铁路隧道机械化配套施工工艺和关键施工技术研究

摘要：以位于辽宁省抚顺市新宾县境内楼山隧道的Ⅲ、Ⅳ级围岩施工段为例，对该隧道施工段开展机械化配套施工。设计施工工艺并制定超前预加固措施，从三臂凿岩台车隧道开挖施工、初期支护、自行式全制动液压仰拱栈桥仰拱施工、二衬模板台车衬砌施工等方面，详细阐述了隧道的钻孔、爆破、衬砌工程的机械化配套施工关键技术，保障了该隧道施工段安全、快速、高质量完成施工任务。

关键词：超前预加固；三臂凿岩台车；自行式全制动液压仰拱栈桥

0" "引言

随着交通基础设施的快速发展，隧道工程在交通网络中的重要性日益凸显。隧道施工技术的发展，尤其是隧道的机械化施工技术，不仅提高了施工效率，还提高了施工质量、保障了施工安全。机械化施工技术在隧道工程中的广泛应用，推动了隧道施工技术的发展和创新，使得在复杂地质条件下开展大规模隧道施工成为可能。

目前，隧道机械化施工主要包括钻爆法、盾构法和掘进机法等施工方法。这些施工方法各有优劣，适用于不同的地质条件和工程需求。例如，盾构法在软土地层中具有较高的施工效率和安全性，而钻爆法在硬岩地层中则表现出色。掘进机法则广泛应用于长大隧道和复杂地质条件的施工中。

近年来，随着施工技术的不断进步，隧道机械化施工技术在设备性能、施工工艺和管理方法等方面均取得了显著的进展。本文以位于辽宁省抚顺市新宾县境内楼山隧道的Ⅲ、Ⅳ级围岩施工段为例，对该隧道施工段开展机械化配套施工。

1" "工程概况

位于辽宁省抚顺市新宾县境内的楼山隧道，起讫里程为DK97+419.26～DK102+328.98，长度为4909.72m。该隧道沿线地貌形态复杂，沟谷纵横、林木丰富、植被茂密，属于高风险隧道。

该隧道按照国铁集团和建设单位要求推行隧道机械化施工。根据DK100+000～DK101+503隧道施工段所处的Ⅳ级围岩225m、Ⅲ级围岩1278m的地质条件，决定采用三臂凿岩台车等机械设备，对隧道的钻孔、爆破、衬砌工程进行机械机化配套施工，以便安全、快速、高质量完成该隧道施工段的施工任务。

2" "机械化配套施工关键施工技术

2.1" "施工工艺

2.1.1" "施工方法和配套机械设备

根据该隧道施工段施工现场实际情况，参照建设单位相关管理办法，采用全断面和微台阶法进行机械化施工。根据隧道机械化开挖和衬砌施工要求，配备了三臂凿岩台车、锚杆钻机、自行式全制动液压仰拱栈桥、仰拱衬砌台车、二衬模板台车、挖掘机、装载机、自卸车、混凝土喷射机等所需各种机械设备，确保隧道施工全安、顺利地进行。

2.1.2" "初期支护和二次衬砌

Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护封闭成环的位置，距离掌子面不得大于90m，二衬衬砌安全步距距离掌子面不得大于160m[1]。Ⅲ级围岩初期支护封闭成环的位置，距离掌子面≤150m，二衬衬砌安全步距距离掌子面≤260m。

2.1.3" "安全施工措施

开挖时按照1：0.1至1：0.2放坡。根据掌子面的具体情况，及时采取预加固措施，确保持掌子面稳定。微台阶开挖时，上台阶纵向长度取3～5m。根据围岩的实际地质情况以及掌子面稳定性要求，适当调整上台阶的纵向开挖长度[2]。

2.2" "超前预加固措施

2.2.1" "掌子面处理

根据施工段掌子面的稳定性、地层岩性和地下水发育情况，采取以下措施确保掌子面的稳定[3]：对掌子面喷射C30混凝土进行封闭，以提高其稳定性。对于不稳定的掌子面，在喷射C30混凝土的基础上，增加掌子面杆以进一步保障掌子面的稳定性。对Ⅳ级围岩的掌子面，喷射4cm厚度的混凝土。

2.2.2" "超前支护

根据不同段落的围岩等级，制定相应的超前支护措施，具体支护措施如下：DK100+625～DK100+710段为Ⅳ级围岩，将其拱部原设计的Ø42mm单层小导管调整为Ø50mm单层小导管，其纵向间距为4m，每根长度为6m，环向间距为0.4m，每环小导管为45根。使用风动凿岩机钻设小导管孔，安装预制好的小导管，在小导管端头连接孔口阀和管路；使用注浆机向小导管内注入预制好的水泥-水玻璃双浆液，以此加固拱部围岩。

2.2.3" "施工要求

根据实际施工段的具体情况，合理布置机械化施工设备，确保施工过程的顺利进行。严格按照相关规范和管理办法进行施工，确保施工安全和工程质量。在施工过程中，对掌子面进行实时稳定性监测，并根据监测结果及时采取相应的预加固措施。

2.3" "三臂凿岩台车隧道开挖施工

2.3.1" "施工准备

为提高围岩自稳能力、减少超欠挖、节约施工成本，采用光面爆破技术进行隧道开挖施工。利用超前预报和超前钻孔等手段，探测围岩的完整性、涌水和不良地质等情况。分析围岩的基本力学性质，确定隧道围岩的实际力学性质，以此确定开挖和支护的详细参数[4]。使用三臂凿岩台车在掌子面进行爆破空的钻孔作业，使用挖掘机及时清理被炸松或产生裂缝可能脱落的石块，排除险情。

2.3.2" "钻设爆破孔

鉴于围岩条件不断变化，指定专人进行统一指挥和协调，严格控制周边孔的间距和深度，动态调整开挖断面[5]。现场技术人员检查三臂凿岩台车钻设爆破孔的质量，测量并记录钻孔数据备用并存档。三臂凿岩台车钻孔时一般不考虑超欠挖情况。

由于受钻杆端头的影响，钻孔过程中钻杆端部一般不应大于开挖轮廓线15cm。三臂凿岩台车钻设爆破孔位置如图1所示。

2.3.3" "装药与爆破

周边孔的装药采用非耦合段导爆索分段式连接，禁止简化步骤和集中装药。周边孔的装药量必须严格按照爆破设计方案进行填装，以确保装药质量。装药时应使用捣药棒将药包放置在指定位置，并封堵爆破孔。应遵循分段、分区方法，按照“拱脚区域、拱腰区域、拱顶区域”的先后顺序，以及“先周边、后中心”的顺序进行装药。

起爆的顺序为：掏槽孔→辅助孔→内圈孔→周边孔→底部孔。爆破后，应进行通风以散去爆破烟雾。在空气安全性得到验证后，爆破人员应检查现场是否有哑炮或残留爆破材料，并检查围岩的稳定性，及时处理所有隐患。爆破孔装药结构示意如图2所示。

2.3.4" "通风出渣

爆破后及时通风排烟，减少烟尘和有害气体。出渣时采用1台挖掘机和2台装载机配合自卸车施工。自卸车装渣不得过满，严禁超载。驾驶员应控制自卸车行驶速度，隧道内禁止超速、超车。自卸车过往栈桥时派专人指挥。

2.4" "初期支护

2.4.1" "锚杆施工与封闭成环

使用锚杆钻机按设计间距及长度，沿钢架边沿施打隧道径向锚杆孔并安装锚杆，将锚杆与钢架焊接，使锚杆与钢架形成一个完整的受力环。为保证支护结构的安全稳定，初期支护必须在开挖后及时封闭成环。

2.4.2" "钢架连接及锁脚锚管安装

按照设计要求，将每榀钢架的纵横向连接筋与钢架焊接牢固。按照设计要求安装锁脚锚管，并控制好施作角度和焊接质量。钢架基底采用混凝土垫块垫实后，喷射混凝土并喷填密实。

2.4.3" "施工安全及质量控制

为了确保施工安全，严格按照规范和设计要求进行施工，保证每一步工序的安全施工。在喷射混凝土和锚杆施工等环节，通过实时监控和质量检查，确保初期支护的施工质量。

2.5" "自行式全制动液压仰拱栈桥衬砌浇筑施工

2.5.1" "结构特点和使用性能

自行式全制动液压仰拱栈桥是专为隧道仰拱施工设计的设备，主要由大型钢结构件组成，其最大高度为1.26m，最大宽度为4.1m，最大仰拱衬砌能力为12m。自行式全制动液压仰拱栈桥具有高强度、高稳定性和灵活移动等特点。自行式全制动仰拱栈桥通过其高水平设计和强大的功能，大大提高了隧道仰拱的施工效率和安全性。其灵活的移动能力和稳定的结构设计，使其成为现代隧道施工中的重要设备。

2.5.2" "主要部件和系统

自行式全制动仰拱栈桥的主要部件包括主桥、长引桥、短引桥、滑座、底座、行走系统和液压系统等。主桥是该栈桥的核心部件，其长度为8m，负责承载主要荷载和施工设备。长引桥的长度为15m，用于延伸施工范围。短引桥的长度为6.7m，用于控制栈桥的升降和倾斜，确保在三维空间内与仰拱衬砌台车的完美配合，能够同时用于仰拱混凝土浇筑和车辆及作业人员的安全通行。

2.5.3" "倒拱混凝土衬砌与填充施工

使用自行式全制动仰拱栈桥进行倒拱衬砌与倒拱填充应分开浇筑。倒拱衬砌混凝土终凝后，拆除倒拱模板，浇筑倒拱填充混凝土。根据混凝土拌合物凝结时间试验结果，倒拱衬砌与填充混凝土之间的浇筑间隔不应少于8h。待倒拱填充混凝土达到5MPa后方可通行人员，达到设计强度100%后方可通行车辆。

2.5.4" "与仰拱衬砌台车配合进行仰拱衬砌浇筑

自行式全制动液压仰拱栈桥在隧道施工中，与仰拱衬砌台车密切配合，能够实现高效的仰拱混凝土衬砌浇筑。通过液压控制系统，该栈桥能够在施工过程中自由调整位置，确保浇筑作业的顺利进行。

2.6" "二衬模板台车施工

2.6.1" "轨道铺设及台车组装要求

台车的枕木和钢轨必须符合施工规范要求，以确保轨道的稳定性和安全性。轨距误差应控制在±10mm以内，以确保台车行走的平稳性。轨道与枕木必须用道钉固定，防止台车行走过程中发生移位或脱轨等危险情况。枕木间距需≤70cm，以确保轨道的承载能力和稳定性。二衬模板台车应在隧道洞外，选择便于二衬模板台车进洞的地段进行组装，以保证二衬模板台车进洞顺利。二衬模板台车安装完成后，确保台车轴线与隧道轴线的夹角≤5°。这是确保台车行走顺畅和衬砌施工质量的关键。

2.6.2" "吊装作业

根据二衬模板台车施工场地的条件，选择适当吨位的起重机对其主件进行吊装作业。吊装二衬模板台车主件时，确保吊装过程的安全和稳定。二衬模板台车按照说明书规定的先后顺序进行吊装和组装，以确保装过程的安全性。

2.6.3" "组装质量控制

二衬模板台车在出厂前已经进行过厂内组装和调试，因此在施工现场组装时应比较顺利。若遇到问题，应参考出厂组装记录进行调整。若因运输导致二衬模板变形，应尽量进行校正，严禁使用气割和电焊的方法处理二衬模板外表面，以防影响二衬模板表面光洁度和二衬混凝土的浇筑质量。

2.6.4" "施工注意事项

在整个施工过程中，必须始终注意施工安全，特别是在吊装和组装过程中，确保施工人员和设备的安全。必须严格按照规范要求进行每一步施工，特别是轨道铺设和台车组装，以确保施工质量和衬砌效果。必须定期检查和维护台车及其附属设备，确保其正常运行，避免施工过程中出现故障。

3" "结束语

通过对隧道机械化配套施工工艺和关键施工技术的研究，展示了机械化施工在隧道工程中的重要作用和实际应用效果。通过对不同施工方法的分析与比较，总结了适用于不同地质条件和工程需求的最佳施工方案，详细探讨了设备选择与配置、施工参数控制、施工质量控制和安全管理等关键施工技术。研究表明，隧道机械化配套施工技术不仅能够显著提高施工效率和施工质量，还能在复杂地质条件下保持较高的施工安全性。

参考文献

[1]"" 赵勇，王明年，于丽，等.中国隧道支护结构设计理论及方法发展与展望[J].现代隧道技术，2024，61（2）：28-42+79.

[2]"" 洪开荣，刘永胜，潘岳.钻爆法山岭隧道修建技术发展与展望[J].现代隧道技术，2024，61（2）：67-79.

[3]"" 张辉.隧道机械化施工中人机协同作业的优化与管理[J].工程建设与设计，2023（18）：217-219.

[4]"" 齐庆锋.隧道机械化施工装备配套及选型方案[J].工程建设与设计，2023（4）：112-114.

[5]"""""""""" 冯世春.隧道工程机械化施工的现状和发展趋势[J].工程建设与设计，2021（13）：68-70+105.