成套施工设备在改扩建隧道中的应用

宋 建，杨家财

(广西桂鹿高速公路有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

我国已步入交通强国时代，公路建设里程不断增加，隧道施工机械化程度越来越高。为实现机械化减人，智能化换人，降低劳动人员作业强度，改善施工现场环境，确保工程质量，缩短各工序时间，确保施工进度，保障施工安全的目标，吴家屯隧道推广成套施工设备，打造隧道作业流水线。

1 工程概况

吴家屯隧道是同向行车的双洞四车道高速公路隧道，位于桂林市永福县广福乡吴家屯境内，为桂林至柳州高速公路改扩建控制性工程。该隧道为分离式隧道，其改扩建方案为：老线改为右幅，左幅为新建。本隧道位于新建段，隧道长2 520 m，净空为(宽×高)11 m×5 m，设计最大埋深为251 m。该隧道Ⅴ级围岩段约占49.7%，Ⅳ级围岩约占50.3%。本隧道建设工期为自开工日起22个月，建成后将交通转换到左线，再施工右线工程。隧道施工进度不仅影响隧道工程工期，同时也制约整个项目工期。

2 项目背景

桂林至柳州高速公路改扩建工程是交通运输部批准的“广西交通强国建设试点项目”，项目的目标是“重塑广西第一路”，争创国家级优质工程和山岭重丘区高速公路改扩建示范工程，打造精品工程、和谐工程、平安工程和廉洁工程。路线全长约100.914 km，其中利用老路92.138 km，占比91.3%，新建线路8.776 km。项目主要以两侧直接拼接为主，局部单侧拼接或分离为辅的方式进行改扩建。设计时速为120 km/h。整体式路基宽度为41.0～42.0 m。

为进一步落实广西交通投资集团有限公司高速公路质量管理目标，推广先进的施工设备和工法，全面提升高速公路品质工程建设，吴家屯隧道全面落实机械化施工要求。

3 隧道成套设备施工

吴家屯隧道坚持“以工装保工艺，以工艺保质量”的质量管理方针，以首件工程标准化为抓手，以“机械化、专业化、信息化”为支撑手段，推广隧道成套施工设备，使现场变为工厂。

钢筋加工厂建设标配设备：龙门吊/桁吊、钢筋网排焊机、联合冲剪机、数控冷弯成型机、等离子切割机、小导管剪头机、数控小导管冲孔机、二保焊机等。

超前预报设备：液压履带式多功能超前钻机(C6)等。

开挖设备：多臂凿岩台车、空压机组等。

初期支护设备：湿喷机械手、多功能拱架安装台车、液压锚杆机等。

二衬及仰拱设备：自行式液压移动栈桥(配备仰拱弧形模板和中心排水沟整体模板)、半自动防水板铺挂台车、防水板电磁波焊机、自动化分层浇筑衬砌台车(配备分层浇筑布料机、钢端模或高分子端模)、自行式衬砌养护台车、电缆沟槽模板台车、隧道边墙凿毛机等。

安全文明施工配备：隧道通风机、除尘雾炮机、清扫车、接送车、隧道逃生管道等。

3.1 钢筋加工场

智能钢筋网焊接机器人可实现自动上料、下料、切割和自动焊接等功能，每日生产钢筋网片达1 000片以上；数控钢筋弯曲机可实现自动上料、下料、切割、自动弯曲等功能。以上智能、数控生产设备的投入，大幅减少了操作工人数量，有效避免了人为操作带来的不可控因素，质量、安全管理水平提升显著，钢筋加工厂智能化、机械化生产得到全面提升。

3.2 洞身开挖

近年来，随着对工程安全、环保、质量、文明施工的高度重视，传统风钻开挖和其他一般开挖方式已无法满足标准化施工工艺要求。三臂凿岩台车无须人工和其他测量设备布设隧道周边轮廓及炮孔，大大缩短施工准备时间。其既能自动完成爆破孔、锚杆孔、灌浆孔的自动定位、钻眼、反馈、调整等功能，也可完成装药、锚杆安装、灌浆、风管安装等高空作业，钻孔精度高，可提高钻孔质量和炮孔利用率，超欠挖控制精准，提升光面爆破效果。

三臂凿岩台车主要由底盘系统、液压系统、电器系统、供水系统、供气系统、驾驶室、电脑控制系统、钻臂、推进梁、液压凿岩机、辅助臂组成。设备底盘采用四轮驱动系统，具有爬坡能力强、行驶机动灵活、地形适应能力强等特点。驾驶室为全封闭机构，可自由升降，配冷暖空调和双层隔音玻璃，减少噪音和粉尘伤害，配置自诊断系统和语音报警系统，可对全车状态进行监控和故障诊断，方便操作人员快速排除故障。配备全电脑控制系统，具有钻孔自动控制、钻臂自动控制、自动防卡钎、同步测量等功能，精确控制钻孔定位、角度和深度。三臂凿岩台车配有三只钻臂，大臂可以俯仰角度为正60°至负30°，摆动角度为左右45°。伸缩臂作业长度为2.5 m，宽度为16 m，高度为11 m，最大覆盖面积可达154 m2。该设备一次定位可满足全断面施工要求，凿岩硬度高，钻孔速度快，性能稳定可靠，确保最佳钻进速率，并配备自动防卡钎装置，减少钻具磨损，降低配件消耗，且摆动臂平台具有自平衡功能，作业范围大。

该设备采用软件绘制钻孔参数规划图，并借由移动存储设备导入电脑，设备就位，撑起支腿，全站仪定位测量，通过激光导向装置和凿岩台车左右两侧的传感棱镜，准确测得设备坐标参数，将测量结果输入车载电脑，确定整机在隧道断面的相对位置，依据掌子面当前的状况选择手动模式、半自动模式和全自动模式三种操作模式：(1)手动模式，在特殊工况下，操作手可通过肉眼观察钻臂位置，手动调整钻臂角度，进行钻孔作业；(2)半自动模式，在数据输入电脑后，操作手通过电脑屏幕的实时显示，移动操纵杆，使屏幕中钻臂的投影线条与预设布控线条相吻合，确认位置后，设备开始自动钻孔；(3)全自动模式，操作员向电脑录入测量坐标，由电脑控制设备按照预设方案自动校准和钻进。

全电脑液压三臂凿岩台车成功应用于吴家屯隧道，凭借其智能、高效、经济、稳定的技术特点，使施工效率明显提升。其以电脑自动控制代替人工操作，减少对操作手经验的过度依赖，降低工人劳动强度，改善现场环境，有效地缩短了工序时间，大幅提高了开挖进度，隧道界面轮廓成型效果好，超欠挖量小，降低了初期支护成本。该台车操作人员距掌子面13 m，提高了操作人员的安全系数，钻进过程中噪音小，能减少噪音对作业人员的影响，可记录施工数据，为优化爆破方案和后续工序提供信息反馈。

3.3 喷射混凝土

隧道开挖后应及时初喷。喷锚支护必须紧跟开挖工作面，应先喷后锚，喷射作业应有人随时观察围岩变化情况。隧道施工存在安全隐患最大的部位为开挖后未进行支护封闭的围岩，普通湿喷机械需要人员较多，且在围岩下面进行作业存在较大的安全隐患。而湿喷机械手操作人员可在已完成初支且远离掌子面10 m的地方对机械臂进行遥控操作，降低了施工安全风险，避免塌方对人员和机械的安全威胁，使作业安全性能大大提高。

湿喷机械手的工作效率是普通湿喷机的4倍左右，有效提升了喷射效率和质量。其喷射混凝土结构密实，降低施工成本，回弹量少，可缩短施工时间，使岩面快速封闭成环，改善围岩结构受力，增强围岩自身稳定性。机械臂操控可使距离及角度控制精准，采用预拌混凝土，喷射机具有稳定的风压和空压，能使喷射的混凝土密实均匀，无空洞。

湿喷机械手实现了机械化减人、智能化换人的目的，减少了粉尘的产生，改善了现场施工环境，提高了工效，降低了工人劳动强度，减少了材料浪费。

喷射前应清除松动岩块，清洗岩壁面粉尘，清除边角处的岩屑、杂物等。有渗水时，须引排处理。局部水量较大时，采用凿槽埋管将水引导疏出后再喷射混凝土。通过埋设标志控制喷射混凝土的厚度，确保厚度满足设计要求。喷射混凝土混合料应随拌随喷，回弹物不得重新用作喷射混凝土材料。首层喷混凝土时，要着重填平补齐，将小的凹坑喷圆顺，后一层应在前一层混凝土终凝后进行。为了防止后续的防水卷材破损，喷射应使围岩的凹凸处完全被覆盖。

3.4 锚杆作业

锚杆施工宜在初喷后及时进行，所有锚杆都必须安装垫板，垫板需与喷射混凝土紧密接触，锚杆施作位置用红漆进行标识。

液压锚杆钻机能多角度旋转钻孔，锚杆钻孔精准，安装方便，能有效避免人员处在未支护的开挖面下作业，提高工人的安全系数。

3.5 拱架安装

钢架分节段制作，型钢钢架宜采用冷弯法制作成型，钢架节段可采用工厂化加工制作。拱架接头钢板厚度及螺栓规格必须符合设计要求，螺栓孔采用机械钻孔，孔口采用砂轮机清除毛刺和钢渣，每榀之间可以转换。钢架基础应置于牢固密实的地基上，脚底超挖、拱脚高程不足时应用喷射混凝土填充。

多功能拱架安装台车施工不再借助简易台架，施工便捷，减少人员投入，劳动强度低，机械配套施工更加高效，施工安全可靠，定位精准。

3.6 仰拱栈桥

隧道仰拱应及时施工，整断面一次成型，使支护结构早闭合，改善围岩受力状况，控制围岩变形，保障施工安全。超挖在允许范围内采用与衬砌同强度等级混凝土浇筑回填；大于规定时，应按设计要求回填，不得用洞渣随意回填，严禁侵入衬砌断面。

随着隧道技术的不断提高，仰拱施工成为相对滞后的施工环节。自行式全液压移动式栈桥能实现桥上通行、桥下施工互不干扰，使仰拱和仰拱填充的浇筑更加快捷。施工车辆可在栈桥上正常行驶而不影响前方开挖支护作业，桥下可正常进行仰拱的衬砌，钢筋绑扎、仰拱填充、隧道出渣也可正常作业。仰拱初支和填充依次成型，减少了施工缝。

可调式自动升降液压系统能满足不同条件下隧道施工需求，配套仰拱水沟模板、两侧边部和端头弧形模板，有效提升了隧道机械化施工水平。该栈桥可依次进行仰拱和仰拱填充的浇筑，在完成仰拱衬砌后，模板前移，在浇筑完第二模后，浇筑第一模的仰拱填充，并且不影响前面开挖、出渣工作，可有效叠加工序，加快施工进度。

自行式全液压移动式栈桥主要由行走系统、支撑结构、主桥、坡道、滑移小车等部分组成。全桥长30 m，工作长度为18 m，行车宽度为3.5 m，荷载为50 t。栈桥移动、作业采用液压系统驱动，可以自由前行和左右移动。栈桥采用模块化拼装式结构，自身结构合理，重量轻便稳定，增加了栈桥的承载能力，有效拓展了隧道施工空间，使整个施工面可以平行开展，是隧道安全、快速施工的保证。

3.7 防排水作业

防水层在初期支护基本稳定时施工。初期支护表面应平整，无空鼓、裂缝、松酥。对于初支表面外露的锚杆头、钢筋头等坚硬物采用电焊或氧焊齐根切除，并用1∶2水泥砂浆抹平，防止顶破排水板；对局部凹凸部分，应修凿、喷补，使其表面平顺；对超挖较大的部位必须挂网喷锚。

防水板施工采用防水板铺挂台车安装。该台车就位前仔细检查初期支护有无空洞，断面范围内是否有各类凸起物，通过激光三维扫描仪检查断面是否侵线，各类预埋件是否准确，检验均合格后方可进行防水层施工。土工布和热熔垫片使用红外线激光定位，射钉枪固定。热熔垫片使用红外线激光定位，防水板铺设和安装自动卷放，从一侧边墙底部向对侧边墙的顺序进行展铺。防水板和热熔垫片使用超声波焊机进行焊接，搭接采用爬焊机焊接。利用铺挂台车可将防水板幅宽增加为7 m，有效减少焊缝，提高施工效率，降低劳动强度。

纵向止水带卡具主要由紧线器、止水带夹紧装置、卡槽、可调定位装置组成。紧线器拉直纵向止水带，安装止水带夹紧装置，夹紧卡槽托架与仰拱边墙模板连接。基底处理后铺设土工布，防水板、背贴式止水带，安装加固仰拱下端模、中埋式环向止水带和仰拱上端模。

3.8 衬砌作业

钢筋集中加工、统一配送，钢筋制作必须按设计轮廓进行大样定位。钢筋安装采用钢筋台车，每2 m一个单元，钢筋保护层应全部采用高强砂浆垫块来控制，能有效控制钢筋间距、位置及保护层厚度。

二衬混凝土施工在周边位移、拱顶下沉速率和总位移等方面满足规范要求，初期支护和围岩变形基本稳定，锚杆拉拔试验和注浆饱和度检查合格后方可进行。二衬施工前须对初期支护断面进行激光测量，对不符合要求的应进行处理。二衬距离掌子面的距离控制在安全步距范围内，各类洞室预埋件位置经检查均符合要求后方可进行施工。混凝土错缝控制在2 mm内，台车模板与混凝土搭接应加固封堵，防止渗漏浆。已完成的衬砌地段，应继续观察二衬的稳定性，注意变形、开裂、侵入净空等现象，并及时记录。

为了确保混凝土外观质量，吴家屯隧道二衬台车钢板采用10 mm钢板加2 mm不锈钢板压制而成，以确保浇筑的混凝土洁净光亮。二衬台车按照模板准入制验收合格后拼装，现场拼装完成后，在轨道上往返行走3～5次后再次紧固螺栓，并对部分连接部位加强焊接以提高其整体性。每施作衬砌500～600 m，台车应全面校验一次。校验可在隧道加宽带进行。

混凝土浇筑前需清理基底的杂物并冲洗干净，模板应打磨干净并均匀涂刷脱模剂，泵送前用水泥砂浆润滑管道。采用滑槽逐窗入模浇筑技术，混凝土通过地泵的泵管泵入顶平台主料斗，再进入滑槽，三通分流。通过调节三通分流槽挡板控制混凝土流向分流串筒，经分滑槽导流至一级工作窗口，关闭分滑槽串筒流向一级分滑槽方向挡板，导流混凝土至二级工作窗口，最后到三级窗口，更换泵管，进行冲顶施工。混凝土应对称均匀浇筑，左右高差和水平分层不超过50 cm，边墙和拱脚采用插入式振捣器进行振捣，时间控制在20 s左右，拱顶采用附着式振捣器进行振捣，时间控制在40 s左右，防止过振或漏振。

3.9 衬砌养护

隧道养护采用二衬喷淋养护台车，以降低水化热，保护混凝土养护质量。洞口100 m养护期≥14 d，洞身养护期≥7 d，对已贯通的隧道二衬养护期≥14 d。普通二衬混凝土养护采用高压水喷淋存在养护不均匀、不到位等问题，因而在喷淋养护台车外侧沿着隧道轮廓布设喷淋系统，水雾均匀喷洒到二衬表面，可以沿着轨道移动。根据施工规范要求，定期进行养护，确保二衬混凝土养护质量。对比普通的养护方式，养生均匀到位，有效减少了混凝土收缩裂缝和裂纹，提高了混凝土耐久性。另外可有效降尘，净化隧道空气，改善隧道施工环境。

3.10 沟槽作业

采用轨行式液压水沟电缆槽台车进行水沟电缆槽施工。

传统钢模每次施工都需要将每个钢板拼接，施工工序多、耗时长、沟槽成品整体性差。水沟电缆槽台车实现液压系统自动定位、模架整体走行，沟槽一次成型，提高了水沟施工质量和工效，比传统作业节省时间60%以上，且交叉作业干扰小、使用寿命长，优势明显。

4 结语

在桂林至柳州改扩建高速公路争创百年品质工程和山岭重丘区示范工程中的吴家屯隧道使用成套施工机械设备，极大减轻了工人劳动强度，改善了作业环境，减少了人员安全隐患，工程质量和进度得到极大提升。成套施工机械设备将在项目其他隧道推广使用。