基于潛孔鉆機、組合式棧橋的仰拱帶深埋水溝施工技術研究

錢富林

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

隧道深埋水溝的設置作為一項新的技術，在國內外已有一些相關研究:如趙俊杰[1]指出高寒地區的隧道防排水影響因素較多，解決諸多問題的技術還不夠成熟；沈文剛[2]強調做好嚴寒地區隧道防排水施工工作具有重要的意義；曹振興[3]指出隧道深埋水溝的應用，隨著高鐵的迅猛發展將逐步登上隧道防水體系的舞臺，但在施工過程中增加了深埋水溝施工工序及深埋水溝受斷面限制開挖爆破施工難于控制，如何控制深埋水溝開挖超欠挖，開挖支護、埋管等作業與掌子面掘進、支護同步平行作業成為急需解決的問題；魏奎斐等[4]指出深埋水溝開挖較深、斷面受限，圍巖擾動較大、超挖較大、危險性高；趙巖[5]指出深埋水溝施工難度大、工序時間長，是制約隧道施工進度的關鍵因素。通過市場調查分析，深埋水溝開挖一般采取人工爆破形式，存在受深埋水溝斷面限制(一般為仰拱下深1.8 m、寬2 m)，爆破難度較大、超欠挖難于控制，本文成功應用了潛孔鉆機的定向鉆孔爆破，較好地控制深埋水溝超欠挖；深埋水溝、仰拱施工基本采取自行式液壓棧橋施工，自行式液壓仰拱棧橋是目前隧道施工中的新型工裝[6]，具有前后、左右移動功能，但不具備上下移動功能，深埋水溝開挖、支護等工序施工時將嚴重影響隧道掘進，為此研發了“隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋”[7]專利技術，利用長引橋自動升降功能，實現了深埋水溝及仰拱開挖、支護、澆筑混凝土等各道工序與隧道掘進同步、平行、交叉施工，消除了制約因素，加快了施工進度。

2 工程概況及難點分析

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-3標段位于山西省晉中市榆社縣，累年極端最低氣溫-25.1℃，最冷月平均氣溫-11.9℃，凍土深度76 cm。標段內隧道全長15.127 km，隧道設計有3 km深埋中心水溝、1 km保溫中心水溝、11.127 km普通中心水溝。深埋水溝在仰拱初支底部，深度1.8 m，呈梯形，上口寬2 m、下口寬1.25 m，支護形式為:Ⅵ、Ⅴ級圍巖采取15 cm噴錨支護、18拱架、28 cm噴射混凝土支護形式，Ⅲ級圍巖無初期支護形式。施工期間，深埋中心水溝施作已成為重要施工環節，包含開挖、出碴、支護、埋管、防水、澆筑混凝土等多道施工工序，施工過程中存在阻斷交通的問題，對隧道掘進施工產生較大影響，從而影響施工進度。

加快深埋中心水溝施工進度、減少中心水溝施工對仰拱施工進度的制約，確保施工安全是工程施工的關鍵[8]。本文針對新建太焦鐵路榆社隧道設置深埋水溝施工過程中出現的難點進行分析如下:

(1)深埋中心水溝設置在隧道仰拱基面以下，深度達到1.8 m，開挖爆破及控制超欠挖成為施工控制的難點技術。

(2)深埋中心水溝施工工序多，與掌子面掘進、仰拱施工相互制約、影響，如何達到平行交叉作業成為施工組織急需解決的問題。

(3)采取常規的人工爆破作業、單施工環節組織施工等方法，存在爆破質量難于控制，窩工現象比較嚴重，施工進度緩慢。

3 總體方案

為解決以上問題，應用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機進行深埋水溝定向爆破代替人工爆破形式，提升開挖爆破質量；加工制作19 m長引橋與自行式液壓棧橋組合，實現長引橋與自行式棧橋整體移動，長引橋液壓升降，達到隧道掘進、深埋水溝、仰拱等施工平行、交叉作業的目的，縮短工序循環時間，加快了施工進度。

4 深埋水溝開挖施工

4.1 潛孔鉆機施工工藝原理

傳統鉆爆法開挖難度非常大，耗時較長，超欠挖較大[9]。因此應用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機鉆孔，就是根據深埋水溝結構尺寸，調整鉆孔角度，保證豎向鉆孔深度，避免了普通鉆機豎向高度不足需多次分層爆破的問題，同時滿足爆破結構尺寸的要求。起爆順序為:中線孔不裝藥、不起爆，自中線向外一次起爆，達到爆破效果。

4.2 潛孔鉆機爆破施工技術要點

深埋水溝在仰拱底部向下為梯形槽，中線設間距50 cm一排縱向孔，一次性鉆至設計深度，不裝藥、不爆破，起到增加臨空面的作用，達到爆破效果。根據深埋水溝設計呈梯形的特點，鉆孔設計為:縱向沿中線間距50 cm鉆一排深度1.8 m孔，在中線兩側間距50 cm、1m各鉆一排傾角78°孔，距離中線50 cm孔深度為1.6 m、距離中線1 m孔深度1.8 m，中線縱向鉆一排間距50 cm孔(不裝藥、不起爆，起增加臨空面作用)起爆順序為:自中心向兩側起爆。布孔形式見圖1、圖2。

圖1 潛孔鉆機布孔斷面圖(單位:cm)

圖2 潛孔鉆機布孔平面圖(單位:cm)

4.3 效果分析

通過對隧道進、出口采取人工爆破及潛孔鉆機爆破效果統計分析，具體統計數據見表1。

表1 超欠挖數據統計分析

根據表1，采用潛孔鉆機爆破比人工爆破平均節省時間28.6%，深埋水溝底部超挖減少62.5%，右側壁超挖減少42.9%，左側壁超挖減少37.5%，說明采取潛孔鉆機爆破施工深埋水溝取得了良好的效果。

5 自行式升降組合棧橋設計與施工

5.1 自行式升降組合棧橋設計

5.1.1 結構設計

隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋就是在自行式棧橋前端加工、制作、安裝一副簡易長引橋，以實現深埋水溝施工與仰拱施工同步、交叉的目的。長引橋與自行式棧橋連為整體，隨自行式棧橋行走系統整體移動，長引橋增加電動升降系統，以自行式棧橋前端橫梁為支點上下旋轉，通過升降長引橋可實現引橋底部深埋水溝、仰拱初期支護施工，自行式棧橋底部進行仰拱各項工序施工，消除相互間干擾，減少工序循環時間，達到加快施工的目的。自行式升降組合棧橋見圖3。

圖3 自行式升降組合棧橋示意

利用 45工字鋼或H型鋼自制長度19 m簡易棧橋，利用3 cm高強鋼板在自行式棧橋前橫梁及自制棧橋一段焊制旋轉軸，利用銷子穿接，實現以自行式棧橋前橫梁為支點，上下180°旋轉，為長引橋下部深埋水溝、仰拱初支施工提供了足夠的操作空間。

自行式棧橋前端兩側豎梁加高，安裝液壓拉伸系統，利用拉伸系統實現長引橋斜向拉升至垂直高度5 m，以實現長引橋下機械施工。

組合式棧橋在長引橋拉升后隨自行式棧橋電動行走整體移動。

5.1.2 建模計算

建立模型計算油缸拉力(見圖4)。

圖4 計算模型

長引橋斜向拉力計算:長度19 m，起拉點距支點12 m，總重為10 t，旋轉提升高度1.8 m，建立單約束計算模型為:

因此，選擇斜向油缸拉力要按照斜向拉力的1.2倍配置，即1 580 kN。

5.2 自行式升降組合棧橋施工

5.2.1 仰拱、深埋水溝初期支護

對隧道工程施工進行科學的組織設計和嚴格的施工管理是非常重要的[10]。以太焦鐵路Ⅳ級圍巖施工為例，隧道仰拱及深埋水溝初期支護每個循環施作長度3 m，四個循環施作12 m后開始仰拱防排水、鋼筋、混凝土澆筑等工序施工。掌子面掘進施工具備條件后升起組合棧橋長引橋，隨掌子面掘進施工(鉆孔約3 h，裝藥約0.5 h，現場清理及準備爆破約0.5 h)的同時在長引橋前端開挖仰拱，仰拱開挖每循環3 m，仰拱開挖爆破后，長引橋隨棧橋整體前移3 m，降下長引橋搭在未開挖仰拱頂面上進行出碴作業，仰拱開挖及出碴時間約2.5 h。出碴完成后升起引橋，利用潛孔鉆機開挖深埋水溝，深埋水溝鉆孔爆破約1.5 h，爆破完成后降下長引橋，開始掌子面爆破作業。潛孔鉆機鉆孔及棧橋移動見圖5、圖 6。

圖5 潛孔鉆機鉆孔施工

圖6 組合棧橋移動就位

隧道掌子面爆破后首先進行深埋水溝出碴(約0.5 h)，出碴完成后及時組織進行仰拱初期支護、深埋水溝初期支護施工(約2 h)，同時進行掌子面出碴(約2.5 h)。出碴完成后，掌子面開始初噴混凝土、打設錨桿、架設鋼拱架、安裝網片及連接鋼筋等，施工時間約5 h，復噴混凝土約3 h，同時可進行一循環3 m仰拱、深埋水溝開挖及初期支護施工；掌子面復噴混凝土約3 h，可進行深埋水溝埋管、澆筑混凝土施工(約2.5 h)。因此可實現掌子面掘進施工1循環，仰拱及深埋水溝施工2循環6 m，掌子面掘進施工2循環/d，仰拱及深埋水溝可完成12 m/d，同時利用長引橋解決了仰拱、深埋水溝施工對掌子面施工的影響，達到了同步、平行交叉作業的目的(見圖7)。

圖7 仰拱、深埋水溝平行交叉施工

5.2.2 仰拱施工

仰拱防排水、鋼筋、模板安裝及混凝土澆筑利用掌子面開挖掘進、初期支護時間、復噴混凝土時間進行施工，可利用時間約11.5 h，滿足仰拱各道工序施工時間要求，即仰拱施工完成時間為1 d；另外利用1 d時間進行養護及達到強度要求，即每12 m仰拱、深埋水溝施工時間為3 d。

6 潛孔鉆機+組合式棧橋施工優點

6.1 施工便捷、質量易控制

深埋水溝鉆孔采用ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機，占用空間小、移動方便，施工干擾小，鉆孔深度、角度得到有效控制，鉆孔速度快，超欠挖控制較好。

6.2 操作簡單、便于施工

ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機采用0.5 m、1 m、1.5 m等型號鉆桿，隨鉆進深度絲扣連接，實現深孔鉆孔施工，解決了普通鉆孔自上向下深孔難于施工的問題。

6.3 同步交叉施工、加快施工進度

深埋水溝施工過程中加快其施工進度，確保施工安全與質量是隧道水溝施工的最大難題[11]。隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋增加了長引橋，實現了長引橋下方深埋水溝施工、仰拱初支施工與棧橋下方仰拱施工平行、交叉作業的目的，加快深埋水溝、仰拱施工進度(節省1/3時間，即1.5 d)，保證安全步距要求，特別是對工期緊時效果更佳。

6.4 安全可靠

加快深埋水溝施工進度，減少對隧道拱墻初期支護的影響，確保施工安全是工程施工難題[12]。隧道深埋水溝施工用自行式升降組合棧橋全部采用電動整體行走、電動液壓升降系統，操作簡單、方便，施工干擾小，同時通過中間防護實現“上下分離、前后分區”，安全可靠。

7 結束語

隧道深埋水溝開挖、支護、埋管、澆筑混凝土及仰拱開挖、支護施工工序均在隧道掌子面掘進與仰拱施工之間，每四循環達到12 m長度方可施工仰拱鋼筋、澆筑混凝土等，且開挖后基底滲水較多，抽排水工程量較大、占用時間較長，太焦鐵路成功應用潛孔鉆機+組合式棧橋的仰拱帶深埋水溝施工技術，解決了以上問題，為同類型隧道施工提供可借鑒經驗。

(1)ZGYX410型液壓行走潛孔鉆機與普通YT28鑿巖機開挖法對比，爆破超欠挖量減少了50%以上(傳統開挖法平均超挖30 cm，潛孔鉆機開挖平均超挖15 cm)。

(2)設計的自行式升降組合棧橋，實現了組合式棧橋長引橋下部利用潛孔鉆機鉆孔、出碴、抽排水及仰拱初支施作，仰拱棧橋底部施作仰拱鋼筋、模板、混凝土澆筑等，達到了隧道掘進、深埋中心水溝、仰拱三個區域交叉、平行作業的目的。

(3)組合式棧橋與普通棧橋施工對比，單工序循環時間節省1/3(普通棧橋施工時間為4.5 d、組合式棧橋施工時間為3 d)，減少了爆破施工人員配置及爆破器材的投入，縮短施工循環作業時間，加快了仰拱施工進度，從而提升隧道施工效率。