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合，是隧道工程發(fā)展的必然趨勢。本文首先介紹了國內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，主要新意是結合不同地質條件和新工藝技術，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量。本文主要以公路隧道工程為例，結合十堰軟弱圍巖地質條件，總結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)代盾構掘進施工
在現(xiàn)代盾構掘進隧道施工中，主要采用的工程機械是盾構掘進機械。該機械具有一個可以移動的鋼結構外殼(盾殼)，內裝有開挖、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，隧道地質情況較為復雜，位于構造剝蝕中低山區(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情況，根據(jù)現(xiàn)場情況，當超前地質預報出現(xiàn)異常地質情況時，使用RPD150C多功能地質鉆機進行超前地質預報，確認前方地質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超前地質預報
為滿足隧道地質超前預報目的和要求，本次隧道地質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雷達方法，地震波以地震波發(fā)射法為主和地質雷達法為輔，采用地震波反射法用TGP206對地質情況進行系統(tǒng)探測，以弄清隧道掌子面前方的工程地質和水文地質采用地質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情況。必要時進行超前地質鉆探、加深探孔，富水區(qū)還要加紅外線探水，有溶洞的地質區(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，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、履帶驅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構調整，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合和施工工作的協(xié)調配合。
4結語
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)境和特殊地質等因素，當前國內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
