躍龍門隧道多功能鋼拱架安裝機(jī)快速施工配套技術(shù)

趙 岳

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100076)

1 引言

近些年，隨著我國鐵路建設(shè)網(wǎng)的全面鋪開，鐵路長大隧道、特長隧道逐漸增多，必然帶動(dòng)隧道施工專業(yè)機(jī)械化的飛速發(fā)展。但我國的鐵路隧道建設(shè)機(jī)械化推廣和應(yīng)用還受圍巖巖性的局限，多數(shù)施工單位認(rèn)為機(jī)械化設(shè)備只適用于中硬質(zhì)圍巖，軟弱圍巖不可行。

當(dāng)前，我國鐵路隧道施工方法正處在由分部開挖向全斷面開挖過渡的階段。因?yàn)槿珨嗝媸┕つ懿捎么笮透咝У臋C(jī)械，工序減少，干擾也比較小，安全性能高[1]。工法的轉(zhuǎn)變帶動(dòng)了整體機(jī)械化設(shè)備的專業(yè)水平及配套技術(shù)的成熟應(yīng)用，尤其是鑿巖臺(tái)車的“開挖快”、濕噴機(jī)械手的“噴砼快”已經(jīng)突顯出絕對優(yōu)勢。隧道施工尤其是軟弱圍巖施工關(guān)鍵就是要突出一個(gè)“快”字，鋼拱架安裝機(jī)設(shè)備的研發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用，正好彌補(bǔ)了“支護(hù)快”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 工程概況

由中鐵十九局集團(tuán)負(fù)責(zé)承建的躍龍門隧道是成蘭線的控制性隧道，隧道采用雙線分修，左線長19 981 m、右線長20 042 m，最大埋深1 440 m。全隧采用“1平導(dǎo)+3斜井+2橫洞+2泄水洞+1副洞”輔助坑道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見圖1)。本標(biāo)段施工成都端左線12 685 m，右線11 156 m，平導(dǎo)5 735.033 m。平導(dǎo)工區(qū)是整個(gè)成蘭線施工的控制及重難點(diǎn)工程，獨(dú)頭掘進(jìn)距離長、反坡排水壓力大、交通運(yùn)輸及通風(fēng)排煙難度大。

圖1 躍龍門隧道輔助坑道及線路平面

按照鐵路安全支撐、機(jī)械配置高度化指導(dǎo)思想，共配置了阿特拉斯鑿巖臺(tái)車、履帶式扒渣機(jī)、鐵建重工濕噴機(jī)械手、多功能鋼拱架安裝機(jī)、C6多功能地質(zhì)鉆機(jī)、仰拱多功能移動(dòng)模板、防水材料及鋼筋施工臺(tái)架、全液壓帶逐窗溜槽系統(tǒng)二襯臺(tái)車、軌行式水溝電纜槽整體模板臺(tái)車等50多臺(tái)配套機(jī)械化專業(yè)設(shè)備。整體上形成以平導(dǎo)超前掘進(jìn)為主攻方向、“長隧短打”增開施工作業(yè)面的快速機(jī)械化綜合配套隧道施工組織。

3 躍龍門隧道快速機(jī)械化的前期配置分析及不足探討

躍龍門隧道施工前期，機(jī)械化配置重點(diǎn)在施工組織，尤其是“快速開挖”方面。通過配置阿特拉斯鑿巖臺(tái)車，相較人工鉆爆而言，機(jī)械化快速優(yōu)勢極為顯著[2]。隨后相繼配置了濕噴機(jī)械手、扒渣機(jī)等設(shè)備，逐步形成“快速噴砼”作業(yè)形式，但還不能算作全作業(yè)工序的設(shè)備配置配套，分析如下：

(1)隧道前期施工階段隧道支護(hù)工序中，鋼拱架安裝采用人工配合作業(yè)臺(tái)架施工。這種安裝方式施工人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，且安裝質(zhì)量較差，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大[3]。

(2)隧道洞周應(yīng)力演化規(guī)律的研究結(jié)果表明，及時(shí)支護(hù)可有效改善洞周應(yīng)力分布和減少圍巖破碎范圍的發(fā)展。采用人工安裝鋼架進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，時(shí)間效應(yīng)方面存在嚴(yán)重的質(zhì)量安全隱患。

(3)“快挖快噴”大型機(jī)械化作業(yè)雖然效率高，但隧道是全工序流水線作業(yè)，隨著我國隧道全斷面、兩臺(tái)階帶仰拱等大斷面開挖工法的應(yīng)用，人工支護(hù)變成限制機(jī)械化發(fā)展的“短板”，同時(shí)也限制了大斷面開挖技術(shù)的推廣[4]。

綜上所述，鋼拱架安裝的機(jī)械化設(shè)備發(fā)展勢在必行，并且在功能方面不僅僅局限于鋼拱架安裝，需要呈現(xiàn)出功能多樣化、靈活化[5]。

4 躍龍門隧道XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)施工配套技術(shù)

4.1 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)設(shè)備介紹

XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)由四川新筑智能工程裝備制造有限公司研發(fā)制造，可用于隧道工程鋼拱架(工字鋼、H型鋼、鋼格柵拱架等)的安裝(見圖2)。整機(jī)設(shè)置3個(gè)鋼拱架安裝機(jī)械臂和1個(gè)鑿巖臂。鑿巖臂配置1臺(tái)18 kW大功率鑿巖機(jī)，可滿足隧道初支系統(tǒng)錨桿、超前支護(hù)、鎖腳錨桿(管)的多樣性施工。設(shè)備具體參數(shù)見表1。

表1 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)相關(guān)參數(shù)

XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)有以下特點(diǎn)：

(1)整機(jī)采用正T型結(jié)構(gòu)全工程底盤，四輪驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)先進(jìn)。

(2)動(dòng)力性能優(yōu)越，采用油電混合雙動(dòng)力系統(tǒng)，滿足全工況施工要求。

圖2 XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)

(3)滿足隧道鋼拱架安裝并具備安裝錨網(wǎng)、錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測排險(xiǎn)等輔助作業(yè)功能，作業(yè)功能多用途。

(4)操作、維護(hù)、保養(yǎng)方便，雙無線遙控器操作，獨(dú)立操控。

(5)安全、環(huán)保、節(jié)能，采用低壓控制系統(tǒng)，高效節(jié)能、低噪聲。

4.2 鋼拱架安裝施工操作要點(diǎn)

(1)鋼架進(jìn)場擺放。采用側(cè)翻式裝載機(jī)或者自卸車進(jìn)行鋼拱架的裝運(yùn)。在卸裝時(shí)應(yīng)提前做好分類，主要將左右兩側(cè)預(yù)拼鋼架做好分區(qū)擺放，放在掌子面的兩側(cè)。應(yīng)避免野蠻卸車導(dǎo)致鋼架變形無法拼裝[6]。

(2)臺(tái)車就位固定。由班組長根據(jù)隧道中線指揮安裝臺(tái)車準(zhǔn)確就位，同時(shí)必須保證就位區(qū)域平穩(wěn)堅(jiān)硬，一般臺(tái)車鉆臂最前端應(yīng)距離掌子面5～10 m(視隧道斷面大小確定)。排險(xiǎn)后及時(shí)進(jìn)行測量放樣，可采用工作框搭載測量人員在掌子面放設(shè)鋼拱架測量定位點(diǎn)[7]。

鋼拱架安裝班組配置：班組長1名、操作手1名、電焊工(兼輔助工)4名，合計(jì)6人。

(3)系統(tǒng)錨桿施工。測量放樣完畢后，操作鑿巖臂進(jìn)行錨桿的鉆進(jìn)施工，采用工作平臺(tái)2人跟進(jìn)進(jìn)行錨桿的安裝固定。

(4)鋼拱架場地預(yù)裝。安排工人2名，采用固定螺栓將連接板拼裝固定，分左右兩段進(jìn)行預(yù)拼安裝，拼接右2節(jié)A單元+1節(jié)B單元，左邊1節(jié)A單元+1節(jié)B單元[8]，并采用墊腳撐將鋼拱架水平墊高30 cm。同時(shí)安排2名工人做好隧道支護(hù)所使用的電焊機(jī)(至少3臺(tái))、鎖腳錨管、設(shè)備用電等工作。

(5)左右兩臂裝夾。左右拱架臂分別抓取右側(cè)2A+1B和左側(cè)1A+1B段。夾裝固定應(yīng)牢固，且抓舉范圍內(nèi)不得有人員靠近。

(6)整體鋼架舉升。操作左右拱架臂分別舉升至兩側(cè)初支對應(yīng)安裝位置，進(jìn)行空中對接。

(7)空中合龍固定。由班組長進(jìn)行指揮，2名工人可直接站在平臺(tái)工作臂籃中操作平臺(tái)工作臂指導(dǎo)空中合龍操作。鋼架合龍后重新復(fù)核測量點(diǎn)，確保安裝精度滿足驗(yàn)標(biāo)要求。通過工作平臺(tái)進(jìn)行鋼拱架的連接板法蘭螺栓、環(huán)向連接筋、鋼筋網(wǎng)片的固定連接施工，或者采用左右兩臂將夾具更換成工作框以加快焊工操作速度。鋼拱架安裝應(yīng)采用由外而內(nèi)的順序逐榀施工[9]。

(8)鎖腳錨桿(管)施工。鋼架安裝完畢后應(yīng)立即進(jìn)行鎖腳施工。采用鑿巖臂進(jìn)行鉆孔，由人工配合完成安裝和注漿作業(yè)。

(9)臺(tái)車清理撤離。所有施工作業(yè)完畢后，將臺(tái)車液壓支腿收起后撤離。

圖3 鋼拱架安裝機(jī)現(xiàn)場鋼架安裝施工

4.3隧道軟巖大變形段“快速支護(hù)”應(yīng)用效果

針對躍龍門隧道軟巖大變形段落施工，總體施工宗旨體現(xiàn)在一個(gè)“快”字，確保“開挖快、支護(hù)快、成環(huán)快”。結(jié)合鑿巖臺(tái)車、濕噴機(jī)械手的高效應(yīng)用，最大限度縮短整體開挖到成環(huán)時(shí)間。

(1)軟巖大變形施工在“快速支護(hù)”方面重點(diǎn)控制工序?yàn)橄到y(tǒng)錨桿施工和鋼拱架安裝兩個(gè)環(huán)節(jié)。隧道開挖初噴后應(yīng)立即施作系統(tǒng)錨桿，而后安裝鋼拱架以及超前支護(hù)。自帶鑿巖機(jī)械臂的多功能鋼拱架安裝機(jī)可以“一次就位、三工序銜接”，免去了采用鑿巖臺(tái)車設(shè)備進(jìn)出作業(yè)面的調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間[10]。

(2)軟巖大變形段機(jī)械化施工普遍采用全斷面或兩臺(tái)階帶仰拱的大斷面施工方法，而傳統(tǒng)的兩臺(tái)階、三臺(tái)階人工操作，只鋼拱架A單元重達(dá)840 kg，人工安裝需消耗大量體力方可實(shí)現(xiàn)，且需要8～14人共同操作，功效低，且安全風(fēng)險(xiǎn)較高[11]。

(3)采用XZGMT411多功能鋼拱架安裝機(jī)進(jìn)行大變形段H型鋼鋼架安裝，利用其3個(gè)可伸縮式機(jī)械臂采用電比例控制，能夠靈活、精準(zhǔn)、快速實(shí)現(xiàn)對拱架的抓舉安裝，三臂可單獨(dú)或平行作業(yè)。單臂機(jī)械手最大夾持重量1 t，作業(yè)高度可達(dá)12.8 m。

鋼拱架抓舉、粗調(diào)、精調(diào)、定位、焊接等總體工序時(shí)間約每榀1 h，較傳統(tǒng)人工整整減少了近8 h，且該設(shè)備采用雙無線遙控器操作，三臂機(jī)械手獨(dú)立操控，操作人員處于安全區(qū)域，有效避免零散落石的危險(xiǎn)。

綜上分析，躍龍門隧道軟巖大變形施工中機(jī)械化配置及應(yīng)用情況證明，通過各種機(jī)械相互協(xié)調(diào)配合、優(yōu)勢互補(bǔ)形成“快速”施工，變形控制效果極其顯著[12]。

5 結(jié)束語

根據(jù)前期設(shè)備調(diào)研及目前現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用情況總結(jié)，隧道機(jī)械化施工設(shè)備的配置應(yīng)綜合分析，按照“配置配套”的總體思路進(jìn)行選型。針對鋼拱架安裝機(jī)配置選型提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)隧道開挖斷面及工法。鋼拱架安裝機(jī)適用于全斷面及兩臺(tái)階大斷面隧道施工，單線小斷面、輔助坑道及三臺(tái)階施工不建議使用；應(yīng)根據(jù)實(shí)際施工情況合理選擇機(jī)械臂數(shù)量配置，目前均為三臂操控，XZGMT411為四臂，單線隧道施工空間受限，可參考XZGT311三臂型號(hào)。

(2)隧道作業(yè)面數(shù)量及施工組織。工程機(jī)械底盤和履帶式底盤在隧道施工工況條件下均能滿足復(fù)雜環(huán)境，如工作面較多且頻繁調(diào)轉(zhuǎn)建議考慮靈活性較高的工程機(jī)械輪式行走臺(tái)車；如單工作面且錯(cuò)車空間較大的作業(yè)面建議采用履帶式機(jī)械底盤，因其配重大工作性能穩(wěn)定。

(3)隧道支護(hù)參數(shù)及措施。按照鋼架形式、單元重量、錨桿形式及數(shù)量選擇機(jī)械臂方案，避免出現(xiàn)“小馬拉大車”的不合理配置。

(4)隧道造價(jià)。機(jī)械化配置配套設(shè)備費(fèi)用較高，應(yīng)結(jié)合隧道投資造價(jià)，綜合分析機(jī)械化與人工成本的對比，選擇最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性方案。但是考慮到“以人為本”的宗旨，鋼拱架安裝機(jī)的普及與推廣十分必要。