機(jī)械化施工在公路隧道安全管理中的應(yīng)用

藍(lán)樹(shù)雄　余永盛　黃偉倫

摘要：文章結(jié)合堆角隧道工程實(shí)例，介紹了三臂鑿巖臺(tái)車(chē)、濕噴機(jī)械手、多功能拱架臺(tái)車(chē)及其他隧道機(jī)械化設(shè)備在公路隧道安全管理施工中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，并與傳統(tǒng)施工工法進(jìn)行對(duì)比，從人員投入、工時(shí)、質(zhì)量、安全性等方面分析了機(jī)械化施工在公路隧道安全管理中所起到的作用，為同類(lèi)工程的施工安全管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：公路隧道施工;機(jī)械化;安全管理

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.1A240884

0 引言

公路隧道施工正朝著機(jī)械化施工方向發(fā)展，各類(lèi)機(jī)械化施工設(shè)備不斷推陳出新。實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化不僅能從降低施工人員人數(shù)、減少施工作業(yè)時(shí)間、改善施工作業(yè)方式這幾方面對(duì)施工人員提供安全保障，還能保障施工作業(yè)質(zhì)量，提升結(jié)構(gòu)安全性及耐久安全性[1]。在大跨徑公路隧道施工過(guò)程中，新奧法施工理念中充分利用圍巖自穩(wěn)能力與及時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)的觀點(diǎn)，也是保障不良地質(zhì)段大跨徑公路隧道施工安全的重要手段，而機(jī)械化施工的高效則能夠強(qiáng)化開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)作業(yè)的連續(xù)性，符合隧道施工早封閉的理念。國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道機(jī)械設(shè)備的性能、施工工藝、施工質(zhì)量等都有深入的研究，本文通過(guò)對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車(chē)、濕噴機(jī)械手、多功能拱架臺(tái)車(chē)及其他隧道機(jī)械化設(shè)備在公路隧道施工中對(duì)安全管理起到的作用進(jìn)行研究，為隧道安全管理提供借鑒和參考。

1 工程概況

堆角隧道為雙洞分離式長(zhǎng)隧道，位于廣西壯族自治區(qū)百色市榜圩鎮(zhèn)，隧道區(qū)地處低緯度地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。隧道為雙洞單向三車(chē)道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 282 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。非加寬段最大開(kāi)挖寬度為18.48 m，最大開(kāi)挖高度為12.38 m，斷面尺寸較大，施工難度較高。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，山體連綿，地形起伏較大。隧道巖性以粉砂質(zhì)泥巖、砂巖和泥巖為主，圍巖均為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，且存在沖溝、水平巖層等不良地質(zhì)段，冒頂片幫、涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)較高。

根據(jù)實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)投入三臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行不良地質(zhì)段鉆孔作業(yè);投入濕噴機(jī)械手進(jìn)行噴射混凝土作業(yè);投入拱架臺(tái)車(chē)進(jìn)行鋼拱架安裝作業(yè)，力求解決大跨徑隧道施工中風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高，安全隱患較大的問(wèn)題。

2 施工機(jī)械在隧道安全管理中的應(yīng)用

2.1 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)

項(xiàng)目采用湖南五新隧道WD310D電腦導(dǎo)向三臂鑿巖臺(tái)車(chē)。該電腦導(dǎo)向鑿巖臺(tái)車(chē)可以按照程序預(yù)設(shè)自動(dòng)完成如鉆孔定位、鉆進(jìn)、反饋與調(diào)整等一系列工作，也可完成系統(tǒng)錨桿鉆孔安裝作業(yè)，顯著提升施工效率與精度，同時(shí)作業(yè)環(huán)境得以改善、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在爆破開(kāi)挖與錨桿作業(yè)的安全管理方面有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）通過(guò)電腦控制系統(tǒng)，輔以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖條件人工調(diào)整參數(shù)，能根據(jù)鉆爆設(shè)計(jì)精確控制鉆眼角度及深度，避免補(bǔ)炮，節(jié)約工時(shí)，提升工序的銜接性，讓斷面更快支護(hù)成環(huán)，提升穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)比人工操作失誤引起的斷面超欠挖情況，開(kāi)挖斷面更為均勻，使襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更為均勻，提升襯砌結(jié)構(gòu)總體安全性。

（2）鉆孔時(shí)通過(guò)傳感器反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制壓力值，減少鉆具消耗，降低配件成本，減少設(shè)備維護(hù)耗時(shí)而提升工序的銜接性，讓斷面更快支護(hù)成環(huán)，提升穩(wěn)定性。

（3）鉆孔過(guò)程中設(shè)備僅需2人操作，采用全封閉式駕駛室，減少噪音與粉塵的傷害，減少職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn);無(wú)須開(kāi)挖施工人員貼近掌子面施工，避免因排險(xiǎn)不當(dāng)或地質(zhì)情況較差造成的落石、掉塊風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也避免了使用開(kāi)挖臺(tái)車(chē)作業(yè)時(shí)的高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）施工速度快，鑿巖效率高，減少施工時(shí)間，提升工序的銜接性。

（5）避免人工清孔時(shí)孔渣造成的物體打擊風(fēng)險(xiǎn)。

（6）避免傳統(tǒng)風(fēng)鎬開(kāi)挖中風(fēng)水管破損產(chǎn)生的意外，如高壓風(fēng)管破損造成的物體打擊事故，水管破損漏水導(dǎo)致隧道拱腳下沉等。

（7）避免空壓機(jī)設(shè)備維護(hù)不當(dāng)?shù)犬a(chǎn)生的火災(zāi)、爆炸事故。

2.2 濕噴機(jī)械手

濕噴機(jī)采用耿力機(jī)械GHP3015D工程混凝土濕噴臺(tái)車(chē)。該濕噴機(jī)械手能夠高效進(jìn)行濕噴作業(yè)，顯著減少混凝土回彈量，并降低粉塵，營(yíng)造較好的施工環(huán)境。

濕噴機(jī)械手在噴射混凝土作業(yè)的安全性方面有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無(wú)須施工人員貼近掌子面施工，同時(shí)也避免了使用開(kāi)挖臺(tái)車(chē)作業(yè)時(shí)的高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）及時(shí)高效封閉圍巖，提升工序的銜接性。有效控制圍巖松動(dòng)變形，保證施工安全，提升斷面穩(wěn)定性、安全性。

（3）濕噴料可精確控制配合比，避免干噴過(guò)程中人工拌和操作不當(dāng)而引起的強(qiáng)度不均、強(qiáng)度不足現(xiàn)象[2]。

（4）采用信號(hào)脈沖反饋，對(duì)速凝劑流量實(shí)時(shí)精確控制，使混凝土強(qiáng)度提升更快，更利于提前形成環(huán)向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

（5）粉塵明顯降低，降低職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免因視線不佳產(chǎn)生的意外[3]。

（6）混凝土回彈量較少，減少因處理回彈料而耗費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)間。

2.3 多功能拱架臺(tái)車(chē)

項(xiàng)目計(jì)劃引進(jìn)五新隧裝WXHLC1215多功能拱架臺(tái)車(chē)，可用于鋼拱架安裝與鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)、錨桿安裝作業(yè);同時(shí)可兼顧質(zhì)量檢測(cè)、風(fēng)水管安裝、缺陷修復(fù)、注漿等多種高空平臺(tái)作業(yè)。

多功能拱架臺(tái)車(chē)在支護(hù)作業(yè)安全管理方面有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）配備兩支機(jī)械臂和兩個(gè)工作平臺(tái)，工人離掌子面較遠(yuǎn)，避免排險(xiǎn)不當(dāng)或地質(zhì)情況較差產(chǎn)生的落石、掉塊風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)環(huán)境更加安全，同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）通過(guò)遙控操作，僅需4人即可完成鋼架安裝與鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)，減少危險(xiǎn)作業(yè)面所需的施工人員。

（3）機(jī)械化施工提高工作效率，安裝一榀拱架僅需20～30 min，加快工序循環(huán)，提升工序的銜接性，及時(shí)封閉成環(huán)，提升安全性。

（4）使用拱架臺(tái)車(chē)安裝鋼拱架，間距、傾斜度、安裝偏差等指標(biāo)控制較好，能夠提升鋼架受力性能，提升結(jié)構(gòu)安全性[4]。

2.4 其他機(jī)械化設(shè)備

此外，項(xiàng)目還投入自行式鋼棧橋、自動(dòng)防水板鋪掛臺(tái)車(chē)、液壓襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行襯砌作業(yè)，后期也將會(huì)投入電纜溝臺(tái)車(chē)進(jìn)行電纜溝槽作業(yè)。以下為這些設(shè)備在提升作業(yè)安全性方面的優(yōu)點(diǎn)。

2.4.1 自行式鋼棧橋

（1）保證仰拱施工周期的行人、車(chē)輛通行安全，同時(shí)保障平行作業(yè)的需求。

（2）保證仰拱填充強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求的100%強(qiáng)度前的車(chē)輛通行，保障結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.4.2 自動(dòng)防水板鋪掛臺(tái)車(chē)

（1）減少人員頻繁上下臺(tái)車(chē)而導(dǎo)致高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鋪掛松弛有度，對(duì)比人工操作可更為方便地控制搭接寬度，保證防水板搭接質(zhì)量，保障結(jié)構(gòu)耐久性。

2.4.3 智能液壓襯砌臺(tái)車(chē)

（1）液壓支撐約211 m3混凝土，保障澆筑過(guò)程的安全，方便調(diào)整，保證襯砌厚度。

（2）采用平板振搗器與施工窗口插入式振搗棒結(jié)合振搗，避免出現(xiàn)襯砌不密實(shí)的現(xiàn)象。

3 傳統(tǒng)施工工法與成套機(jī)械化施工對(duì)比分析

3.1 施工人員投入對(duì)比

以堆角隧道Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法為例。隧道采用傳統(tǒng)風(fēng)鉆爆破法施工時(shí)，按要求掌子面不得超過(guò)9人同時(shí)作業(yè)，但一循環(huán)上臺(tái)階鉆眼需9人同時(shí)作業(yè)5 h，為了縮短工期，勞務(wù)隊(duì)伍會(huì)增加作業(yè)人員數(shù)量進(jìn)而縮短作業(yè)時(shí)間，加大了安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。表1為采用傳統(tǒng)風(fēng)鉆爆破法進(jìn)行施工，一循環(huán)所需人員數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

替換成套機(jī)械化進(jìn)行施工，對(duì)一循環(huán)所需人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，收集數(shù)據(jù)如表2所示。

分析表1、表2，可以得出，采用成套機(jī)械化施工可降低隧道施工班組的人數(shù)，能夠減少風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的施工人員人數(shù)，減少勞務(wù)成本，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。

3.2 所需工時(shí)對(duì)比

以開(kāi)挖至下一次開(kāi)挖作為一次循環(huán)作業(yè)，對(duì)一循環(huán)所需工時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，收集數(shù)據(jù)如表3所示。

分析表3可知，采用成套機(jī)械化施工可降低隧道循環(huán)施工次數(shù)，能夠減少每循環(huán)作業(yè)所需時(shí)間，提高效率，保證支護(hù)作業(yè)的及時(shí)性，及時(shí)封閉成環(huán)，減少因支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的圍巖變形沉降，提升安全性。

3.3 整體質(zhì)量對(duì)比

隧道施工質(zhì)量是影響隧道施工過(guò)程與隧道完工后整體穩(wěn)定性的重要因素。采用成套機(jī)械化工藝施工，對(duì)比傳統(tǒng)施工方法，能夠更有效地對(duì)施工技術(shù)規(guī)范與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)能有效控制隧道超欠挖，保證后續(xù)施工初期支護(hù)、二次襯砌厚度，避免拱架因欠挖導(dǎo)致安裝偏位等情況，使襯砌支護(hù)按照設(shè)計(jì)均勻受力，更為穩(wěn)定。

濕噴機(jī)械手能夠較好地解決初支空洞這一質(zhì)量缺陷，確保安全性。

多功能拱架臺(tái)車(chē)能對(duì)拱架的安裝進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，從而控制拱架間距、傾斜度、安裝偏差，保證保護(hù)層厚度，同時(shí)也方便進(jìn)行連接鋼筋的安裝，保障拱架受力合理。

自行式鋼棧橋能保證仰拱回填達(dá)到強(qiáng)度后再開(kāi)發(fā)交通，避免出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

防水板臺(tái)車(chē)能夠較好控制防水板搭接寬度，避免搭接不足導(dǎo)致脫焊現(xiàn)象。

液壓二襯臺(tái)車(chē)能夠通過(guò)充分振搗，確保襯砌背部密實(shí)，保證混凝土襯砌整體強(qiáng)度，提升安全性，同時(shí)其自身剛性可以保證墻面平整度。

3.4 整體安全性對(duì)比

成套機(jī)械化隧道施工設(shè)備能夠多方位、多角度對(duì)隧道施工安全進(jìn)行保障。

（1）減少危險(xiǎn)區(qū)域施工人數(shù)，降低管理難度，使作業(yè)人員較為遠(yuǎn)離掌子面施工，減少落石、掉塊風(fēng)險(xiǎn)，保障施工環(huán)境的安全性。

（2）提升工作效率，能夠及時(shí)、迅速地封閉巖面，支護(hù)成環(huán)，有效控制圍巖松動(dòng)變形，保證施工安全。

（3）降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善施工環(huán)境，減少施工人員因惡劣環(huán)境高強(qiáng)度施工而引發(fā)的危險(xiǎn)。

（4）提升施工質(zhì)量，提升隧道結(jié)構(gòu)安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

公路隧道施工通過(guò)采用成套機(jī)械化設(shè)備作業(yè)，不僅能夠有效提升生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本，加快施工流程進(jìn)度，縮短建設(shè)工期，還能有效保障施工過(guò)程中的安全，同時(shí)保證和提高工程質(zhì)量，確保工程的結(jié)構(gòu)安全性、耐久性[5]。公路隧道建設(shè)應(yīng)朝著機(jī)械化施工方向發(fā)展，在發(fā)展過(guò)程中應(yīng)考慮如雙側(cè)壁開(kāi)挖法中的側(cè)導(dǎo)坑這類(lèi)狹窄作業(yè)場(chǎng)所限制，可往小型化、輕量化、智能化、信息化發(fā)展，同時(shí)降低設(shè)備成本，提升設(shè)備在各種環(huán)境中的適用性、可操作性，以覆蓋更多的公路隧道工程作業(yè)，進(jìn)而提升公路隧道施工的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]賈志龍.公路隧道施工機(jī)械的科學(xué)配置探究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（2）：118-120.

[2]郭海斌.長(zhǎng)大隧道混凝土濕噴機(jī)配套施工技術(shù)[J].山西建筑，2021，47（2）：141-142.

[3]劉吉昌，劉朝陽(yáng)，王清標(biāo)，等.長(zhǎng)大隧道混凝土濕噴機(jī)配套施工技術(shù)[J].工程技術(shù)，2021，47（20）：112-113.

[4]姜 超，石修燈，路修強(qiáng)，等.拱架臺(tái)車(chē)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].建筑機(jī)械，2020（9）：12-15.

[5]馬殷軍.山嶺公路隧道機(jī)械化施工現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)鐵路，2020（12）：150-155.

作者簡(jiǎn)介：

藍(lán)樹(shù)雄（1973—），高級(jí)工程師，主要從事公路工程安全管理工作;

余永盛（1997—），助理工程師，主要從事公路工程安全管理工作;

黃偉倫（1995—），助理工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作。