隧道施工機械配套優(yōu)選方案應用效果分析

萬耀宇

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，新型機械設備不斷涌現(xiàn)，對工程施工提出新的要求。在隧道工程中，如何合理應用機械配套方案成為當前施工重點，相關學者對隧道施工機械配套方案進行研究，并取得較為顯著的成果。李釗等[1]認為機械化配套施工方法，相比傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，可以有效控制經濟成本，不僅能降低勞動力，而且有助于提高施工質量；蔡旺等[2]在研究隧道設計工法和機械化配套技術的基礎上，將工程安全質量放在首要位置，致力于形成適用性較強的機械化配套方案；齊慶鋒[3]在研究隧道工程施工方法的基礎上，發(fā)現(xiàn)隧道工程在施工中存在主要問題，提出了機械化施工裝備配套及選型方案，以便實現(xiàn)預期施工效果。本文在此基礎上，總結了隧道施工機械配套優(yōu)選方案的應用，并分析該方案在隧道工程中的具體實施效果。

1 工程概況

以某隧道工程為例，該隧道總長5 706m，隧道設計為分離式特長隧道，隧道圍巖主要由干枚狀粉砂巖、灰?guī)r、石灰?guī)r等組成，最大埋深超過350m。該隧道圍巖級別為III 級、Ⅳ級、V 級，開挖斷面面積為86.23 ～135.3m2。從總體來看，該隧道工程施工重難點較多，此外，施工作業(yè)空間受限、地質環(huán)境復雜等因素影響隧道工程的順利開展。對此，探究隧道施工機械優(yōu)選配套方案在隧道工程中的應用尤為重要。

2 基于開挖作業(yè)的機械配套方案對比分析

2.1 施工質量

開挖作業(yè)是保障隧道工程主體安全的重要環(huán)節(jié)，也是施工安全管理工作的重點。結合實際情況來看，影響隧道洞身開挖成孔質量的因素較多，比如，測量放線、鉆孔精度、地質條件等可能導致隧道工程出現(xiàn)超挖問題，給整體工程施工進度造成較大影響。該隧道工程開挖斷面面積較大具有明顯優(yōu)勢，在機械設備方面，應用鑿巖臺車比風動鑿巖機速度較快，可以實現(xiàn)一次成孔、精準定位，不需要單獨增設輔助平臺，保證最終開挖成型效果，為后續(xù)噴漿施工提供基礎保障。

該隧道工程施工過程中使用鑿巖臺車對地質進行探測，通過WMD 地質分析軟件，可以結合實際采集的鉆孔速度、壓力、扭矩等參數(shù)，精準分析隧道圍巖，有效指導現(xiàn)場施工。除此之外，鑿巖臺車的自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的圍巖條件對鉆機的推進壓力進行調整，實現(xiàn)高精度鉆孔。對于風動鑿巖機來講，其體積小、啟動靈活、容易操作，但需要配置施工臺架，鉆鑿速度相比鑿巖臺車較慢，對鉆工崗位的需求較大，同時需要鉆工具備較強的機械操作技能，其自身操作水平的高低對鉆孔和成孔質量影響較大。

隧道每循環(huán)開挖結束后，測量人員需要對上一段開挖進行斷面測量，利用分析軟件繪制開挖斷面，并與實際設計的輪廓圖進行對比，可以明確該段超挖情況。通過測量IV 級圍巖超挖情況得出，無論是使用三壁鑿巖臺車，還是風動鑿巖機都存在個別不穩(wěn)定現(xiàn)象，還需對相關技術人員進行專業(yè)培訓，加強員工實操能力，在此基礎上，還應定期對隧道工程超挖情況進行分析和總結。結合工程不同階段測量的超挖數(shù)據(jù)，計算隧道斷面的平均線性超挖值，得出使用機械化開挖替代傳統(tǒng)人工施工的方法，實際應用效果較好，鑿巖臺車與風動鑿巖機作業(yè)超挖對比，如表1 所示。

表1 三壁鑿巖臺車與風動鑿巖機作業(yè)超挖對比表（單位：cm）

2.2 施工成本

（1）人員配置與人工費用。該隧道工程引入大型機械后，減少人工開挖的需求，工程實行兩班倒工作制，對員工進行重新分配，首先一臺三壁鑿巖臺車配置4 ～5 名工作人員，人工費用約在19 元/m3，鑿巖臺車開挖進尺約為100m/月。其次一臺風動鑿巖機配置15 ～20 名鉆孔人員，人工費用約在10 元/m3，風動鑿巖機開挖進尺約為55m/月。

（2）機械設備費用。相比國外隧道機械化施工，我國隧道建設起步較晚，機械化設備水平相對落后，如果使用國外進口機械，以性價比較高的液壓鑿巖臺車為例，其造價預算費用約為800 萬元，如果按照最低折舊年限10 年，計算單臺機械的維修費用約在0.6 萬元/月，機械每月零件損耗費用約為2.5 萬元，綜合計算鑿巖臺車實際運行費用約在19.2 元/m3，將其與風動鑿巖機運行費用對比，得出鑿巖臺車開挖1m3所花的費用比其貴12.1m3。

（3）火工費及電費。鑿巖臺車的鉆孔直徑為45mm、孔徑可達50mm，有效鉆孔深度為5m；風動鑿巖機鉆孔直徑約在30 ～50mm，孔徑約在36 ～50mm，有效鉆孔深度為5m。

在隧道工程施工中，應用32mm 乳化炸藥。結合施工現(xiàn)場實際情況，對于鑿巖臺車來講，在III 級圍巖中，開挖深度在4.5m 時，使用炸藥量約為340kg、雷管約為215 發(fā)。在IV、V 級圍巖中，開挖深度在3 ～3.5m 時，使用炸藥量約為172 ～285kg、雷管約為198 ～230 發(fā)；對于風動鑿巖機來講，在III 級圍巖中，當開挖深度在4.5m 時，炸藥用量在317kg、雷管189 發(fā)。在IV、V 級圍巖中，開挖深度在3 ～3.5m 時，炸藥用量在189 ～240kg、雷管196 ～210 發(fā)。按照乳化炸藥7.5 元/kg，電子雷管進貨價4.31 元/個，綜合計算本隧道工程應用鑿巖臺車的火工品約在16.67 元/m3、風動鑿巖機火工品約為12.83 元/m3。

在隧道施工中應用液壓鑿巖臺車，不需要額外增設空壓機，鑿巖臺車在運行過程中，通過自身的電動機驅動液壓泵提供液壓動力，有利于隧道施工。應用人工成孔作業(yè)時，需要借助施工專用開挖臺架開展作業(yè)。通過計算人工、機械、火工、開挖臺架等成本費用，鑿巖臺車施工成本約為48.6 元/m3、風動鑿巖機施工成本約為48.05 元/m3，鑿巖臺車每開挖1m3圍巖成本增加0.84 元。

2.3 施工進度

風動鑿巖機應用流程如下：在開挖作業(yè)前期做好臺架的檢查和接地工作，同時將開挖臺架移入掌子面，將其搭建成專業(yè)鉆孔平臺，由測量放樣人員進入隧道進行掌子面放樣，并找出輪廓線控制點，為保證開挖的精準度，嚴格把控鉆孔位置和深度，結合隧道工程需求合理使用鉆機進行鉆孔，將炸藥包放入鉆孔內，同時將多功能臺架移到位后實行爆破作業(yè)，在施工過程中需要重視現(xiàn)場的空氣流通，所有工作人員應撤離到安全場地，確保工人安全。

全液壓鑿巖臺車應用流程如下：測量放樣完畢后，對鑿巖臺車進行定位，結合鑿巖臺車中間的控制中心線和隧道周邊炮眼位置，核對上一循環(huán)開挖情況，并對開挖斷面進行測量，同時記錄最終所測量的結果，為后期修正提供數(shù)據(jù)支持。結合不同開挖斷面結構特征，及時對鑿巖臺車液壓系統(tǒng)鉆孔推進壓力進行調整，確保鑿巖臺車鉆孔精度和質量。鑿巖臺車與風動鑿巖機施工進度對比，如表2 所示。

表2 鑿巖臺車與風動鑿巖機施工進度對比表

3 基于支護作業(yè)的機械配套方案對比分析

3.1 施工質量

支護作業(yè)是隧道工程中十分關鍵的環(huán)節(jié)。

（1）回彈率。在初期支護作業(yè)中，將混凝土噴射到圍巖上，由于無法在短時間內凝結，部分掉落的混凝土表示回彈率，因此在回彈率的把控上較為困難。通常情況下，回彈率受混凝土配合比、施工工藝、原材料等因素的影響，具有不確定性。該隧道工程在保證原材料和配合比一致的條件下，對徐工HPB220 混凝土噴射機和Sika-PM500 混凝土濕噴機械手的施工工藝進行分析。對于徐工HPB220 混凝土噴射機來講，在施工過程中應用徐工噴射機時，由于環(huán)境因素的影響，導致工作人員進行噴射作業(yè)時，無法精準確定位置和角度，在一定程度上增加隧道施工的難度，耗時增加。除此之外，工作人員應用徐工HPB220 混凝土噴射機時，無法獲取最佳噴射量，在噴射速度方面也無法把控，導致噴射作業(yè)回彈率較高。對于Sika-PM500 混凝土濕噴機械手來講，應用效果較好，可以實現(xiàn)定位噴射、側向操作，與隧道施工適配性較強，機械手操作員明確具體位置后，使用遙控器調節(jié)噴嘴位置，結合噴射距離精準調節(jié)機械手的運動速度、減速度等參數(shù)，確保機械手的精準度，達到最佳的回彈率。結合隧道工程機械施工數(shù)據(jù)記錄，計算得出徐工噴射機的平均回彈率在23.80%、機械手的平均回彈率在12.27%，機械手的回彈率優(yōu)于徐工噴射機。

（2）混凝土平整度和強度。支護作業(yè)效果影響噴漿質量，噴漿作業(yè)效果主要體現(xiàn)在混凝土的平整度上，徐工噴射機具有速凝劑添加控制系統(tǒng)，對變量泵的輸出壓力進行調節(jié)，合理控制輸出量大小。機械手配備PLC 程序模塊和液態(tài)添加劑計量輸送裝置，可以實時精確控制速凝劑流量，提升噴射混凝土性能，達到提高隧道初支噴射混凝土平整度的目的[4]。該隧道工程噴射作業(yè)完成后，使用2m 靠尺對平整度進行檢查，并對混凝土進行取樣，利用壓力試驗機測試其強度，徐工噴射機的平均平整度在5.3%、混凝土平均強度為32.2MPa；機械手平均平整度在4.4%、混凝土平均強度在33.6MPa，從總體上來看，機械手的應用效果較好。

3.2 施工成本

（1）人員的配置和費用。以該隧道工程右線施工為例，在進行噴射作業(yè)時，1 臺徐工HPB220 混凝土噴射機需要配備6名作業(yè)人員和1 名成熟噴工，不同的工作面配置的噴射機數(shù)量是相同，分別配置4 臺，備用2 臺，全部工作人員共計21 名。1 臺Sika-PM500 混凝土濕噴機械手在運行期間，需要配置主噴手1 名，3 名作業(yè)人員。徐工噴射機主噴人員月工資標準為10 000 元，每月工人費用約為5 萬元，機械手主噴人員月工資標準為15 000 元，每月工人費用約為4 萬元。

（2）混凝土費用。從目前來看，混凝土材料單價為526.5 元/m3，在隧道Ⅳ級圍巖中，每延米混凝土數(shù)量為4.85m3/m，按照月掘進計劃尺為120m，超挖值為200%，計算兩種機械每月混凝土費用為：噴射機：4.85×120×（1+23.80%）×200%×526.5 ≈76 萬元；機械手：4.85×120×（1+12.27%）×200%×526.5 ≈69 萬元。

（3）機械費用。按照機械設備一般的折舊年限10 年，機械手的市場價格在350 萬元左右，計算得出機械手每月折舊費加上機械維修費共計7.35萬元，噴射機市場價格在20萬元左右，按照不同工作面配置4 臺，購置總價在80 萬元，每月折舊費加上維修費共計4 萬元。

（4）電力消耗費用。按照每月0.8 元計算電費，機械手每小時耗電量在140W/T，其電費消耗約為5.8 元/m3，噴射機每小時耗電量在345W/T，其電費消耗約為41 元/m3。該隧道工程噴射混凝土量約為34 500/m3，使用機械手的電費約為20 萬元、噴射機的電費約為143 萬元，基于人工費用、混凝土費用、機械費用、電力消耗費用，兩種機械綜合成分分析，如表3 所示。

表3 機械手與噴射機綜合成分分析表（單位：萬元/月）

3.3 施工進度

（1）生產效率方面。通過相關數(shù)據(jù)匯總得出，機械手噴射能力在30m3/h，噴射高度為17m；噴射機噴射能力在20m3/h，噴射所需時間為9.1min，將兩者進行對比，發(fā)現(xiàn)機械手的工作效率遠遠超出噴射機；

（2）工序方面。機械手配備驅動裝置，準備時間約為5min，而徐工噴射機沒有驅動裝置，需要借助其他設備運輸?shù)街付ㄎ恢瞄_展支護作業(yè)，準備時間約為15min，因此，無論是生產效率方面，還是在工序銜接上，機械手的應用性較強，合理應用有助于提高施工效率，有助于保證施工進度。

4 基于支護作業(yè)的機械配套效果

針對隧道開挖施工而言，采用的III 級、IV ～V 級圍巖一級機械化配套方案，促使開挖施工速度得到顯著提升，不僅具有良好的卡挖鉆孔成型效果和超挖控制效果，還在極大程度上改善了作業(yè)環(huán)境。從施工成本方面來看，采用的鑿巖臺車與之前風動鑿巖機設備的相比，圍巖每開挖1m3多花費0.84 元，該設備在整個工程中的應用，開挖總成本超出51 萬元。但應用該鑿巖設備能夠顯著提升開挖施工的速度，III 級圍巖和IV ～V級圍巖開挖速度分別提升33%和100%。

而對于隧道初期支護施工而言，采用的是噴射混凝土施工方式，不僅有效降低了混凝土的回彈率，且在混凝土強度和平整度方面得到有效改善。同時，機械化的噴射混凝土施工還減少了各作業(yè)工序之間的銜接時間，混凝土施工效率得到明顯提高，采用的濕噴機械手比傳統(tǒng)的濕噴機在每噴射1m3混凝土時，施工速率是原本的3 倍，在整個工程中的應用，共減少施工成本264.6 萬元。此外，本工程采用的III 級圍巖和IV ～V 級圍巖一級機械化配套方案，總減少施工成本為213.6 萬元，整體來看，配套方案的應用效果表現(xiàn)良好。

5 結論

通過應用施工機械配套方案，對施工質量、施工進度、施工成本進行分析，結論如下：

（1）隧道工程應用III 級、IV ～V 級圍巖一級機械化配套方案，極大程度地提升開挖效率，憑借鉆孔效果較好等優(yōu)勢，有效提高鉆孔施工質量。

（2）隧道工程應用III 級、IV ～V 級圍巖機械化配套方案，大幅度降低施工成本，應用效果較好。

（3）隧道工程應用III 級、IV ～V 級圍巖一級機械化配套方案，在施工中應用鑿巖臺車效率較高，相較于傳統(tǒng)人工開挖作業(yè)，保證施工進度。