談隧道工程機械配置與發(fā)展
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摘要:隧道工程施工機械化配置與施工技術和工藝科學地結(jié)合，是隧道工程發(fā)展的必然趨勢。本文首先介紹了國內(nèi)外常見的隧道施工方法和隧道工程常用的機械配置，并以公路隧道工程施工為例，重點闡述了在隧道鉆爆開挖、噴護、二襯施工、監(jiān)控量測等關鍵工序的施工工藝和機械化配置，主要新意是結(jié)合不同地質(zhì)條件和新工藝技術，優(yōu)化配置隧道工程機械，突出了隧道施工機械化的重要優(yōu)勢，最后分析了隧道工程機械的未來發(fā)展趨勢，為今后的不斷推進隧道機械化施工提供參考。
十堰地處山區(qū)，近年來，交通建設突飛猛進，先后建設了相當規(guī)模的公路隧道，公路隧道實現(xiàn)了數(shù)量和質(zhì)量上前所未有的飛躍。公路隧道傳統(tǒng)的人工作業(yè)法存在很多不足，因此，采用大型機械化施工，不僅可以快速施工、節(jié)約成本、減輕人力，又大大提高了工程安全和質(zhì)量。本文主要以公路隧道工程為例，結(jié)合十堰軟弱圍巖地質(zhì)條件，總結(jié)介紹了公路隧道主要施工方法和工程機械的優(yōu)化配置。從隧道施工超前地質(zhì)預報、隧道開挖、支護、二襯施工工藝技術等方面展開研究探討，并展望未來隧道工程機械的發(fā)展趨勢，以期為今后隧道工程機械化發(fā)展提供一定的參考。
1公路隧道施工的主要方法和機械配置
1．1鉆爆法隧道施工
鉆爆法施工主要的施工流程為開挖、鑿孔及爆破。現(xiàn)階段的鉆爆法隧道施工主要采用了新奧法支護、錨噴支護和光面控制爆破［1］，主要采用的機械有:(1)鑿巖機械。現(xiàn)在的工程機械已經(jīng)逐漸步入了液壓化，而且技術趨于成熟。高科技運用到鑿巖工程機械中，例如氣動鑿巖機的基礎理論、測試技術的采用，大大提高了工程機械的性能;現(xiàn)代波動力學、減振、消聲和新材料的應用，通過改變活塞的幾何形狀，達到最優(yōu)能量傳遞的效果，采取擴大活塞直徑等措施，提高了機械的沖擊頻率以及零件的使用壽命。(2)裝渣及運輸機械。在公路隧道工程施工中，出渣作業(yè)占了整個掘進作業(yè)循環(huán)時間的40%，因此對裝渣及運輸機械的選用是提高掘進工作的重點。國外的先進運輸機械和牽引設備正由有軌向無軌發(fā)展，通過隧道裝渣系統(tǒng)實現(xiàn)快速施工，提高了工作效率。目前，我國的公路隧道施工機械發(fā)展較國外還有一定的差距，主要的運輸車輛有斗車、斗式列車，槽式、梭式礦車，梭式汽車、自卸汽車和膠帶輸送機等。(3)初支及二襯支護機械。在公路隧道施工中，隧道支護施工是其中一個重要的組成環(huán)節(jié)，是確保隧道施工安全的有力保障。初期支護一般叫初支，就是剛開挖完采用的一些支護方式，比如圍巖好的時候就簡單的錨桿掛網(wǎng)噴錨支護，圍巖不好的話就用鋼拱架支護，再噴錨。后期支護叫做二次襯砌，簡稱二襯，就是用襯砌臺車澆筑混凝土。支護施工主要的機械有錨桿臺車、注漿機、混凝土輸送泵、噴射機、工字鋼彎彎機、初支臺車和二襯臺車等。
1．2現(xiàn)代盾構(gòu)掘進施工
在現(xiàn)代盾構(gòu)掘進隧道施工中，主要采用的工程機械是盾構(gòu)掘進機械。該機械具有一個可以移動的鋼結(jié)構(gòu)外殼(盾殼)，內(nèi)裝有開挖、排土、拼裝和推進等機械裝置，采用了液壓、機電控制、測控等技術，實現(xiàn)了開挖、支護、襯砌等多種作業(yè)的一體化施工，在歐美等國被廣泛地使用，其中以德國、美國、日本技術的盾構(gòu)掘進機械最為先進。目前，十堰市公路隧道建設還未引進盾構(gòu)機，但在城區(qū)堵河水源工程的引水隧道施工，首次引進使用直徑3．5m的盾構(gòu)機施工。
1．3隧道聯(lián)合掘進施工
隧道聯(lián)合掘進施工作為一項比較先進的施工技術在國外被廣泛地使用，且技術也比較成熟，但是在我國還未得到推廣。該種施工方法主要采用工程機械式隧道聯(lián)合掘進機，采用高壓水電和流技術，不僅提高了機械破巖的能力，而且降低了費用，而且該工程機械具有極高的機械性，便于自動化操作，擴大了掘進機的使用范圍和使用效率。
2十竹公路岳竹關隧道主要施工工藝
2．1隧道概況
該隧道全長1580m，投資概算為7078萬元。起點樁號為K26+260，止點樁號為K27+840，最大埋深為258m，隧道凈寬為10m，凈高5m。該隧道是十堰至竹山二級公路改擴建工程最重要的控制性工程之一，位于十堰市張灣區(qū)西溝鄉(xiāng)白石村和岳竹關村之間，隧道地質(zhì)情況較為復雜，位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，出路的地層主要為中元古代武當山群楊坪組(pt2yn)，云母石片巖，風化剝蝕強烈。山體為單斜構(gòu)造，無大的斷裂分布。
2．2施工總體部署
為確保隧道能夠安全施工，需提前探測隧道前方地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場情況，當超前地質(zhì)預報出現(xiàn)異常地質(zhì)情況時，使用RPD150C多功能地質(zhì)鉆機進行超前地質(zhì)預報，確認前方地質(zhì)情況及判斷圍巖級別，研究可行有效的開挖方案［2］，多功能地質(zhì)鉆機實際每次鉆孔深度為30－40m。由鑿巖臺車進行爆破鉆孔作業(yè)，爆破后采取強排風及濕噴機械手噴水降塵。隧道出口采用挖掘機、裝載車等設備配合運輸車將隧道洞渣運輸至指定填方路基處。采用濕噴機械手噴射混凝土進行初期支護。二襯防水板采用自動掛布機和人工配合進行安裝，二襯混凝土施工采用新型智能自動分料全液壓模板臺車進行澆筑;自行式全液壓仰拱棧橋用于仰拱施工作業(yè)。
2．3超前地質(zhì)預報
為滿足隧道地質(zhì)超前預報目的和要求，本次隧道地質(zhì)超前預報方法擬在非物探方法的基礎上，采用綜合物探超前預報方法。其中，非物探方法主要為掌子面地質(zhì)素描和超前鉆探法等，物探方法主要包括地震波反射法和地質(zhì)雷達方法，地震波以地震波發(fā)射法為主和地質(zhì)雷達法為輔，采用地震波反射法用TGP206對地質(zhì)情況進行系統(tǒng)探測，以弄清隧道掌子面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)采用地質(zhì)雷達和其他方法進行短期預報，以獲得掌子面前方相對準確的地質(zhì)情況。必要時進行超前地質(zhì)鉆探、加深探孔，富水區(qū)還要加紅外線探水，有溶洞的地質(zhì)區(qū)還需要做基底物探。
2．4機械化施工工藝
隧道施工機械選型應全面考慮生產(chǎn)性、可靠性、安全性、耐久性、經(jīng)濟性等特點。隧道開挖要遵循施工規(guī)范，做到爆破弱、短進尺、強支護、早封閉、勤測量等要求，嚴格按照謹密的生產(chǎn)步驟進行。(1)隧道開挖。隧道洞身Ⅳ級圍巖采用三臺階開挖法和環(huán)形開挖預留核心土法施工［3］，按2槽鋼架間距控制，利用鑿巖臺車并排進行鉆眼裝藥施工;三級圍巖正常段按3m控制，開挖采用兩臺階開挖法，鋼架鎖腳錨桿必須在仰拱開挖前完成，每循環(huán)進不超過3m，采用超前小導管注漿超前支護破碎局部圍巖，配2臺鑿巖臺車并排進行施工鉆孔作業(yè)。采用超前小導管注漿支護開挖五級圍巖，遇軟弱圍巖無爆破作業(yè)時，用挖機微臺階開挖方法，其他情況均用人工法進行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺階開挖，五級圍巖開挖采用超前小導管注漿支護，遇軟弱圍巖無爆破作業(yè)時，用挖機微臺階開挖方法，其他情況均用人工法進行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開挖微臺階開挖。鑿巖臺車宜用于上下臺階法、三臺階法施工時掌子面鉆眼、清孔、裝藥、安裝錨桿等。為確保在開挖方法變化，機械化施工和人工施工轉(zhuǎn)換順利，操作機械鉆眼及人工鉆眼人員為獨立的2套作業(yè)班組，施工用高壓水管、高壓風管同時鋪設至隧道掌子面近端。(2)出渣施工。隧道出渣時先用挖掘機排險處置，裝渣時再將裝載機開至指定場地。進行掌子面出渣時，其他作業(yè)面也應同時作業(yè)，使多臺機械設備在不同工序點同步作業(yè)，可大大提高作業(yè)效率，減少作業(yè)時間。(3)鑿巖臺車施工流程。鑿巖臺車作業(yè)時，按測量放線→炮眼布置→鉆眼→裝藥聯(lián)線→警戒、起爆→通風和灑水除塵→找頂→出渣→斷面檢測及分析的順序進行施工，洞身開挖應注意以下事項:實時跟蹤掌子面圍巖變化情況，根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整施工方案;臺階法開挖應嚴格控制臺階長度，同時嚴格控制進尺長度;成孔后及時插入竹竿護孔;鉆孔完成后，及時將臺車退至指定位置停放;鉆孔完成后，及時清理電纜、水管，并及時關閘，確保用水用電安全。(4)噴射混凝土施工。本隧道濕噴C25等級的混凝土，在拌合站集中拌制，混凝土運輸車運至現(xiàn)場，再由濕噴機械手噴射，選用ZTC30工程底盤式濕噴臺車進行施工作業(yè)，設備主要有行程長、噴射混凝土泵缸徑大、機械手噴射范圍大、可靠度高等性能特點，用電力驅(qū)動工作，可減少尾氣排放，做到綠色施工。
噴射混凝土作業(yè)的噴射順序應從下到上，反復噴射。分段施工時，將上一次噴射的混凝土留個寬度為200－300mm的斜面，混凝土噴射前需用壓力水將斜面沖洗濕潤。分片噴射時，先噴鋼架與壁面間混凝土，兩鋼架之間混凝土次之，邊墻混凝土從墻腳噴至墻頭。分層噴射時，前一層混凝土終凝后方可噴射后一層混凝土，一次噴射混凝土須均勻噴射以控制厚度，邊墻應控制在7－10cm，拱部控制在5－6cm，頂部噴射混凝土時，2次噴射時間宜相隔2－4h，以避免墜落現(xiàn)象。機械手噴射速度要適當，有利于混凝土壓實，噴射時要根據(jù)情況調(diào)整噴射速度，還要保持噴嘴與受噴面間適當距離使壓實最大、回彈最小。(5)拱架安裝車。本隧道配備定制隧道拱架安裝臺車，將拱架按節(jié)段編號均勻擺放于隧道兩側(cè)，先對稱安裝C單元，然后組合安裝A+B單元，最后組合安裝A+A+B單元，安裝各拱架節(jié)段時，利用拱架安裝臺車，并配合人工，采用短鋼筋定位、連接鋼筋固定拱架，支墊混凝土墊塊，從而確保鋼架的穩(wěn)定性，間距合理控制。下一步計劃對拱架連接方式進行優(yōu)化，試驗采用插銷式連接，減少焊接、縮短拱架安裝時間。(6)仰拱作業(yè)。仰拱作業(yè)采用型號為ZQ－GGTL24的自行式全液壓仰拱棧橋，開挖完畢即開始仰拱及填充，根據(jù)不同圍巖等級，確定開挖長度，無特殊情況下開挖長度為3．0－3．5m。移動式仰拱棧橋主要有主梁與車道、前后坡橋、后橋行走與平移、仰拱模板與提升機構(gòu)、履帶驅(qū)動裝置及支腿部分組成。棧橋縱向移動施工可按安裝棧橋→棧橋定位→仰拱襯砌→更換位置的順序循環(huán)進行仰拱施工。(7)二次襯砌。在二次襯砌工序時［4］，先進行防排水及鋼筋施工，采用自動掛布機臺車鋪設防水板。第二步采用襯砌模板安裝液壓模板臺車進行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配備了混凝土分層布料機的臺車上進行。泵送過程中需確保二襯混凝土澆筑高差不大于500mm，并對暫未澆筑的管路澆筑前潤滑防止堵管，每層管路澆筑完畢后需進行清洗并關閉工作窗;混凝土到達拆模強度時可脫模，堵頭模板拆除前做好拆模的各項工作，臺車在收模時必須按照先收下動模再收上模架的順序進行。上述工序完成后還要采用專用隧道二襯混凝土移動式臺架及時養(yǎng)護二次襯砌的混凝土，在外側(cè)四周灑水對二襯混凝土表面灑水噴霧，縱向移動臺架，養(yǎng)護臺架的電機行走速度控制在8m/min。灑水噴霧間隔時間根據(jù)施工條件而定，以確保二襯養(yǎng)護效果。(8)水溝電纜槽施工。采用定型模板臺車在兩側(cè)對稱澆筑電纜溝槽，二次應澆筑相同的長度以便對齊施工縫。臺車拼裝完成后，只需在每次施工前安裝鋼軌，全自動操作模板在臺車就位后方可全部就位，減少了拼模和拆模過程，施工效率高，可縮短工期。
3公路隧道工程機械發(fā)展趨勢
(1)總體形勢。我國工程機械行業(yè)經(jīng)過長時間的發(fā)展，目前已形成能生產(chǎn)18大類、4500多種規(guī)格型號的產(chǎn)品［5］，基本能滿足國內(nèi)市場需求的、具有相當規(guī)模和蓬勃發(fā)展活力的隧道施工行業(yè)。對于隧道工程機械行業(yè)未來發(fā)展，要著眼于國際市場水平和國內(nèi)建設項目以及經(jīng)濟社會未來發(fā)展的需要，實施工程機械及關鍵零部件結(jié)構(gòu)調(diào)整，全面提高工程機械化水平，促進隧道工程機械和重工機械行業(yè)的快速發(fā)展。(2)實現(xiàn)工程機械的自動化與智能化。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們逐漸開始研究利用機械車載計算機輔助作業(yè)系統(tǒng)技術。主要是通過研究隧道機械動力學控制系統(tǒng)，對工程機械的各工作參數(shù)進行監(jiān)測，其中主要利用電子計算機技術，將隧道機械的作業(yè)工況、作業(yè)介質(zhì)和機器狀況進行情況進行分析并反饋給操作人員，讓工作人員能夠及時了解隧道施工狀況并且做出及時的處理，工程機械中自帶的分析和決策程序是工程機械自動化和智能化實現(xiàn)的關鍵。(3)實現(xiàn)工程機械的成套化與系統(tǒng)化。成套化和系統(tǒng)化是隧道工程機械發(fā)展的主要趨勢和必然趨勢。國外許多著名大公司已逐步實現(xiàn)了其產(chǎn)品系列化進程。形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時，產(chǎn)品能夠通過中央控制室的控制，實現(xiàn)機械各個部分的有機結(jié)合和施工工作的協(xié)調(diào)配合。
4結(jié)語
未來的交通工程的隧道建設中，機械化設備配置是大勢所向。但考慮到各個隧道工程的實際情況、環(huán)境和特殊地質(zhì)等因素，當前國內(nèi)的隧道工程機械化施工水平與國外發(fā)達國家還有很大差距，仍需不斷探索創(chuàng)新和加強隧道機械化施工的技術方法研究，加快推進公路隧道工程機械化，盡快實現(xiàn)真正的公路隧道機械化和智能化，促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展。
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作者：李茂東 單位：十堰市道路交通運輸綜合執(zhí)法支隊
