某長(zhǎng)大隧道機(jī)械化施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

李金成

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510220)

0 引言

我國(guó)目前隧道施工技術(shù)已從過(guò)去的人工開(kāi)挖轉(zhuǎn)變?yōu)榘霗C(jī)械施工，并逐漸向人工配合大型機(jī)械施工的方向發(fā)展。馬建云[1]結(jié)合某隧道工程，探討了機(jī)械化施工的必要性及技術(shù)應(yīng)用，對(duì)比分析了傳統(tǒng)工藝與機(jī)械化施工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。李興春[2-5]等人針對(duì)隧道機(jī)械化施工配套展開(kāi)了相關(guān)探討，結(jié)合實(shí)際工程案例提出了與各環(huán)節(jié)相適應(yīng)的機(jī)械化施工方案，為隧道機(jī)械化施工提供了指導(dǎo)。吳夢(mèng)軍[6-7]等人總結(jié)歸納了我國(guó)公路隧道工程中機(jī)械化施工采用的主要設(shè)備，認(rèn)為隧道機(jī)械化施工的信息化、智能化、成套化和裝配化是未來(lái)的發(fā)展方向。

1 工程概況

依托工程高峰隧道進(jìn)口段設(shè)計(jì)為分離式隧道，長(zhǎng)度為2 157.5 m。單洞累計(jì)總長(zhǎng)4 332.5 m，左右洞口中心直線間距37.71 m，左線最大縱坡為2.35%，右線最大縱坡為-2.35%，屬特長(zhǎng)隧道。隧道所處山區(qū)為低山地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)地面高程為56～695 m，相對(duì)高差達(dá)639 m。

2 機(jī)械化施工方案

2.1 總體施工安排

隧道開(kāi)挖、支護(hù)措施按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，并采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，錨、網(wǎng)、噴砼作為初期支護(hù)手段，在洞身輔以型鋼拱架、鋼格柵和超前小導(dǎo)管作為超前支護(hù)，洞口段采用長(zhǎng)管棚作為超前支護(hù)。隧道施工具體機(jī)械化設(shè)備配置如表1所示。

表1 機(jī)械化設(shè)備配置表

2.2 洞身開(kāi)挖

隧道開(kāi)挖過(guò)程中各級(jí)圍巖段一次開(kāi)挖進(jìn)尺，V級(jí)圍巖段按1榀鋼架間距控制，IV級(jí)圍巖段按2榀鋼架間距控制；Ⅲ級(jí)圍巖正常段按 3.0m控制，Ⅲ級(jí)圍巖緊急停車帶段屬超大斷面，按2榀鋼架間距控制。開(kāi)挖方法主要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階預(yù)留核心土法等。

2.2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，隧道左右線錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，后行洞掌子面與先行洞二襯距離不小于20 m。在隧道開(kāi)挖初期，支護(hù)應(yīng)伴隨開(kāi)挖進(jìn)程同步推進(jìn)，二次襯砌則應(yīng)根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果綜合分析，根據(jù)不同監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采取不同處理措施，例如根據(jù)位移速率判斷圍巖的穩(wěn)定性。具體施工方案立面圖如圖1所示。圖中阿拉伯?dāng)?shù)字表示雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開(kāi)挖順序，羅馬數(shù)字表示開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)的施工順序。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工立面圖

2.2.2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法

對(duì)于分離式隧道段，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。在施工過(guò)程中，左、右導(dǎo)洞上、下臺(tái)階長(zhǎng)度一般控制在3～5 m，左、右導(dǎo)洞上臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)距離20 m，側(cè)導(dǎo)洞初期支護(hù)時(shí)布置的臨時(shí)鋼拱架應(yīng)在主洞初期支護(hù)鋼拱架閉合后，并且變形穩(wěn)定之后才可拆除，施工中根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方案，如果圍巖變形較大時(shí)，增加臨時(shí)仰拱，以控制圍巖沉降和變形，確保安全。具體施工方案立面圖如圖2所示。

圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法立面圖

2.2.3 三臺(tái)階預(yù)留核心土法

在開(kāi)挖過(guò)程中采用上循環(huán)架立鋼架做超前支護(hù)，弱爆破分部開(kāi)挖1部，與此同時(shí)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，每循環(huán)進(jìn)尺一次，便分部施做隧道周邊初期支護(hù)，然后再開(kāi)挖核心土并運(yùn)送至洞外。首先開(kāi)挖1部分，然后做1部的支護(hù)，隨后在1部后一段距離采取弱爆破，并且采取交錯(cuò)開(kāi)挖的方式分別開(kāi)挖2和3部；在3部開(kāi)挖后一段距離采取弱爆破，同樣采取左右交錯(cuò)開(kāi)挖的方式對(duì)4部和5部進(jìn)行開(kāi)挖，需要注意的是，在交錯(cuò)開(kāi)挖2部、3部和4部、5部過(guò)程中，開(kāi)挖完畢后緊接著進(jìn)行初期支護(hù)的施作，保證開(kāi)挖過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；最后開(kāi)挖7部，并及時(shí)做隧道的封閉初期支護(hù)。具體施工方案立面圖如圖3所示。

2.3 監(jiān)控量測(cè)

隧道施工的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是施工管理的重要組成部分，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得隧道圍巖在施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息，為確定和修正洞身開(kāi)挖初期支護(hù)參數(shù)、混凝土襯砌支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)，為完善隧道工程設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工提供可靠的足夠的數(shù)據(jù)，能有效指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，確保安全。監(jiān)控測(cè)量項(xiàng)目布置及監(jiān)測(cè)頻率如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)設(shè)置

3 機(jī)械化施工工效及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 機(jī)械化施工工效分析

機(jī)械化設(shè)備施工與傳統(tǒng)人工鉆爆法施工對(duì)比分析，優(yōu)點(diǎn)明顯。在隧道鉆孔速率方面，液壓鑿巖臺(tái)車與氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比較要快50%以上，整體施工進(jìn)程比人工開(kāi)挖快30%以上，并且可以多孔同時(shí)施工，一次可以形成多個(gè)孔，極大地減少了鉆孔時(shí)間，同時(shí)因鉆桿可迅速、準(zhǔn)確定位，無(wú)需搭建輔助工作平臺(tái)，節(jié)約了非鉆孔時(shí)間；并且隨鉆隨裝爆破炸藥，縮短了工序銜接的時(shí)間。

根據(jù)同類工程的經(jīng)驗(yàn)分析，機(jī)械化施工相關(guān)工效控制指標(biāo)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的斷面典型施工情況進(jìn)行調(diào)整。在使用相同的開(kāi)挖方法情況下，在洞身開(kāi)挖月進(jìn)尺方面，機(jī)械化施工相較于常規(guī)人工開(kāi)挖，Ⅴ級(jí)圍巖每月可多進(jìn)尺30 m、Ⅲ級(jí)圍巖多進(jìn)尺57 m，這說(shuō)明隧道圍巖條件越好，越適合采用機(jī)械化施工。采用機(jī)械替代傳統(tǒng)人工施工，工效明顯比常規(guī)人工有優(yōu)勢(shì)。工效分析如表3和表4所示。

表3 隧道左線工效分析表

表4 隧道右線工效分析表

3.2 機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性分析

機(jī)械化施工可通過(guò)智能系統(tǒng)控制濕噴過(guò)程中的下料速度，避免了人工下料過(guò)程造成大量浪費(fèi)；降低噴漿機(jī)空轉(zhuǎn)率，提高噴漿機(jī)效率，比采用人工上料噴漿的效率提高了30%左右。由于施作效率的提高，機(jī)械化施工有效減少了噴漿機(jī)的電量損耗以及施工工作面內(nèi)各類輔助設(shè)備的用電量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅機(jī)械化濕噴一項(xiàng)便可節(jié)省約35%的耗電量。

在圍巖及施工環(huán)境滿足機(jī)械化施工，并且機(jī)械施工正常前提下，取1個(gè)月為周期，測(cè)算機(jī)械化施工與人工鉆爆法2種施工工藝成本，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比(見(jiàn)表5)，每延米機(jī)械化施工降低成本1 032元，總成本降低約430萬(wàn)元。

表5 機(jī)械化施工與人工法經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隧道工程尤其是長(zhǎng)大隧道的機(jī)械化施工是大勢(shì)所趨，是將來(lái)隧道施工工藝的發(fā)展方向。無(wú)論是在施工安全性、工作效率還是經(jīng)濟(jì)性方面，機(jī)械化施工有相比以往作業(yè)模式有著不可取代的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)依托工程的機(jī)械化施工，從洞身的開(kāi)挖、支護(hù)及施工過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)等方面進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，對(duì)工效及經(jīng)濟(jì)性分析，為行業(yè)同類工程提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，具有一定參考價(jià)值。