔臂操作籃內(nèi)作業(yè)人員，通過控制液壓缸，將輔臂升高、收緊鋼絲繩將拱架前移，再采用斜支撐將拱架頂至安裝位置。

3.4拱架拼接

在中間主臂保持靜止的情況下，兩側(cè)輔臂依次向拱部中間段拱架連接板靠攏。在連接板緊密貼合后，采用螺栓固定牢固。拱架對(duì)接過程中，中間主臂必須保持固定不動(dòng)，鎖死抓舉鉗，防止拱架滑動(dòng)、墜落。拱架拼接過程全部由兩側(cè)輔臂作業(yè)人員完成。

操作人員根據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)，采用激光筆、鋼卷尺對(duì)拱架進(jìn)行初步定位。初步定位后，在拱頂、兩側(cè)拱腰位置分別焊接連接筋，對(duì)拱架進(jìn)行臨時(shí)固定，防止拱架脫鉤后傾倒。兩側(cè)輔臂作業(yè)人員松開夾具、移動(dòng)大臂，并檢查調(diào)整拱架。由測(cè)量班對(duì)拱架進(jìn)行精確定位，依次檢查并調(diào)整拱架間距、垂直度、中線位置、兩側(cè)拱腳標(biāo)高等相關(guān)參數(shù)，直到全部調(diào)整到位，完成精確定位。

3.5拱架位置校正

作業(yè)人員通過控制中間主臂缸，將拱架調(diào)整至指定位置后進(jìn)行永久焊接。兩側(cè)輔臂從拱腰位置，向下依次進(jìn)行拱架位置調(diào)整，再從下向上，依次焊接固定。在兩側(cè)邊墻及拱腰位置連接筋焊接完畢后，中間主臂機(jī)械手松開，3個(gè)操作籃內(nèi)的作業(yè)人員同時(shí)焊接連接筋，鋪掛鋼筋網(wǎng)片，確保間距均勻，且焊接牢固。

3.6安裝機(jī)退場(chǎng)

拱架安裝完畢后，將三臂拱架安裝機(jī)所有大臂收回。收起前端支撐缸，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，斷開電源，啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并將拱架安裝機(jī)駛離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

4現(xiàn)場(chǎng)施工效果

以萬和隧道進(jìn)口段三臂拱架安裝機(jī)作業(yè)段為例，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，每榀拱架總重 1.306t 。現(xiàn)場(chǎng)采用光面爆破，全斷面開挖（不含仰拱）一次性開挖，初期支護(hù)設(shè)計(jì)采用型鋼拱架與錨噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。

采用傳統(tǒng)的人工立架，每循環(huán)立架2榀，作業(yè)人員15人，平均安裝每榀拱架用時(shí)2h。采用三臂拱架安裝機(jī)進(jìn)行拱架安裝以來，萬和隧道進(jìn)口段每循環(huán)立2榀，作業(yè)人員5人，平均每榻拱架安裝耗時(shí)1.5h。平均每循環(huán)可節(jié)省1h，全隧采用三臂拱架安裝機(jī)安裝拱架，可節(jié)省時(shí)間累積 1600h ，工期可提前66d。另外，拱架安裝作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，掌子面作業(yè)人員少，徹底杜絕了掌子面超員施工現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。

5應(yīng)用效果分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

萬和隧道進(jìn)口段采用三臂拱架安裝機(jī)進(jìn)行拱架安裝作業(yè)，作業(yè)人員由15人減少到5人，平均每班可完成2榀立架。按每班每人工資200元計(jì)算，每班可節(jié)省人工費(fèi)2000元。萬和隧道進(jìn)口段正洞全長(zhǎng) 2600m ，共需安裝鋼拱架約3200榀。按每循環(huán)安裝2榀拱架計(jì)算，需施工1600個(gè)循環(huán)，累計(jì)節(jié)約人工費(fèi)為320萬元。

設(shè)備運(yùn)行期間，每班安裝作業(yè)按3h計(jì)算，耗電量為270kW?h. 。每度電按照1元計(jì)算，每班電費(fèi)為270元，1600個(gè)循環(huán)的總用電成本為43.2萬元。

設(shè)備運(yùn)行過程中，每臺(tái)班按行駛1h計(jì)算。柴油機(jī)每小時(shí)按電費(fèi)的2倍計(jì)算，即每小時(shí)180元，總柴油費(fèi)用為28.8萬元。

綜上所述，使用該設(shè)備后，凈節(jié)約費(fèi)用為248萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

在大斷面隧道拱架安裝過程中，采用三臂拱架安裝機(jī)進(jìn)行拱架舉升、拼裝，作業(yè)人員僅輔助安裝螺栓、鋼筋網(wǎng)片和連接鋼筋，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。三臂拱架安裝機(jī)具備自行能力，在安裝完拱架后，可自行離開作業(yè)面，無需輔助設(shè)備牽引。

拱架安裝過程中，作業(yè)人員在配備安全防護(hù)的操作籃內(nèi)作業(yè)。拱架舉升時(shí)，人員全部處于已支護(hù)段下方，避免進(jìn)入未支護(hù)段，安全風(fēng)險(xiǎn)低。操作籃可徑向、軸向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，作業(yè)人員能近距離調(diào)整拱架任意位置，安裝精度高。同時(shí)，三臂拱架安裝機(jī)的機(jī)械手伸縮、抓握自如，可自適應(yīng)抓握不同規(guī)格的型鋼拱架和格柵拱架，無需人員調(diào)整。

6質(zhì)量控制措施

三臂拱架安裝機(jī)安裝拱架時(shí)，可實(shí)現(xiàn)大斷面拱架一次性安裝，且拱架可一次性調(diào)整到位，避免分臺(tái)階施工時(shí)上臺(tái)階安裝的拱架位置偏差，影響后續(xù)下臺(tái)階拱架安裝質(zhì)量。

拱架安裝通過初步定位和精確定位兩個(gè)步驟，保證了拱架的間距、垂直度、高程等定位準(zhǔn)確。隧道拱架全斷面除仰拱外一次性安裝，鋼筋網(wǎng)片全環(huán)整體布置，確保了鋼筋網(wǎng)片的搭接質(zhì)量。

拱架安裝過程中，三臂拱架安裝機(jī)操作籃內(nèi)作業(yè)人員在旋轉(zhuǎn)操作籃時(shí)，需防止操作籃擠壓損壞液壓油管。三臂拱架安裝三個(gè)大臂的舉升荷載分別為兩側(cè)輔臂0.7t，中間主臂為1.1t，嚴(yán)禁過載舉升。

7結(jié)束語

在玉磨鐵路萬和隧道中，三臂拱架安裝機(jī)大斷面隧道拱架安裝技術(shù)得到了成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)拱架安裝方式對(duì)比，其具有工藝簡(jiǎn)單、方法新穎、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)，有效降低了隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，減輕了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了施工進(jìn)度，優(yōu)勢(shì)顯著。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)施工方法，該技術(shù)可節(jié)省近2/3的勞動(dòng)力，將傳統(tǒng)的體力勞動(dòng)變成了機(jī)械化操作，既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了隧道施工機(jī)械化應(yīng)用水平，推廣應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]雷在政，俞欣君，唐睿哲，等.大斷面隧道爆破施工方案及振動(dòng)衰減規(guī)律[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2024(20):90-92.

[2]宋衛(wèi)忠，尹吉才.公路隧道初期支護(hù)采用拱架安裝臺(tái)車應(yīng)用研究[J/OL].公路，2024(11):418-422.

[3]汪建衛(wèi)，吳云竹.簡(jiǎn)易臺(tái)架施工設(shè)計(jì)及受力安全檢算分析[].科技資訊，2008(6):34-35.

[4]吳月霞，許林新，張做鵬，等.特長(zhǎng)公路隧道鉆爆法快速施工技術(shù)[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2008(2):9-13.

[5]楊壯．隧道大跨度鋼拱架穩(wěn)定性控制措施[J].建筑安全，2024，39(7):38-41+46.

[6]王全智，賈力爭(zhēng)，徐星火.基于開挖與拱架安裝一體臺(tái)架的隧道拱架快速安裝施工技術(shù)[J].工程與建設(shè)，2024，38(2)：387-390.

[7]傅重陽.高鐵軟弱圍巖隧道多榀拱架整體高效拼裝技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2024，45(3):57-61.

[8]馬賢尚.山區(qū)隧道鋼拱架高精度拼裝施工技術(shù)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2023，50(12)：97-99.

[9]孔文亞，周立新，王君樓.高速鐵路隧道鉆爆法機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)和裝備[J].鐵道建筑，2024，64(6):109-113.

[10]蔣云東.隧道多功能立架臺(tái)車快速安裝鋼拱架施工技術(shù)分析[J].四川水泥，2023(6):224-226+229.