隧道Ⅳ级围岩大断面机械化施工技术

何 畏

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

1 工程概况

某隧道左线长2162 m、右线长2273 m，为分离式双向6 车道形式，设计速度100 km/h，净宽14.75 m，高5 m。隧址区地质条件较差，以Ⅳ级围岩居多，岩溶分布范围广，施工期间易遇到诸多安全隐患。为在安全环境下完成隧道施工作业，拟采取机械化施工技术，配置凿岩台车和湿喷机机组，形成机械设备联合作业模式。

2 凿岩台车钻孔开挖施工工艺分析

2.1 施工工艺流程

根据设计要求将具体工艺参数（如钻孔深度、孔径、孔距等）输入至凿岩台车系统内，使其按照设定的参数有序钻孔。计算机系统具有自动化运行的特征，能够控制台车大臂、推进梁等各关键组件，凿岩作业可自动完成。凿岩机运行期间，仅需操作手根据现场情况操作车载电脑即可，无需投入大量的施工人员。

凿岩台车自动钻孔的基本作业流程为：钻孔前由设计人员根据施工需求合理设计钻进参数，绘制钻爆图，将所得数据拷贝至台车计算机系统中；随后，由系统自动识别数据，根据数据要求自动生成作业流程；台车计算机系统根据参数自动控制台车大臂等相关装置，根据布控图确定钻进点位，于该处自动钻进至设计深度处并洗孔；在完成某孔的钻进作业后，若无误则转至下一目标孔，按照此方式有序钻进。必要时可采取手动操作的模式，此时由操作人员操纵控制器，顺利完成钻孔作业。

2.2 钻孔注意事项

（1）钻孔深度的控制。以围岩特性为参考依据，凿岩台车电脑系统在获取定位数据以及岩层特性（凹凸程度）后，自动计算并确定实际钻孔深度，以该参数为作业标准，依次完成钻孔作业，最终使各炮眼底共处相同的垂直面上。

（2）周边眼钻孔角度的控制。以围岩类别、超挖量控制标准等参数为基本依据，经计算后确定合适的周边眼钻孔角度。若岩层处存在钢拱架支护结构，宜采取长短孔交叉组合的方式，以免出现欠挖现象[1]。

（3）定位钻臂钻孔位置的控制。通常，此环节的钻孔作业不宜选择在凹凸不平的区域，否则在凸出部分钻进时易出现孔深不足的情况，且将进一步影响后续的爆破效果；而对于凹入区域，在该处钻孔时则容易导致孔深超过设计值，产生的爆破面偏大。

（4）传感器误差的控制。钻孔施工期间孔深、孔径等参数的测量均要得到传感器的支持，为保证测量结果的准确性，需要做好误差鉴定工作，以台车电脑系统确定的隧道底角和中线位置标准为依据，判断传感器实测结果与之是否存在偏差，若确有存在，则需及时调整。

（5）眼孔开孔的精度控制。施工期间需要密切关注掌子面开挖以及凿岩机开孔两方面的具体情况，必要时采取人工干预手段，以确保凿岩机的姿态具有合理性，使其始终维持在最佳开孔状态。

（6）钻孔期间的质量控制措施。以既定的钻孔顺序为准，按顺序依次完成底板眼、掏槽眼等各部分的钻进施工[2]。从底眼处开始钻孔，达到设计深度要求后清理孔内的碎石、碎渣屑，完成钻孔作业后洗孔，若孔内沉渣厚度达标，即可退出钻杆，有效堵眼。钻臂是凿岩台车结构体系中的关键部分，机械操作手需要严格控制钻臂的移动方向和幅度，不可与洞臂岩石发生碰撞。其中以周边眼眼孔的钻进更为特殊，操作手必须严格控制凿岩机的位置，禁止与周边物体磕碰。存在欠挖现象时，应由施工人员根据实际情况合理处理。凿岩台车施工情况如图1 所示。

图1 凿岩台车施工

3 湿喷机组的喷锚支护施工工艺分析

3.1 施工工艺流程

拌合站按照设计配比要求取适量质量达标的原材料，经过集中拌和后生产满足施工所需的混凝土，通过出厂质量检查后及时运至现场，卸至湿喷机组的料斗内，通过输送泵机组的作用将该部分混凝土进一步转移至湿喷机的喷嘴处，用于湿喷作业。湿喷作业期间使用到适量的液体速凝剂，需将其倒入混合器内，与其中的压缩空气有效混合，组成均匀性较好的速凝剂气液混合物，再将该部分转入机组喷嘴中，在与混凝土混合后即可高压喷射。在压力的作用下，该混合料将被均匀喷至岩面上，由于使用到适量的速凝剂，因此混合料可以快速凝结，构成完整的支护结构。

3.2 前期准备工作

3.2.1 清理湿喷断面

受喷岩面保持洁净是湿喷作业的必要前提[3]，因此需在施工前做全面的清理。松动的石块、浮碴等易于清理的部分可由施工人员完成；遇浮尘以及岩屑时，可利用高压水清理干净；若待喷射的岩面具有遇水易潮解的特点，则不宜采取高压水清理的方式，较为可行的有高压风清理。清理期间需采取防护措施，以免因杂物掉落而伤人。

3.2.2 机组准备

根据隧道Ⅳ级围岩的地质情况以及工程施工需求，将合适型号的机组转运至现场，将其平稳架设在预先经过平整和夯实处理的场地上，试运行，分析伸展喷射臂、起动液压系统等装置的运行情况，要求各部分均无异常。运输车将混凝土运输至现场后，先向料槽内倒入喷射料（达到槽容量的1/3 以上），在此基础上方可正式开机，若未满足此要求，则容易发生堵管现象。制作孔径为15 mm 的钢筋网，将其加装至料斗口，目的在于拦截超粒径骨料，确保混合料的质量。

3.3 湿喷施工

（1）启动喷射机时需要按照“先送风、再加料”的顺序操作，观察喷嘴的实际情况，该处喷出混凝土后方可按照比例掺入适量的液态速凝剂。上料应具有连续性与均匀性，料斗应始终维持饱满的状态。喷射混凝土前需要初扫一遍整环喷射面，按照从边墙到拱顶的顺序有序完成喷射作业，全程速度应稳定在20～24 m3/h。

（2）机械臂包含大臂和小臂两类，前者主要用于确定距离，后者主要用于确定位置，再通过喷嘴合理控制喷射角度，使整机设备保持最佳的喷射姿态。分层依次完成湿喷作业，初喷厚度以4～6 cm 为宜，复喷阶段各层厚度的控制标准为拱顶不超过10 cm，边墙处不超过15 cm。

（3）遵循先墙后拱、自下而上的喷射原则，并根据喷射范围合理分段、分片，通常可采取纵向3 m 分段、宽2 m 分片的方式，而在分片喷射过程中则需要优先施工钢架与壁面间的空隙，再转向钢架之间。喷射期间需控制喷头的姿态，与岩面的夹角为75°～90°，喷嘴螺旋形转动，喷射距离1～1.5 m。

（4）喷射料束应具有环形旋转水平移动的特点，环形旋转直径30 cm 左右，每转动一圈的持续时间以1～1.5 s 为宜。待坑喷平后，方可喷射第一层混凝土，此阶段的用量应稳定在22～26 m3/h。

（5）喷射完成后的停机流程为：先关闭速凝剂计量泵，再终止加料，清理喷嘴，最后停风、停机。湿喷混凝土施工现场如图2 所示。

图2 湿喷机组施工现场

3.4 湿喷后的机组清理

（1）喷射混凝土过程中应尽可能将料斗内的混合料喷完，若因特殊情况而存在剩余部分时，需要及时开启卸料门，在余料尚未凝结时清理干净。向料斗内加入适量水并喷射，经过持续的喷射后，待喷出的部分为清水即可结束。

（2）喷嘴处混合料的清理可采取高压水枪冲洗的方式，待喷嘴干净后将其卸下，进一步清理喷嘴与周边结构的连接部分。将机械臂展开，用高压水枪清理。还需清洗遥控器引线，该部分恢复至洁净状态后再按照顺序依次挂回原位。

（3）蓄能器的压力需要缓慢释放，随后打开料斗格栅，拆除喷头和出料口弯管，于该处置入海绵清洗球，然后再将相关结构装回原位，通过喷射的方式使海绵球在管道内来回清洗，最后取出。

4 结束语

以隧道Ⅳ级围岩地质条件为立足点，对此施工条件下的大断面机械化施工技术展开探讨，阐述具体施工要点，希望所提内容可作为类似工程的参考。