玉磨铁路单线隧道机械化快速施工关键技术

玉磨铁路单线隧道机械化快速施工关键技术交融天下建者无疆中交一航局玉磨项目经理部

前言玉磨铁路项目根据业主要求以及现场实际施工情况，选择曼木树隧道出口作为机械化配套施工工点，机械化施工采用全断面开挖支护，在施工工艺上与传统隧道施工有所不同，包括管棚施工、开挖爆破施工、拱架拼装、喷射混凝土等多项工艺，本文将介绍各项施工工艺的具体施工方法、机械化的优势，对今后公司的隧道机械化施工提供借鉴和经验。Contents目录三.机械化施工工艺流程六.结束语一、工程概况玉磨铁路项目施工范围DK407+880-D1K435+380，线路全长27.5km，其中隧道25463m/6座、桥梁1710.97m/7座、跨线公路桥98.62m/2座、路基326.03m、站场2座、隧道无砟轨道17919m，工程总造价12.45亿元，合同工期56.6个月，开工日期2016年10月15日，计划竣工日期2020年12月8日。一、工程概况曼木树隧道出口为单线隧道，施工长度2274m，其中Ⅲ级围岩150m、Ⅳ级围岩1800m、Ⅴ级围岩314m，围岩主要为页岩夹泥岩、砂岩、炭质页岩、炭质板岩，地下水主要为基岩裂隙水，不甚发育，水量较小，围岩情况较好。IV级围岩初支断面尺寸为7.3m×8.56m，V级围岩初支断面尺寸为7.4m×8.61m，二衬断面尺寸均为5.4m×8.16m，机械化施工日期2018年3月15日，计划竣工日期2019年11月1日。一、工程概况序号设备名称规格型号数量设备尺寸功能1全智能三臂凿岩台车ZYS113117.6m(长)×2.9m(宽)×3.6m(高)用于隧道开挖钻孔2拱架拼装机SCD11219.4m(长)×2.45m(宽)×3.1m(高)用于钢拱架安装3湿喷机械手HPS3016S111.3m(长)×2.5m(宽)×3.20m(高)用于进行初期支护喷射砼4锚杆台车MT55115.8m(长)×2.5m(宽)×3.3m(高)用于锚杆钻孔、钢垫版施作及注浆5自行式仰拱栈桥－－138.4m(长)×5.1m(宽)×1.4m(高)施工仰拱及填充、车辆通行6自动化防水板铺挂台车－－1长6m用于无纺布、防水板及钢筋安装7智能二衬浇筑台车－－1长12m施工二次衬砌

机械化配套装备统计表一、工程概况图1-1设备操作空间纵断面立体图及平面图二、工程特点分析1）隧道围岩结构差，不良地质较多，施工难度大。2）隧道施工长度较大，为关键线路，施工任务重。3)隧道以页岩夹泥岩、砂岩、炭质页岩、炭质板岩为主，可能存在瓦斯有害气体，存在安全风险。4）隧道围岩变化较快，要不断改变开挖工法（Ⅲ围岩全断面）（Ⅳ、Ⅴ围岩台阶法），施工难度加大。5）传统隧道采用台阶法施工，对于软弱围岩隧道，收敛变形较大，中下台阶拱架安装困难，无法满足初支结构安全。三、机械化施工工艺流程

机械化配套施工工艺流程三臂凿岩机管棚施工→三臂凿岩机开挖钻孔→三臂凿岩机装药、爆破→出渣→三臂凿岩机打设锚杆、锁脚→拱架拼装机安装拱架→湿喷机械手喷射砼→自行式仰拱栈桥仰拱施工→自动化防水板铺挂台车铺设防水板及钢筋绑扎安装→浇筑二衬砼四、关键施工技术图4-1超前钻孔超前水平钻钻孔利用三臂凿岩机进行，30m超前探孔20分钟完成。钻孔作业时，实时监测钻孔压力、钻孔速度、钻杆旋转速度等参数，通过设备MWD软件分析地质情况，形成地质报告，为爆破参数提供依据。较传统的潜挖钻钻孔施做超前水平钻施工方便，节省时间。1.超前地质预报四、关键施工工艺四、关键施工技术注浆前进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，注浆浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。注浆材料为M20水泥浆，注浆量为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围空隙充填饱满。采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内，压力控制在1MPa左右，持压15min后停止注浆。注浆时先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔。注浆顺序由低到高，注浆压力为1-2MPa，注浆必须饱满，为全断面施工打下坚实的基础。

经过现场的施工试验，φ76或φ89管棚与三臂凿岩机钎尾契合度较差，施工较慢，配件损耗较大，且为避免软弱围岩塌孔，目前现场采用R51N自进式管棚，管棚强度符合要求，施工较快。

2.2超前管棚施工工艺管棚施工为机械化配套施工的关键环节，管棚钻孔采用三臂凿岩台车进行，管棚打孔前，预留2榀拱架不安装，保证打孔外插角。四、关键施工技术3.开挖爆破作业3.1开挖三臂凿岩台车自带测量系统，操作人员仅需要预埋点于边墙上，间距为每隔20m左右，测量人员对预埋点的坐标进行复核，导入三臂凿岩台车电脑内，三臂凿岩台车根据导入的坐标，通过将提前完成的钻孔参数设计导入驾驶室内车载主控电脑，全智能三臂凿岩台车将按照预设钻孔参数自动工作，每个孔都由程序进行定位、定向和定深度，钻孔参数实时反馈控制，钻孔外偏值由电脑程序设定，钻孔后进行自动验证检查，实现钻孔数量，位置、孔数、角度、深度等参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖，确保开孔准确。通过凿岩钻孔参数检测传感器进行反馈状态，自动控制凿岩机防卡钻、防空打、开孔模式等，每个工作臂2分钟内自动完成5m深钻孔作业，开挖钻孔速度较大提升。图4-3钻爆设计图四、关键施工技术(1)装药前，要仔细检查炮孔情况，清除孔内积水、杂物。135(2)装药过程中应严格控制药量，把炸药按每孔的设计药量分好，边装药边测量。(3)装药作业应符合下列要求：爆破工装药前，应与班组长、领工员对装药开挖工作面附近及炮眼等进行全面检查，对检查出的问题及时处理；炮眼内岩粉应清理干净；炮眼缩孔、坍塌或有裂缝时不得装药；装药作业与钻孔作业不能在同一开挖工作面进行。(4)验孔完成后，爆破工必须按作业规程、爆破设计规定的炮眼装药量、起爆段位进行装药。装药时要一手抓住雷管的脚线，另一手用木质或竹质炮棍将放在眼口处的药卷轻轻的推入炮眼底，使炮眼内各药卷间彼此密接，推入时，用力要均匀。(5)施工时采用反向装药结构，反向装药起爆药卷首先装入，起爆药卷和所有的药卷的聚能穴朝向眼外。

清孔及装药利用自带的工作平台及现场增加的工作平台进行，清孔采用空压机喷射法，利用气流吹出孔内渣体。清孔时，孔内渣体要完全清除，以确保孔径和孔深满足施工要求。吹净后，应检查炮孔有无堵孔、卡孔现象，先行钻好的炮孔，用编织袋将孔口塞紧，防止杂物堵塞炮孔。3.2装药四、关键施工技术图4-4现场装药图四、关键施工技术(1)爆破指挥人员要在确认周围的安全警戒工作完成后，方可发出起爆命令。(3)要指定专人负责装药、起爆工作或检查起爆网路、敷设起爆主线等。(2)爆破指挥人员必须严格执行预报、警戒和解除三种统一信号，并由爆破指挥人员统一发出，防护、警戒人员应按规定信号执行任务，不得擅离职守。(4)起爆后30分钟后方可进入炮区，由爆破作业人员检查并确认无险情后，方可发出解除警戒的信号，撤除防护人员；如发生瞎炮要设立防护标志，禁止在瞎炮附近，做到未处理不得拆除防护标志。3.2爆破四、关键施工技术图4-5爆破效果图四、关键施工技术测量放样首先测量人员放线，确定拱架位置以及系统锚杆和锁脚锚杆所在位置，并用红油漆标记出来。锁脚锚杆及系统锚杆钻孔根据测量定位点，使用三臂凿岩机打设锁脚锚杆及系统锚杆钻孔。拱架拼装拱架安装采用拱架拼装机进行施工，机械化配套施工利用拱架拼装机的夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的角度，通过操作平台将工人举升至一定高度进行螺栓连接及焊接作业等功能，实现拱架快速安装，与人工作业相比投入人员少，劳动强度低，安全性能高。4.1使用拱架拼装机安装拱架网片及锚杆安装网片安装、锚杆安装利用拱架拼装机操作平台进行拱架安装包含拱架支立、纵向连接筋的焊接、网片安装以及系统锚杆与锁脚锚杆的安装等。4.拱架安装四、关键施工技术拱架拼装顺序:采用先两侧后拱顶拼装顺序，设计图纸为七节钢拱架，为保证拱架拼装速度，我部改为5节钢拱架。具体步骤：首先将第1、2节及第4、5节预先用螺栓连接好，左右辅臂同时作业，夹起第1、2节及第4、5节到设计位置后用夹具靠紧，左右工作篮作业，将整个钢拱架定位、焊连接筋，再用中间主臂将第3拱架夹住，提升至合适位置，夹住的拱架可通过主臂的动作实现左右、前后的摆动，与安装完的第2、第4节拱架螺栓孔对齐，上好螺栓，拱架拼接好后通过主臂及左右辅臂的共同配合，将整个钢拱架定位、焊连接筋。循环上述步骤安装第二榀、第三榀等。四、关键施工技术喷射砼采用湿喷机械手进行施工，湿喷机械手每小时喷射量可达30m³/h，是传统的人工喷射速度的5倍以上（传统的人工喷射混凝土一般不超过5m³/h）,主要从以下方面对比：1、湿喷机械手喷射混凝土速度快。2、湿喷机械手压力大，可提高喷射混凝土密实度，避免人工喷射空洞、强度不达标的缺点，且回弹小。3、喷射机械手采用遥控指挥，操作手可在已完成支护的安全区域进行作业，保证了操作工人安全。5.喷射混凝土四、关键施工技术

仰拱利用自行式仰拱栈桥进行施工，自带自动行走装置，不需要装载机外部等外部动力，安全性好，实用性强；仰拱找栈桥配备仰拱曲模装置，下挂式模板组装方便，仅需一次组装，无需重复，大大降低了工人劳动强度，且定位准确，仰拱施工质量提高，提高了仰拱浇筑工效。6.仰拱施工四、关键施工技术0102030405自动化初支基面处理铺设土工布铺设防水板自动热熔焊接利用自动化防水板铺挂台车进行施工，避免人工定位及定位不准确的现象发生，避免挂设的防水板松紧不一而导致空洞现象的发生，该防水板台车采用步履式行走，通过L型悬臂，将防水板套在转轴上，通过悬臂的旋转实现铺挂，垂直方向通过液压油缸调整标高，适合各种断面施工，同时铺挂小车上装有微调压紧装置，可以调节防水板与初支面之间的距离，节省人力，铺设方便，便于操作。准备防水层铺设前，应先对初支基面进行处理，保证基面无明显渗水，对锚杆头和钢筋头等突出物切除后妥善处理，凹坑深宽比控制在1：10以内，深宽比大于1：10的凹坑应采用水泥砂浆找平处理，凹坑太大处要抹平补喷混凝土，确保喷射混凝土表面平整，无尖锐棱角。环向塑料盲管施作完成后，土工布利用自动化防水板挂台车进行铺设，采用射钉枪固定土工布，预留足够松弛度，以能贴紧岩面为准，再进行防水板的挂设。

铺设防水板同样采用自动化防水板挂台车将防水板固定到预定位置，从边墙一侧向另一侧边墙悬挂进行，下部防水板必须压上部防水板，然后用手动电热熔接器加热，使防水板焊接在固定土工布的专用热熔衬垫上。防水板铺设要松紧适度，使之能与土工布充分接合并紧贴在喷射混凝土表面。防止过紧或过松，防水板受挤压破损或形成认为蓄水点。防水板间搭接缝应与变形缝、施工缝等防水薄弱环节错开1～2m的距离。阳角和阴角处防水板的铺设应平展闭合、平顺焊接。防水板间自动热熔焊接用自动双缝热熔焊接机，焊接前应试焊，掌握了合适的焊接温度和速度后进行焊接。焊接前先除尽防水板便面的灰尘。单条焊缝的有效焊缝宽度不应小于1.5cm，防水板搭接宽度不小于15cm，分段铺设的防水板边缘部位应预留至少60cm的搭接余量，并对预留部位进行有效的保护。7.防水板施工四、关键施工技术二衬砼采用智能二衬浇筑台车施工，包括定位、模板安装及砼浇筑。8.二衬砼施工(1)安装台车走形轨道在隧道仰拱填充面上每隔15m布置隧道中线点，在两侧壁上布置高程点，保证模板精确定位。模板定位前首先保证模板行走轨道的定位准确。(2)测量测量放样仰拱填充面的平整度、高度，依照台车的宽度长度，安装走形钢轨，并且预留一定的长度，以便下次走形轨道的安装和台车的定位。每根走形钢轨下方支垫枕木或工字钢，测量其平整度，保证台车的水平定位。台车模板就位前应仔细检查防水板、无纺布，排水盲管、衬砌钢筋等隐蔽工程，合格后方可进行台车移位，就位后应检查其中线、高程及断面尺寸等。测量人员根据设计要求，确定台车顶面高程和边摸的位置，将台车调整到工作状态移动就位，且要保证与上板混凝土搭接长度（设计搭接长度为10cm）。(3)台车就位在台车就位后测量定位，测量必须要保证隧道净空以及二衬砼面几何尺寸，模板架立时，要测量放线，确定隧道中线及拱顶标高，同时，要按纵坡、横坡控制，防止台车偏位和倾斜，拱顶预留下沉量为5cm。台车尺寸校对完成后，安装台车上的丝杠，对台车进行加固。(4)校对台车及加固四、关键施工技术(5)封端头模板台车配备混凝土分层布料机，机械操作浇筑口转换，机械完成输料管清洗，实现逐窗分层浇筑，拱部预留注浆孔实现带模注浆功能，提高衬砌施工效率和质量，减少二衬混凝土通病的发生。(6)砼浇筑挡头模板在台车就位调整后固定安装，采用钢模固定止水带，剩余部分采用木模进行封堵，根据开挖情况决定挡头板长度，现场用木锯裁出合理长度，自下而上环向安装，安装时须注意接缝的密实性，以防漏浆。另外，挡头模板一定要顶紧初支面，以防因受力过大而跑模。模板安装必须牢固，台车端头外檐连接径向钢管固定端模，拱腰位置以下必须用钢管或者方木设置斜撑支撑，确保不爆模。采用机械化配套施工后，通过全断面开挖及一次封闭成环使安全得到了保证，因大型设备在原有安全步距（根据120号文Ⅴ级围岩仰拱安全步距35米，二衬安全步距70米，Ⅳ级围岩仰拱安全步距35米，二衬安全步距90米）下难以施展、制约较多，所有工装设备(轮胎式)施工完毕后均开出洞外或者辅助坑道处，仰拱栈桥有效搭接长度按照2