全工序机械化大断面法施工技术研究

赵建岐

【摘要】本文结合郑万某隧道采用Ⅱ型机械化配置施工的案例，从工艺流程和操作要点等方面总结了大断面超前预加固技术、机械化大断面快速开挖技术、机械化大断面初期支护施工技术，重点介绍了机械化装药技术如何从真正意义上实现了隧道全工序机械化施工。

【关键词】山岭隧道;全工序;快速开挖;机械化装药

1.引言

在人员匮乏与技术难题的双重作用下，隧道施工由传统人工作业向机械化智能化方向转变，如何实现无人化、少人化已成为当下亟待解决的难题。隧道作为一个系统工程，无论从设计理论[1～2]、施工工法[3]、支护形式[4]、装备配套[5]还是风险管控等方面均需深入研究。因此，亟待提出一套适合中国国情的隧道建设理论和隧道建造方法。

目前，山岭隧道智能化建造[6]目前主要处于机械化大断面法建造阶段和智能设备及工装开发阶段。机械化大断面法建造体系是结合了郑万高铁机械化施工的成功经验，将大断面法施工与机械化作业形成了一套施工工法体系[7～10]。张丕界[11]西（安）南（京）铁路桃花铺2#隧道工程探讨了单线长大隧道钻爆法开挖机械设备选型与配套技术，认为机械化施工是未来隧道施工的发展方向，对于长大隧道施工，机械设备的选型及配套是其成败的最主要因素之一，选择时要因地制宜，结合具体情况综合考虑;王磊[12]阐述了长大隧道机械化配套原则、各条作业线配套的基本模式及保障措施，强调了机械设备的选型和配套的重要性。

以上文献主要从设备配置、支护理论、设计方法等方面展开研究，本文结合郑万某隧道采用Ⅱ型机械化配置施工，从工艺流程和操作要点等方面总结了机械化大断面超前预加固技术、机械化大断面快速开挖技术、机械化大断面初期支护施工技术、机械化大断面防排水施工技术和机械化大断面衬砌施工技术。

2. 机械化大断面超前预加固施工技术

掌子面稳定性问题是软弱围岩隧道施工过程中最突出的问题之一。

2.1  超前管棚（小导管）

2.1.1 工艺流程

图1  施工工艺流程

2.1.2 操作要点

钻孔作业前采用喷射混凝土封闭掌子面作为止浆墙措施，封闭厚度4～6cm。管棚（小导管）安装利用三臂凿岩台车自带吊篮作为安装平台，每根管棚由3m、6m三个节段组装而成，两段之间采用丝扣连接;管棚单双序号的连接丝扣错开半个节长，管棚（小导管）底部安装排气管;注浆作业采用注浆单元向孔内注浆，顺序从下而上，跳孔注浆，注浆压力 0.5～1.0MPa。超前小导管采用凿岩台车钻孔时，超前小导管角度不大于10°，搭接长度不小于1m;超前管棚宜在立架前施工，采用凿岩台车钻孔时，管棚角度不大于15°，管棚搭接长度不小于3m。

2.2  掌子面锚杆

在软岩大断面隧道开挖过程中，超前玻璃纤维锚杆及注浆均能显著提高核心土自身的强度和刚度，大大减小塑性区的深度。玻璃纤维锚杆注浆有对岩体的改良效果更能控制掌子面的挤出位移，更有效地减小超前核心围岩塑性区的深度和范围。

2.2.1 工艺流程

图2  施工工艺流程

2.1.2 操作要点

根据掌子面稳定性评价结果，选取对应的掌子面纤维锚杆注浆加固措施，绘制纤维锚杆注浆加固设计图。注浆作业采用注浆单元现场注浆，注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥-水玻璃双液浆。浆液配比，普通水泥单液浆： W：C= （0.6～0.8） ：1;普通水泥-水玻璃双液浆W：C=1：1，C：S=1：1，注浆压力控制在 2～3MPa。

2.3  掌子面封闭

隧道掌子面进行锚喷支护加固措施，对减小隧道掌子面的挤出位移作用效果明显。同时，通过适当优化施工工序，加快隧道断面闭合时间，加强监控量测，确保掌子面稳定。

2.3.1 工艺流程

图3  施工工艺流程

2.3.2 操作要点

（1）施工准备

喷射作业应认真清除受喷面上浮土，回弹物等松散积料，用高风吹净，调整湿喷机械手的风压、水压，做好准备;Ⅳ级围岩掌子面喷砼厚度4cm，V级围岩段掌子面喷砼厚度6cm。

（2）掌子面封闭喷浆

采用C25钢纤维喷射混凝土封闭掌子面，见图4，喷射作业应分层、分段、分片依次进行，喷射顺序应由下而上移动。

3.  机械化大断面开挖施工技术

3.1  工藝流程

如图4。

3.2  操作要点

根据围岩分级结果，选择全断面或微台阶法。

3.2.1台车定位

台车在进行衬砌工作前，必须要对台车进行定位，使台车轮廓断面尺寸与要求尺寸一致。

3.2.2导入钻爆参数

根据不同围岩，采用Temviewer软件绘制炮眼布置图，计算单孔装药集中度、装药系数等钻爆参数，导入三臂凿岩台车系统。

3.2.3台车钻孔

为充分发挥六个机械臂的效率，避免机械臂碰撞，系统根据炮眼布置图，自动分配6个机械臂的工作范围和钻孔顺序。

3.2.4 机械化装药及爆破

（1）装药器就位。钻孔完毕后，装药器就位，与凿岩台车水电连通。

（2）炸药入箱，清洗润滑管路。炸药采用散装乳化炸药，根据设计总量，一次装填至料箱。

（3）设定装药量和耦合度

在装药器电控柜上设置每个炮眼装药量和耦合度。

（4）装药。起爆弹放在孔口，通过输药管推送起爆弹至孔底;利用凿岩台车吊篮装药，输药管自动送管、拔管，通过装药量控制爆破耦合度;连接起爆网路起爆。

3.2.5 通风出渣、初喷

挖机与装载机配合出渣。为防止拱部及边墙掉块，采用C30喷射混凝土进行喷浆作业，初喷厚度4cm。

4.  机械化大断面初期支护施工技术

初期支护主要是采用钢架、锚杆、挂网和喷射混凝土与围岩形成初期支护受力整体，从而达到控制围岩变形的目的。锚杆主要是采用涨壳式预应力锚杆与传统的砂浆锚杆结合，通过凿岩台车或锚杆钻注一体机快速施工，对围岩形成初始应力，减少围岩松动圈;钢拱架安装采用隧道多功能拱架安装台车，优化拱架分节，减少人力输出，形成快速成环结构;喷射混凝土主要采用大型湿喷台车，通过大输送量喷射高强喷射混凝土，使混凝土强度在短时间内强度值增长较快，形成早强结构，从而保证整个初期支护结构受力较好。工艺流程见图5。

图5  初期支护施工流程图

4.1  涨壳式预应力锚杆施工工艺

涨壳式预应力锚杆通过凿岩台车自带注浆机实现钻孔、安装和注浆一体化施工。通过锚杆涨壳头胀开，短时间内对围岩形成初始张拉力，从而约束围岩早期变形。

4.2  钢拱架机械化拼装施工工艺

钢拱架安装主要采用隧道多功能拱架安装台车代替传统台架操作。通过多功能拱架安装台车手臂加吊篮相结合，实现拱架节点拼装。拱架分节根据拱架台车手臂夹取特点进行处理，主要分为全断面和仰拱拱架，且成环设置。具有合理优化拱架分节，提高施工质量;优化拱架安装顺序，提高施工工效;优化劳动力配置，降低劳动强度，确保施工安全等方面的优点。

4.2.1 工艺流程

图6  施工工艺流程

4.2.2 操作要点

拱架安装采用拱架安装台车，型钢钢架在钢构厂加工后，集中配送至隧道洞口存贮厂存放。安装步骤：

（1）测立钢架位置

利用全站仪测定拱架内弧拱顶、拱腰、边墙、拱脚和隧底标记点，保证净空尺寸符合设计要求。

（2）钢架拼装

全断面立架时，钢架拼装采用4段式，分为拱墙与仰拱，其中拱墙钢架采用3段式拼装。拼装顺序先边墙再拱部后边墙，最后施做仰拱;微台阶法立架时，钢架拼装分为5段，分为上台阶、下台阶与仰拱，其中上、下台阶均采用2段式拼装，仰拱拱架采用整体式拼装。

（3）钢筋网片焊接

钢筋网片焊接采用直径6mm或8mm网片，搭接1～2片网格。

4.3  湿喷台车喷射工艺

喷射混凝土主要通过湿喷台车进行喷射作业，采用C30混凝土，提高混凝土早期强度，有助于加强初期支护结构受力，减少变形。

4.3.1 工艺流程

图7  施工工艺流程

4.3.2 操作要点

喷浆工序按照平面喷射→拱架吹平→喷平→初支收面。喷浆先进行平面喷射，垂直喷射钢筋网与围岩;当拱架内侧混凝土厚度与拱架间混凝土厚度差值超过3～4cm时，在拱架混凝土终凝前采用喷嘴进行拱架吹平;拱架吹平后，进行复喷至设计厚度。观察混凝土面平整度，通过喷嘴进行吹平，达到收面效果。

5.  结论

5.1机械化大断面超前预加固技术、机械化大断面开挖施工技术、机械化大断面初期支护施工技术等组成隧道全工序机械化大断面施工技术。

5.2机械化装药技术解决了传统装药机械化的问题，实现了真正意义上的隧道机械化施工。

参考文献

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[10]张丕界. 长大隧道机械化施工设备配套技术[J]. 隧道建设，2006，（01）：39-43.

[11]王磊. 浅谈长大隧道机械化施工设备配套[J]. 山西交通科技，2009，No.201（06）：79-80+88.

（作者单位：中铁十一局集团第四工程有限公司）

【中图分类号】U455.3

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2020）07-0080-03