躍龍門隧道多功能鋼拱架安裝機快速施工配套技術

趙 岳

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100076)

1 引言

近些年，隨著我國鐵路建設網的全面鋪開，鐵路長大隧道、特長隧道逐漸增多，必然帶動隧道施工專業機械化的飛速發展。但我國的鐵路隧道建設機械化推廣和應用還受圍巖巖性的局限，多數施工單位認為機械化設備只適用于中硬質圍巖，軟弱圍巖不可行。

當前，我國鐵路隧道施工方法正處在由分部開挖向全斷面開挖過渡的階段。因為全斷面施工能采用大型高效的機械，工序減少，干擾也比較小，安全性能高[1]。工法的轉變帶動了整體機械化設備的專業水平及配套技術的成熟應用，尤其是鑿巖臺車的“開挖快”、濕噴機械手的“噴砼快”已經突顯出絕對優勢。隧道施工尤其是軟弱圍巖施工關鍵就是要突出一個“快”字，鋼拱架安裝機設備的研發和現場應用，正好彌補了“支護快”這一關鍵環節。

2 工程概況

由中鐵十九局集團負責承建的躍龍門隧道是成蘭線的控制性隧道，隧道采用雙線分修，左線長19 981 m、右線長20 042 m，最大埋深1 440 m。全隧采用“1平導+3斜井+2橫洞+2泄水洞+1副洞”輔助坑道設計結構(見圖1)。本標段施工成都端左線12 685 m，右線11 156 m，平導5 735.033 m。平導工區是整個成蘭線施工的控制及重難點工程，獨頭掘進距離長、反坡排水壓力大、交通運輸及通風排煙難度大。

圖1 躍龍門隧道輔助坑道及線路平面

按照鐵路安全支撐、機械配置高度化指導思想，共配置了阿特拉斯鑿巖臺車、履帶式扒渣機、鐵建重工濕噴機械手、多功能鋼拱架安裝機、C6多功能地質鉆機、仰拱多功能移動模板、防水材料及鋼筋施工臺架、全液壓帶逐窗溜槽系統二襯臺車、軌行式水溝電纜槽整體模板臺車等50多臺配套機械化專業設備。整體上形成以平導超前掘進為主攻方向、“長隧短打”增開施工作業面的快速機械化綜合配套隧道施工組織。

3 躍龍門隧道快速機械化的前期配置分析及不足探討

躍龍門隧道施工前期，機械化配置重點在施工組織，尤其是“快速開挖”方面。通過配置阿特拉斯鑿巖臺車，相較人工鉆爆而言，機械化快速優勢極為顯著[2]。隨后相繼配置了濕噴機械手、扒渣機等設備，逐步形成“快速噴砼”作業形式，但還不能算作全作業工序的設備配置配套，分析如下：

(1)隧道前期施工階段隧道支護工序中，鋼拱架安裝采用人工配合作業臺架施工。這種安裝方式施工人員多、勞動強度大、作業效率低，且安裝質量較差，施工安全風險較大[3]。

(2)隧道洞周應力演化規律的研究結果表明，及時支護可有效改善洞周應力分布和減少圍巖破碎范圍的發展。采用人工安裝鋼架進行支護作業，時間效應方面存在嚴重的質量安全隱患。

(3)“快挖快噴”大型機械化作業雖然效率高，但隧道是全工序流水線作業，隨著我國隧道全斷面、兩臺階帶仰拱等大斷面開挖工法的應用，人工支護變成限制機械化發展的“短板”，同時也限制了大斷面開挖技術的推廣[4]。

綜上所述，鋼拱架安裝的機械化設備發展勢在必行，并且在功能方面不僅僅局限于鋼拱架安裝，需要呈現出功能多樣化、靈活化[5]。

4 躍龍門隧道XZGMT411多功能鋼拱架安裝機施工配套技術

4.1 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機設備介紹

XZGMT411多功能鋼拱架安裝機由四川新筑智能工程裝備制造有限公司研發制造，可用于隧道工程鋼拱架(工字鋼、H型鋼、鋼格柵拱架等)的安裝(見圖2)。整機設置3個鋼拱架安裝機械臂和1個鑿巖臂。鑿巖臂配置1臺18 kW大功率鑿巖機，可滿足隧道初支系統錨桿、超前支護、鎖腳錨桿(管)的多樣性施工。設備具體參數見表1。

表1 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機相關參數

XZGMT411多功能鋼拱架安裝機有以下特點：

(1)整機采用正T型結構全工程底盤，四輪驅動，設計先進。

(2)動力性能優越，采用油電混合雙動力系統，滿足全工況施工要求。

圖2 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機

(3)滿足隧道鋼拱架安裝并具備安裝錨網、錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測排險等輔助作業功能，作業功能多用途。

(4)操作、維護、保養方便，雙無線遙控器操作，獨立操控。

(5)安全、環保、節能，采用低壓控制系統，高效節能、低噪聲。

4.2 鋼拱架安裝施工操作要點

(1)鋼架進場擺放。采用側翻式裝載機或者自卸車進行鋼拱架的裝運。在卸裝時應提前做好分類，主要將左右兩側預拼鋼架做好分區擺放，放在掌子面的兩側。應避免野蠻卸車導致鋼架變形無法拼裝[6]。

(2)臺車就位固定。由班組長根據隧道中線指揮安裝臺車準確就位，同時必須保證就位區域平穩堅硬，一般臺車鉆臂最前端應距離掌子面5～10 m(視隧道斷面大小確定)。排險后及時進行測量放樣，可采用工作框搭載測量人員在掌子面放設鋼拱架測量定位點[7]。

鋼拱架安裝班組配置：班組長1名、操作手1名、電焊工(兼輔助工)4名，合計6人。

(3)系統錨桿施工。測量放樣完畢后，操作鑿巖臂進行錨桿的鉆進施工，采用工作平臺2人跟進進行錨桿的安裝固定。

(4)鋼拱架場地預裝。安排工人2名，采用固定螺栓將連接板拼裝固定，分左右兩段進行預拼安裝，拼接右2節A單元+1節B單元，左邊1節A單元+1節B單元[8]，并采用墊腳撐將鋼拱架水平墊高30 cm。同時安排2名工人做好隧道支護所使用的電焊機(至少3臺)、鎖腳錨管、設備用電等工作。

(5)左右兩臂裝夾。左右拱架臂分別抓取右側2A+1B和左側1A+1B段。夾裝固定應牢固，且抓舉范圍內不得有人員靠近。

(6)整體鋼架舉升。操作左右拱架臂分別舉升至兩側初支對應安裝位置，進行空中對接。

(7)空中合龍固定。由班組長進行指揮，2名工人可直接站在平臺工作臂籃中操作平臺工作臂指導空中合龍操作。鋼架合龍后重新復核測量點，確保安裝精度滿足驗標要求。通過工作平臺進行鋼拱架的連接板法蘭螺栓、環向連接筋、鋼筋網片的固定連接施工，或者采用左右兩臂將夾具更換成工作框以加快焊工操作速度。鋼拱架安裝應采用由外而內的順序逐榀施工[9]。

(8)鎖腳錨桿(管)施工。鋼架安裝完畢后應立即進行鎖腳施工。采用鑿巖臂進行鉆孔，由人工配合完成安裝和注漿作業。

(9)臺車清理撤離。所有施工作業完畢后，將臺車液壓支腿收起后撤離。

圖3 鋼拱架安裝機現場鋼架安裝施工

4.3隧道軟巖大變形段“快速支護”應用效果

針對躍龍門隧道軟巖大變形段落施工，總體施工宗旨體現在一個“快”字，確保“開挖快、支護快、成環快”。結合鑿巖臺車、濕噴機械手的高效應用，最大限度縮短整體開挖到成環時間。

(1)軟巖大變形施工在“快速支護”方面重點控制工序為系統錨桿施工和鋼拱架安裝兩個環節。隧道開挖初噴后應立即施作系統錨桿，而后安裝鋼拱架以及超前支護。自帶鑿巖機械臂的多功能鋼拱架安裝機可以“一次就位、三工序銜接”，免去了采用鑿巖臺車設備進出作業面的調轉時間[10]。

(2)軟巖大變形段機械化施工普遍采用全斷面或兩臺階帶仰拱的大斷面施工方法，而傳統的兩臺階、三臺階人工操作，只鋼拱架A單元重達840 kg，人工安裝需消耗大量體力方可實現，且需要8～14人共同操作，功效低，且安全風險較高[11]。

(3)采用XZGMT411多功能鋼拱架安裝機進行大變形段H型鋼鋼架安裝，利用其3個可伸縮式機械臂采用電比例控制，能夠靈活、精準、快速實現對拱架的抓舉安裝，三臂可單獨或平行作業。單臂機械手最大夾持重量1 t，作業高度可達12.8 m。

鋼拱架抓舉、粗調、精調、定位、焊接等總體工序時間約每榀1 h，較傳統人工整整減少了近8 h，且該設備采用雙無線遙控器操作，三臂機械手獨立操控，操作人員處于安全區域，有效避免零散落石的危險。

綜上分析，躍龍門隧道軟巖大變形施工中機械化配置及應用情況證明，通過各種機械相互協調配合、優勢互補形成“快速”施工，變形控制效果極其顯著[12]。

5 結束語

根據前期設備調研及目前現場設備應用情況總結，隧道機械化施工設備的配置應綜合分析，按照“配置配套”的總體思路進行選型。針對鋼拱架安裝機配置選型提出以下幾點建議：

(1)隧道開挖斷面及工法。鋼拱架安裝機適用于全斷面及兩臺階大斷面隧道施工，單線小斷面、輔助坑道及三臺階施工不建議使用；應根據實際施工情況合理選擇機械臂數量配置，目前均為三臂操控，XZGMT411為四臂，單線隧道施工空間受限，可參考XZGT311三臂型號。

(2)隧道作業面數量及施工組織。工程機械底盤和履帶式底盤在隧道施工工況條件下均能滿足復雜環境，如工作面較多且頻繁調轉建議考慮靈活性較高的工程機械輪式行走臺車；如單工作面且錯車空間較大的作業面建議采用履帶式機械底盤，因其配重大工作性能穩定。

(3)隧道支護參數及措施。按照鋼架形式、單元重量、錨桿形式及數量選擇機械臂方案，避免出現“小馬拉大車”的不合理配置。

(4)隧道造價。機械化配置配套設備費用較高，應結合隧道投資造價，綜合分析機械化與人工成本的對比，選擇最優經濟性方案。但是考慮到“以人為本”的宗旨，鋼拱架安裝機的普及與推廣十分必要。