軟弱圍巖隧道鉆爆法機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備

王君樓

1.西南交通大學(xué)， 成都 610031； 2.京昆高速鐵路西昆有限公司， 重慶 400020

至2021年底，我國鐵路營業(yè)里程突破15萬 km，投入運(yùn)營的鐵路隧道有17 532座，長21 055 km。其中，高速鐵路隧道共計3 971座，長6 473 km［1］。長大隧道是鐵路建設(shè)的控制性工程，其建設(shè)質(zhì)量與效率是保障鐵路建設(shè)工期的重要因素。

近年來，在鐵路建設(shè)過程中，機(jī)械化配套施工技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的施工技術(shù)。圍繞超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護(hù)、開挖作業(yè)、出渣作業(yè)、初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌施工等關(guān)鍵工序，貴廣鐵路［2］、成蘭鐵路［3］、蒙華鐵路［4］隧道在建設(shè)過程中均采用了機(jī)械化施工設(shè)備，實現(xiàn)了較高程度的機(jī)械化施工。2017年，以鄭萬高速鐵路湖北段隧道工程為代表，除采用了全電腦三臂鑿巖臺車外，還配置了與之配套的濕噴機(jī)械手、拱架安裝機(jī)、自行式液壓仰拱棧橋、防水板掛設(shè)平臺、逐窗分層澆筑二次襯砌臺車、多功能養(yǎng)護(hù)平臺、水電槽移動模架等，實現(xiàn)了全工序、機(jī)械化配套的全斷面法施工。機(jī)械化配套覆蓋了18座隧道38個工區(qū)，機(jī)械化施工總長度占隧道總長約69%，機(jī)械裝備國產(chǎn)化率達(dá)92%［5-6］。

既有研究有效地推進(jìn)了隧道機(jī)械化施工，取得了較好效果，但主要適用于硬巖或圍巖穩(wěn)定性較好的隧道工程。對于軟弱圍巖隧道，主要采用臺階法開挖，需要遵循分步開挖、分步支護(hù)的施工原則［7］。目前，機(jī)械化配套施工對其適應(yīng)性較差，相關(guān)裝備及配套施工工藝尚不完善。

渝昆高速鐵路來福隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，軟弱地層區(qū)段多，施工工法多樣。為實現(xiàn)高效機(jī)械化施工，針對鑿巖鉆孔及拱架安裝，研制了適應(yīng)于軟弱圍巖條件下臺階法開挖的機(jī)械裝備及施工工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。

本文對渝昆高速鐵路軟弱圍巖隧道鑿巖鉆爆及拱架安裝的相關(guān)裝備與施工技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 工程概況與機(jī)械化施工主要問題

渝昆高速鐵路設(shè)計時速350 km/h，線路從四川盆地延伸至云貴高原，地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近之揚(yáng)子亞板塊，總體地勢北東低、南西高。其中川渝段正線全長292.028 km，位于我國西南地區(qū)的重慶市、四川省境內(nèi)。所經(jīng)地貌類型主要有侵蝕堆積、剝蝕、構(gòu)造剝蝕、構(gòu)造侵蝕、構(gòu)造溶蝕等形成的丘陵、低山。

來福隧道是渝昆高速鐵路六標(biāo)段的控制性工程，總長2 311 m，為雙線隧道。沿線不良地質(zhì)主要有煤線微瓦斯、采空區(qū)、緩傾巖層、泥巖風(fēng)化剝落及膨脹、軟土及松土等。施工中可能發(fā)生坍塌、基底變形等風(fēng)險，具有地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工難度大、風(fēng)險高等特點。圍巖主要為泥巖、砂巖，其中Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級圍巖段長度分別為1 020、1 062和214 m。Ⅲ級圍巖段可采用全斷面法或臺階法開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段需采用兩臺階或三臺階法開挖。

臺階法存在開挖面較多、對圍巖擾動較大等問題。軟弱圍巖地層中開挖隧道，對圍巖變形控制要求更嚴(yán)格，需優(yōu)選臺階尺寸，優(yōu)化施工工藝，以保證兩臺階和三臺階機(jī)械化配套施工的效率與質(zhì)量。

對于初期支護(hù)拱架安裝施工，一般采用拱架臺車與人工配合的方式，分成多段拱架現(xiàn)場拼裝。若拱架分段過多，會增加拼裝次數(shù)，增加工作量；若分段過少，單段拱架長，重量大，拼裝困難，操作精度難保證。若不及時架設(shè)拱架，易導(dǎo)致拱頂及掌子面發(fā)生坍塌等風(fēng)險。

2 適應(yīng)于臺階法的鑿巖臺車施工技術(shù)

2.1 鑿巖臺車

為滿足隧道內(nèi)全斷面、臺階法等不同工法機(jī)械化施工的適應(yīng)性與靈活性需求，選用輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車（圖1）。主要參數(shù)見表1。采用2個鉆臂和1個工作平臺臂設(shè)計，并進(jìn)行了加長臂改造，將大臂增長1.8 m。

表1 輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車主要參數(shù)

圖1 輪胎式雙臂液壓鑿巖臺車

改進(jìn)后的鑿巖臺車優(yōu)點如下：

1）采用鷹式臂展開設(shè)計，最大可用于16 m（寬） ×12.5 m（高）斷面的隧道多臺階法鉆孔作業(yè)，可同時滿足不同斷面施工需求。

2）在雙線隧道內(nèi)，可實現(xiàn)2輛臺車同時作業(yè)。相比1臺三臂鑿巖臺車，4個鉆臂可提高工作效率，同時1臺故障時另1臺可繼續(xù)作業(yè)。

3）采用柴油機(jī)動力，四驅(qū)輪胎行走，進(jìn)退檔控制，最大爬坡14°，最大行走速度16 km/h，便于轉(zhuǎn)場。

4）采用安全高效的液壓控制系統(tǒng)，全液壓、自動化、獨立地控制各鑿巖鉆臂，各個動作平緩操作靈活，可完成掘進(jìn)炮孔、錨桿孔、小導(dǎo)管孔、注漿孔等鑿巖作業(yè)，還擁有自動防卡釬功能。

2.2 機(jī)械化施工

通過優(yōu)化工序，發(fā)揮機(jī)械化施工安全、優(yōu)質(zhì)、高效的特點。對來福隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段，應(yīng)用雙臂鑿巖臺車分別開展兩臺階法和三臺階法開挖試驗。

鑿巖施工步驟：①根據(jù)施工工序布置炮眼。②技術(shù)人員精準(zhǔn)測量放線，在掌子面畫出鉆孔輪廓線，標(biāo)出周邊眼、掏槽眼、輔助眼等位置和間距。③精確定位后，鑿巖臺車進(jìn)場，臺車支立定位后開始沿周邊打設(shè)炮眼。打設(shè)過程中盡可能減小炮眼斜插角（炮眼稍向下傾），同時完成洗孔。炮眼打設(shè)完成后檢查打設(shè)質(zhì)量，對漏打、欠打、角度偏差較大的炮眼補(bǔ)充打設(shè)。依次完成各臺階炮眼打設(shè)，全部完成后臺車退場。

2.2.1 Ⅳ級圍巖段兩臺階法開挖試驗

1）開挖工法。上臺階和下臺階開挖高度分別設(shè)定為7.62和3.61 m，臺階長度不大于20 m，單次開挖進(jìn)尺不大于3.5 m，下臺階斜向布置，如圖2所示。按照上臺階、下臺階左、下臺階右、仰拱逐步開挖和支護(hù)，直至封閉成環(huán)。

圖2 兩臺階法開挖示意（單位：cm）

2）炮眼設(shè)置。共設(shè)炮眼182個，垂直深度3.2 m，周邊眼間距50 cm，掏槽眼間距在30 ~ 60 cm（角度40° ~ 60°），輔助眼間距在80 ~ 130 cm，如圖3所示。

圖3 兩臺階法炮眼布置示意（單位：cm）

3）鉆孔施工

采用雙臂鑿巖臺車分步對上臺階和下臺階鉆炮孔。經(jīng)過試驗，相比傳統(tǒng)的人工風(fēng)槍鉆爆工藝，作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間均明顯降低，見表2。

表2 兩臺階法機(jī)械化鉆孔施工與傳統(tǒng)工藝效率對比

施工效率提升率η計算式為

式中：N為作業(yè)人數(shù)；T為作業(yè)時間。

經(jīng)計算，采用機(jī)械化施工后，施工效率提升89%。

2.2.2 Ⅴ級圍巖段三臺階法開挖試驗

1）開挖工法。上臺階、中臺階、下臺階高度分別設(shè)定為4.00、4.00和3.32 m，臺階間長在5 ~ 8 m，最大長度不超過1倍洞徑，單次開挖進(jìn)尺不大于2.5 m，中下臺階斜向布置，如圖4所示。按照上臺階、中臺階左、中臺階右、下臺階左、下臺階右、仰拱逐步開挖支護(hù)，直至封閉成環(huán)。

圖4 三臺階法開挖示意（單位：cm）

2）炮眼設(shè)置。共設(shè)炮眼190個，垂直深度2 m，周邊眼間距45 cm，掏槽眼間距在30 ~ 60 cm（角度45° ~60°），輔助眼間距在70 ~ 120 cm，如圖5所示。

圖5 三臺階法炮眼布置示意（單位：cm）

3）鉆孔施工。采用雙臂鑿巖臺車開展炮孔鑿巖試驗。結(jié)果（表3）表明：相比傳統(tǒng)工藝，作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間均明顯降低，施工效率提升90%。

表3 三臺階法機(jī)械化鉆孔施工與傳統(tǒng)工藝效率對比

3 適應(yīng)于臺階法的拱架安裝施工技術(shù)

3.1 拱架安裝臺車

為節(jié)約成本，降低施工風(fēng)險，提高拱架安裝效率與質(zhì)量，經(jīng)綜合比選，最終選用車載拱架安裝臺車。針對原出廠臺車僅靠單個裝置托舉拱架導(dǎo)致施工定位偏差大、拼裝對位慢等問題，對托舉裝置進(jìn)行了改進(jìn)。增加2個延長桿，提高拱架托舉的平衡性，見圖6。

圖6 改進(jìn)的拱架托舉裝置

改進(jìn)后的拱架安裝臺車主要參數(shù)見表4。優(yōu)點為：

表4 拱架安裝臺車主要參數(shù)

1）臺車采用三臂架滑移結(jié)構(gòu)設(shè)計，各臂架配備一個多自由度機(jī)械手，滿足各種臺階法的拱架精確定位與安裝。

2）采用多榀預(yù)制分段拼裝和折疊安裝兩種工藝，在洞外制作拱架后洞內(nèi)直接拼裝，可減少工作面作業(yè)時間，降低施工風(fēng)險，提高施工效率。

3）集鋼拱架安裝、網(wǎng)片焊接、欠挖處理等功能于一體，附帶破碎錘和焊機(jī)，在拱架安裝時可進(jìn)行欠挖處理及焊接作業(yè)。

3.2 機(jī)械化施工

3.2.1 上臺階拱架安裝施工步驟

為方便拱架安裝臺車在有限空間內(nèi)進(jìn)行初期支護(hù)拱架的整體安裝，使上臺階拱架經(jīng)過一次抓舉即可全部安裝到位，提高拱架安裝效率，將上臺階初期支護(hù)鋼拱架優(yōu)化為一長兩短的形式（圖7），一長工字鋼居中，兩短工字鋼與長工字鋼采用帶鉸接裝置的連接梁連接。

圖7 拱架鉸接示意

在洞外焊接拱架整體，整架運(yùn)輸進(jìn)洞，由拱架安裝臺車進(jìn)行托舉安裝。具體步驟如下：

1）鋼架裝運(yùn)

鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、連接筋、鎖腳錨管等構(gòu)件在加工廠集中制作并運(yùn)送至隧道洞口。

2）拱架制作

上臺階拱架由3根工字鋼鉸接，在洞口加工完成后由裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至掌子面附近。

3）拱架安裝

臺車行駛到掌子面指定位置就位后，利用中臂機(jī)械手抓舉拱架，舉升至設(shè)計拱頂位置，左、右臂機(jī)械手分別輔助拱架安裝到位，通過焊接形成整體式拱架。

3.2.2 現(xiàn)場試驗

采用拱架安裝臺車在來福隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖段開展拱架安裝試驗，見圖8。

圖8 鋼拱架洞內(nèi)安裝

拱架安裝臺車作業(yè)與傳統(tǒng)工藝施工效率對比見表5。可知：相比傳統(tǒng)的人工配合機(jī)械安裝，采用拱架安裝臺車作業(yè)，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段施工效率提升率分別為72%和81%。

表5 拱架安裝臺車作業(yè)與傳統(tǒng)工藝施工效率對比

4 結(jié)論

通過改進(jìn)裝備，合理設(shè)計Ⅳ、Ⅴ級圍巖段臺階法開挖方案和初期支護(hù)上臺階拱架方案，優(yōu)化施工工藝，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，與傳統(tǒng)的人工風(fēng)槍鉆爆+人工配合機(jī)械安裝拱架施工相比，鑿巖臺車與拱架安裝臺車機(jī)械化配套施工在適應(yīng)性、施工效率、安全性等方面均有大幅度提升。具體表現(xiàn)為：

1）能夠滿足高速鐵路大斷面隧道兩臺階、三臺階斷面及全斷面施工要求，解決了以往隧道施工在不同工法切換時人工與機(jī)械轉(zhuǎn)換困難的問題，具有良好的適應(yīng)性。

2）經(jīng)過加長臂改造，鑿巖臺車可適應(yīng)多臺階不同斷面施工。相比傳統(tǒng)工藝，采用改進(jìn)后的鑿巖臺車施工，兩臺階與三臺階斷面鉆孔作業(yè)施工效率分別提升89%和90%，不僅減少了作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間，還降低了施工風(fēng)險。

3）通過改進(jìn)三臂拱架安裝臺車的托舉裝置，提升了拱架托舉的平衡性與安裝效率，結(jié)合“一長兩短”的上臺階初期支護(hù)鋼拱架設(shè)計方案，形成了拱頂初期支護(hù)鋼鉸接+三臂拱架安裝工藝。相比傳統(tǒng)工藝，采用改進(jìn)后的拱架安裝臺車施工，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段拱架安裝施工效率分別提升72%和81%。

綜上，改進(jìn)后的機(jī)械化設(shè)備配套作業(yè)不僅能夠有效提高軟弱圍巖隧道鉆爆法施工效率，實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道安全快速施工，而且減少了人工成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。