羅家山隧道機械化施工對川藏鐵路建設的啟示

郭自敏

(中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024)

1 引言

在國家實施《中國制造2025》實現(xiàn)“制造強國”的戰(zhàn)略目標及鐵路總公司“交通強國、鐵路先行”的管理目標引領下，鄭萬高鐵湖北段羅家山隧道施工率先開展機械化配套施工的研究和探索，并取得了初步成果，對推動隧道機械化配套施工進程具有重要意義[1-2]。

本文總結羅家山隧道機械化配套施工“一洞九線”流水作業(yè)線，以期為川藏鐵路建設提供借鑒[3]。

2 工程概況

羅家山隧道全長10 640 m，最大埋深約470 m。隧道圍巖等級分別為Ⅲ級4 240 m，占40.02%；Ⅳ級5 155 m，占48.66%；Ⅴ級1 200 m，占11.32%。采用“三平導＋一斜井＋一橫洞＋一泄水洞”的輔助坑道方案，見圖1。隧址區(qū)巖溶發(fā)育，可溶巖段長6 905 m，占隧道總長的64.9%，雨季最大涌水量為116 910 m3/d，為Ⅰ級風險隧道。

圖1 羅家山隧道輔助坑道平面布置

3 機械化流水作業(yè)線

羅家山隧道機械化配置以機械、工裝為基礎，借助信息化手段，打造“洞口工廠、洞內車間”，形成隧道施工9條作業(yè)線[4-5]，即“一洞九線”，即地質預報作業(yè)線、預加固作業(yè)線、開挖作業(yè)線、初支作業(yè)線、仰拱作業(yè)線、防排水及二襯鋼筋作業(yè)線、二襯及養(yǎng)護作業(yè)線、溝槽作業(yè)線、工后檢測作業(yè)線。“一洞九線”設備配置見表1。

表1 羅家山隧道“一洞九線”設備配套

3.1 地質預報作業(yè)線

將超前地質預報納入工序進行管理。在出渣后至初噴前對掌子面圍巖級別和穩(wěn)定性進行判定，通過物探及鉆探結果結合三臂鑿巖臺車WMD地質云圖像綜合分析掌子面前方的圍巖地質，準確判定掌子面及前方圍巖級別，確定適宜的工法、支護參數(shù)及加固措施。

利用鑿巖臺車實現(xiàn)快速超前鉆探、隧底及周邊隱伏巖溶探測。目前，已驗證鑿巖臺車超前鉆探長度能達到30 m，同時在隧底及周邊隱伏巖溶探測方面優(yōu)勢明顯。為提升超前預報準確性及其工效，建議川藏線在施工裝備上持續(xù)研發(fā)長大鉆孔深度的鑿巖機，并進行現(xiàn)場驗證。

3.2 預加固作業(yè)線

預加固主要采用高壓注漿、超前管棚和超前小導管等技術。

(1)高壓注漿

高壓劈裂注漿工藝操作簡便，可有效加固掌子面前方圍巖，控制掌子面鼓出變形，保證施工安全。建議在川藏線使用智能化注漿設備提高注漿質量及效率；配合超前支護，實現(xiàn)在軟弱圍巖條件下大斷面快速施工。

(2)超前管棚

使用鑿巖臺車施工長管棚需多次接鉆桿，管棚安裝困難，工序時間過長；由于管棚施工受制于臺車鑿巖機，導致外插角大、長管棚尾部上挑高度過高，失去超前支護作用，需對鑿巖機自身進行研發(fā)；而短管棚盡管加固效果好，但工效不理想，如施工φ60 mm中管棚長度9 m，搭接3 m，導致2～3 h循環(huán)施工1次管棚。按每次12～14 h計算(含注漿)，折合超前預加固單循環(huán)3～4 h。因此，超前管棚是影響其進度的主要工序之一。

(3)超前小導管

超前小導管施工方法簡單，不受設備配置影響，從工效、安全、質量等方面綜合效益明顯。

建議川藏線結合國家及行業(yè)標準，在裝備自身上對鑿巖機零部件自主設計并國產化，滿足長大管棚的有效合理施工應用。同時，為提升進度工效，建議Ⅳ級、Ⅴ級偏強圍巖超前支護采用超前小導管，Ⅴ級偏差圍巖超前支護采用超前管棚。

3.3 開挖掘進作業(yè)線

超前預加固過的圍巖，可有效減小收斂變形。通過合理選配工裝設備，緊湊組織工序作業(yè)，可以實現(xiàn)不同地質圍巖條件下的全工序隧道大斷面開挖，初期支護一次封閉成環(huán)。

每循環(huán)進尺:Ⅳ級、Ⅴ級圍巖采用超前管棚及高壓注漿加固后不大于4榀拱架間距；超前管棚填充注漿或小導管超前注漿加固后不大于3榀拱架間距。

基于掌子面圍巖和初支的穩(wěn)定(通過圍巖量測和應力應變測試等監(jiān)測手段判定)，羅家山隧道大斷面施工機械化配套分三種工法，即全斷面帶仰拱工法、全斷面不帶仰拱工法、微臺階工法。

結合鄭萬線鑿巖臺車的應用，2臺鑿巖臺車(6～8人)與人工風動鑿巖機(20～23人)鉆孔速度相當(能減少鉆孔工人14～17人)，安全性高、勞動強度低。要提高綜合工效，主要取決于開挖及其它工裝的配套是否到位。整個開挖循環(huán)不僅僅是鑿巖臺車單工種作業(yè)，還有裝藥、通風、排煙及出渣工序等，例如裝藥時，裝藥人員要依靠機械臂進行裝藥作業(yè)，同時裝藥作業(yè)人員最多7人，在裝藥環(huán)節(jié)慢于人工作業(yè)。建議川藏線采用混裝炸藥，使用專用裝藥設備，實現(xiàn)快速裝藥。

3.4 初期支護作業(yè)線

明確隧道初期支護和圍巖為主要承載結構，二次襯砌作為安全儲備。

拱部錨桿采用φ25 mm預應力錨桿，邊墻采用φ22 mm普通砂漿錨桿，預應力錨桿見圖2。錨桿采用三臂鑿巖臺車或多功能鉆機施作，噴射混凝土采用濕噴機械手，型鋼鋼架采用三臂(筐)鋼架安裝機或多功能安裝臺架施作。

圖2 預應力錨桿

通過一系列配套工裝的運用確保了錨桿安裝質量、初期支護鋼架安裝的準確性和混凝土施工質量，減輕了勞動強度和環(huán)境污染。預應力錨桿的運用有效地加固了洞身段圍巖，達到了主動加固圍巖、提升圍巖自穩(wěn)性的效果，保證了施工安全。

3.5 仰拱作業(yè)線

自行式液壓仰拱棧橋自帶弧模、擋頭模板和中心水溝模板，自帶止水帶定位裝置、鋼筋定位卡具，以工裝為基礎，保證隧道仰拱施工質量。施工時，在第一段仰拱澆筑后開挖第二段仰拱，做到仰拱與仰拱填充分開澆筑、上一板混凝土澆筑和下一板鋼筋綁扎同步流水作業(yè)[6]。

3.6 防水板與二襯鋼筋安裝作業(yè)線

防水板及二襯鋼筋安裝采用項目部自主研制的“防水板及鋼筋自動安裝一體機”。減少了勞動強度、提高了施工效率，工作安全系數(shù)高，安裝質量更有保證。安裝鋼筋時，利用鋼筋卡槽通過牽引可將數(shù)根長達26 m的環(huán)向鋼筋一次性提升至拱頂安裝就位；安裝防水板時，能夠做到6.0 m寬幅防水板的自動安裝[7-8]，見圖3。

3.7 二襯混凝土灌注及養(yǎng)護作業(yè)線

(1)二襯混凝土灌注作業(yè)

二襯混凝土灌注采用智能化二襯臺車，通過遙控操作機械臂實現(xiàn)分層逐窗澆筑，大大降低了勞動強度、提高了施工效率；采用軟搭接技術，確保二襯接縫位置不損壞[9-12]，見圖4。

圖3 防水板及鋼筋自動安裝一體機

圖4 智能化二襯臺車

(2)二襯混凝土養(yǎng)護作業(yè)

二襯混凝土的養(yǎng)生采用噴淋養(yǎng)護臺架進行，使二襯混凝土持續(xù)保持濕潤，充分養(yǎng)生，有效避免混凝土表面收縮裂紋出現(xiàn)，混凝土強度得到保證。

3.8 水溝電纜槽作業(yè)線

采用整體式溝槽模板臺車進行水溝電纜槽施工，實現(xiàn)整體快速施工。澆筑溝槽整體線形順直，外觀質量好。

3.9 工后檢測作業(yè)線

項目配備了專用檢測車，成立檢測小組，明確檢測內容、頻次和責任人。

4 綜合評價與分析

4.1 機械化和人工作業(yè)人員數(shù)量對比分析

結合鄭萬高鐵羅家山雙線隧道機械化配套作業(yè)和人工作業(yè)各工序用工量統(tǒng)計并做對比，主要工序共減少用工59個，見表2，占人工作業(yè)總人工數(shù)的43%，考慮現(xiàn)場實際臺車鉆孔和裝藥爆破為同一班人、二襯鋼筋和二襯防水板為同一班人，實際可減少主要作業(yè)人員42人。

表2 羅家山隧道機械化和人工作業(yè)人員數(shù)量對比

4.2 進度分析

(1)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖鑿巖臺車鉆孔速度較快，但裝藥速度慢，在Ⅲ級圍巖施工中每循環(huán)進尺增加0.9 m，進度指標綜合提升11%。

(2)Ⅳ級圍巖拱架安裝速度明顯加快，中管棚超前支護采用機械化配套作業(yè)時間增加3.7 h，循環(huán)進尺增加1.2 m，進度指標綜合提升19%。

(3)Ⅴ級圍巖拱架安裝速度明顯加快，中管棚超前支護采用機械化配套作業(yè)時間增加3 h，循環(huán)進尺增加0.8 m，進度指標綜合提升15%。

4.3 安全、環(huán)保、質量分析

隧道機械化配套施工在安全、環(huán)保、質量方面具有明顯的優(yōu)勢。極大地減少了人員投入，減輕了勞動強度，保障了施工安全及質量，降低了環(huán)境污染，提升了施工效率。

(1)鑿巖臺車

鑿巖臺車在超前地質預報、超前支護、開挖、初期支護等工序鉆孔作業(yè)，實現(xiàn)“一機多用”。錨桿、管棚、小導管和鎖腳錨管等的施工質量顯著提高；炮眼位置易于控制，光爆效果好，但存在因周邊眼外插角較大，隨進尺增大而導致超挖大的劣勢。

(2)鋼架安裝臺車

實現(xiàn)了全自動抓舉大斷面鋼架并精準定位安裝；提高了作業(yè)人員的安全性，具有人工少、勞動強度低、工效快的優(yōu)勢。

(3)濕噴機械手

濕噴機械手較好地解決了施工作業(yè)環(huán)境差的問題，降低了粉塵的產生，大幅提高工效；更好地保證了噴射混凝土施工質量。

(4)自行式仰拱棧橋

實現(xiàn)了仰拱與填充混凝土的快速流水施工，減少工序間干擾，給仰拱填充混凝土提供充分養(yǎng)護時間，且減少了輔助定位鋼筋數(shù)量。

(5)防水板及二襯鋼筋一體機

增加二次襯砌鋼筋定位卡具，通過調整卡具的位置，實現(xiàn)對環(huán)向鋼筋間距、層間距和保護層的精確定位，實現(xiàn)一機多用。

5 對川藏鐵路建設的幾點建議

(1)機械化配套是川藏鐵路建設的必然選擇，更是建筑市場未來的發(fā)展方向，施工企業(yè)必須扎實研究并踐行。

(2)機械化配套是由研制、試用、改進再到出廠、更新?lián)Q代的過程，需要研發(fā)和使用單位的密切配合。

(3)人才培養(yǎng)相對于機械配套更值得關注，特別是大型高端設備的操作、維養(yǎng)人才的培養(yǎng)。

(4)從本項目在對軟弱圍巖采取超前預加固條件下采用鑿巖臺車機械化配套作業(yè)看，方案是可行的，但加固成本要考慮。

(5)針對川藏鐵路地質及地理條件的復雜性，同時考慮建設工期和施工成本要求，建議采用大型機械化配套與人工鉆爆并用的綜合施工方案。特長及輔助坑道修建困難的隧道優(yōu)先考慮TBM機械化配套掘進作業(yè)；長大及有條件的隧道考慮三臂鑿巖臺車配套掘進作業(yè)；短隧道、特殊地質段、輔助坑道與正洞接口等考慮人工鉆爆掘進開挖作業(yè)。

6 結束語

鄭萬鐵路羅家山隧道在“以工裝保工藝，以工藝保質量”、“機械化與信息化高度融合”的思想引導下，經過多方面的創(chuàng)新和探索，堅持采用機械化成套配置，“配”是前提，“套”是關鍵，實現(xiàn)高速鐵路隧道大斷面安全快速掘進。通過隧道機械化配套，減少了作業(yè)人員數(shù)量、減低了勞動強度，同時大幅降低了人員安全風險、提高了整體工效，并在施工過程中總結形成多項專利和工法。鄭萬鐵路9條作業(yè)線機械化配置方案可作為川藏鐵路隧道施工機械化配置的有益借鑒。