京沈项目-高速铁路长大隧道机械化成套施工工法

高速铁路长大隧道机械化成套施工工法（作者：京沈项目陈玉奎、李旭阳、汤春阳、徐茂华、王冠淇）1.前言随着我国高速铁路建设的迅猛发展,国家中长期铁路网的规划实施,必然会修建大量的长大隧道,而长大隧道往往成为控制性工程。

长大隧道施工工期长、投资大，合理的机械化成套施工方案通过减少劳动力的投入，降低能源和资源的消耗，提高施工效率，能够保证经济效益提高和安全质量可靠。

隧道机械化施工能够改善目前艰苦条件下作业的劳动力严重缺失和劳动力成本增加的局面。

尤其是“一带一路”和“企业走出去”战略的实施，越来越多的国外基础设施建设由中国企业来承担，其中国高铁具有很强的竞争力。

但同时又存在为适应各国当地劳动力政策，隧道施工需要劳动力过多，成本激增的风险。

研究如何提高隧道的机械化水平，加强隧道施工操作的标准化，提升多种机械机群协同性，从而来减少施工环节中的资源浪费，加快了施工进度，提高了隧道施工的质量显得非常重要。

隧道施工的机械化成套应当本着“性能可靠，技术先进，满足需求，略有储备”的原则进行。

一般情况下，施工机械化程度越高，生产效率就越高，施工进度也越快，因此在具体工程施工时，应尽量选择性能好的设备，且数量须满足作业要求，各种设备之间互相匹配。

我们依托三棱山隧道施工，对开挖支护、仰拱、二衬、防排水四条作业线进行了机械化施工改造与创新，投入的设备和工装包括：三臂凿岩台车、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥、仰拱桁架式模板、仰拱钢端模、衬砌模板台车及二衬钢端模、防水板半自动铺挂平台、水沟电缆槽门架台车，取得了良好的效果。

开挖采用液压三臂凿岩台车施工，通过机械的精准定位以及孔序的优化设计，减少了超欠挖量，加快了开挖速度，同时解放了风枪钻孔所需的大量劳动力；锚喷支护采用回弹量少的湿喷机械手施工，保证了初期支护的质量；仰拱施工采用自行式仰拱栈桥配合仰拱桁架式模板和钢端模施工，定位准备，安拆快捷，确保仰拱和仰拱填充分开浇筑，提高了结构的整体性和施工速度；防水板半自动铺挂平台提高了防水板铺挂效率，减少了施工班组作业人员，同时提高了施工质量；二次衬砌使用中埋式止水带钢端模，来实现更好的防水效果；整体式水沟电缆槽保证了水沟电缆槽的线型控制及外观质量，避免了水沟电缆槽板缝之间的错台。

通过以上四条机械化配套作业线达到快速施工、作业人员减少、能耗降低、安全质量可靠的目的。

中国路桥承建京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长8888m。

隧道进口位于北票市马友营乡东台子村，与101国道相邻。

隧道进口起始里程为DK493+415，设计为纵坡为‰的单面下坡，共承担2930m的施工任务。

其中开挖里程为DK493+880-918，围岩等级为IV级，衬砌类型为IVa-2、IVa-1。

该地段工程地质情况为：凝灰岩，局部夹凝灰质砂页岩，强至弱风化，灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育,岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。

2.工法特点开挖作业线三臂凿岩台车具有安全、环保、噪音小的特点，因其定位精确钻孔质量高、速度快，同时有利于下台阶的跟进，总体施工进度比人工开挖快20%，加快了开挖作业线的整体施工速度。

以三臂凿岩台车施工为核心，申报了辽宁省省部级工法，工法名称：高铁大断面隧道应用三臂凿岩台车在Ⅳ级围岩台阶法施工工法，工法编号：SJGF167-2016。

湿喷机作业效率高、回弹减少，减少回弹量又进一步保证了喷射到洞壁材料的质量。

机械开挖相较人工减少超挖量，湿喷机施工时间减少30%，不仅节约了成本，而且提高了初期支护的效率。

自行式仰拱栈桥长度17米，该栈桥采用液压控制，具备前、后、左、右移动功能，行走采用电控专用小车，整个栈桥就位无需人工铺轨，不需要机械设备配合，3人即可操控，一次移桥时间仅为30分钟。

仰拱桁架式模板可以根据施工的实际需要进行模架的高度和模板角度的调节，一体式模架自重轻，便于移动，无须拆卸，仰拱只需一次立模即可完成仰拱、边墙基础、仰拱填充3个部位的混凝土浇筑施工,大大减少了模板施工工序,加快了施工进度,提高了结构的整体性。

仰拱钢端模：止水带夹在两块钢模板之间，能够保证止水带顺直、居中，起到了很好的止水效果。

在止水带外侧钢模板上焊有2cm×钢条，拆模后预留槽用于安装止水条。

防水板半自动铺挂平台为全液压、电动控制，能够上下、左右移动，外侧设置环形槽道，铺挂小车在环形槽道内行走完成防水板铺挂。

平台加快了铺挂进度，又避免了由于人工铺设不平，造成焊缝宽窄不一，提高了铺挂质量。

通过二衬钢端模的使用，一次解决了止水带安装、固定难题，避免了止水带施工中出现的穿孔、不居中、损坏等，增强了施工缝防水保障能力。

该类型二衬钢端模申请了专利，专利号为。

整体式液压水沟电缆槽台车采用整体钢模设计，模板强度大、稳定性好，保证了水沟电缆槽的线型控制及外观质量，避免了水沟电缆槽板缝之间的错台。

台车拼装完成后，全自动进行操作进行模板的就位，不需拼装和拆除模板，施工相比小块模板快捷、方便。

该工法通过上述设备、工装的组合配套使用和合理安排，可以使隧道各工序施工人数减少约21人，施工速度加快15%，减少电能消耗约320度/m，并且大幅度提高了仰拱、二衬施工缝防水和防水板铺挂的施工质量，避免了大量支撑钢材的浪费。

3.适用范围此工法适用于每工作面长度大于1km的隧道，尤其是劳动力紧张或单工作面掘进长度大于的隧道经济效益会有显著提高。

4.工艺原理长大隧道采用钻爆法进行开挖，采用三臂凿岩台车进行上台阶开挖施工，三臂凿岩台车在钻臂之间不发生干涉的条件下，优化凿岩钻孔孔序，采用最快捷的钻孔顺序，利用钻孔速度快、定位精度高，提高钻孔的精度，通过钻爆参数的优化设计进行光面爆破，有效缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度减少超欠挖，减少对围岩的损伤，同时也节约初期支护成本。

采用先进的湿喷机组进行快速初期支护作业，保持围岩的自承状态，使围岩的受力条件不发生严重的应力重分布，而且湿喷机作业效率高、回弹减少，减少回弹量又进一步保证了喷射到洞壁材料的质量。

自行式仰拱栈桥采用液压控制，具备前、后、左、右移动功能，行走采用电控专用小车，整个栈桥就位无需人工铺轨，不需要机械设备配合。

传统的仰拱模板安装采用小模板，现场用锚固钢筋支撑和拼装，安装时间长，错台易超限，无法保证仰拱混凝土的施工质量。

采用的仰拱桁架式模板，在仰拱与二衬边墙连接处设置宽米的弧形整体模板，模板整体吊装就位。

弧形模板分两部分组成，上部分弧长米，下部分弧长米，中间采用铰接连接，仰拱浇筑完成后，把下部分模板提起来，直接浇筑仰拱填充混凝土，保证了仰拱与填充分次浇筑。

采用仰拱桁架式模板,将仰拱和边墙基础分段全幅施工,一次成形,不留纵向施工缝,加快施工进度,节约成本，仰拱两侧曲墙部采用自制模板能保证线形顺畅,施工质量能够得到很好的控制,从而使施工工艺达到设计要求。

防水板半自动铺挂平台主要由行走机构系统总成、门架系统总成、作业平台系统总成、拱圈系统总成、卷扬提升系统总成、液压系统总成等六部分组成，设计结构简单，便于操作。

通过设计拱圈系统和卷扬机系统，将防水板固定在滚轴上，滚轴通过沿拱圈运动的小车固定，小车通过卷扬机提升，与液压系统进行配合作业，将防水板沿着隧道开挖面运动，从而实现防水板铺设的机械化作业。

二次衬砌模板台车端模安装止水带时在台车就位并弯折止水带后一次整环安装到位，不需要在狭小空间内固定钢筋卡、模板上钻孔等工序，使安装止水带和封端工序互不干扰，既保证了安装质量，又提高了工效。

一体式的双线隧道水沟电缆槽模板台车，可以根据施工的实际需要调节模板的高度和位置，一次性浇筑成型，保证了工程质量，省去了安装和拆卸模板的时间，既节省了材料又提高了效率，操作简单方便，便于工人进行施工。

本工法机械化施工设备和工装列表、劳动力减少情况、工序时间节省情况。

表4-1隧道机械化施工设备和工装列表（每工作面）表4-2隧道机械化施工人员减少情况（每工班）表4-3隧道机械化施工作业时间减少情况（开挖支护每循环）利用三臂凿岩台车钻孔能够减少能源的消耗。

三臂凿岩台车总功率为200kw，代替空压机台（1km以内3台，大于1km4台），空压机总功率约*132kw=462kw。

每延米（上台阶）节约能源：462kw*3-200kw*3m=318kwh。

5.施工工艺流程及操作要点大断面高铁隧道机械化施工工艺流程图隧道机械化施工流程图参见图5-1。

图5-1隧道机械化施工流程图操作要点开挖支护作业洞身台阶法开挖施工工艺流程见图5-2。

图5－2 洞身台阶法开挖施工工艺流程图施工准备隧道开挖前，利用超前预报、超前钻孔、监控量测等探测结果，分析研究围岩的性质，探明前方围岩的完整性、涌水、不良地质等情况，对洞身实际的围岩与设计图进行核对，确定开挖、支护参数。

利用小松PC220-8挖掘机进行排险工作，将表面被炸松或产生裂缝而没有脱下来的石块扒下来,持续时间约为30min。

钻爆设计采用钻爆法施工，采用正台阶光面爆破施工，上台阶施工采用1台三臂凿岩台车施钻。

a上台阶炮眼布置掏槽眼采用斜眼掏槽的形式，有4排对称的斜眼，成对地在炮眼处集中炸出一个楔形空间，孔口距50-80cm，孔深为，炮眼数量为16个。

辅助眼间距第一排为50cm，后排眼间距为60cm，炮眼数量为98个。

周边眼是指沿边缘轮廓线布设的炮眼，周边眼炮眼的数量为54个，炮眼间距为40cm，炮眼深度为2m。

底眼设置一排，垂直于开挖面打眼，炮眼间距为80cm，炮眼数量为19个。

b下台阶炮眼布置辅助眼横向间距为80cm，纵向间距为100cm，孔深为2m，炮眼数量为75个。

周边眼间距为40cm，数量为25个，底板眼间距为70cm，数量为25个。

炮眼布置图参见图5-3，围岩钻爆设计参数参见表5-4。

图5-3 炮眼布置图表5-4 围岩钻爆设计参数测量放线测量人员应严格按设计进行放线，放线利用全站仪精确放出上、下台阶开挖轮廓线、隧道中线，用红色油漆画开挖轮廓与布置炮眼，辅助孔可以根据现场围岩情况作相应调整。

测量组还要注意对上一循环的开挖轮廓线进行复核，并标识超欠挖情况以备修正，便于三臂凿岩台车操作手钻孔作业。

为保障测量的准确性，洞内的导线桩、中线桩及水准点须定期进行复测，其设置必须牢固可靠，使用方便。

凿岩台车就位在钻机就位后，接风电应在测量放样同时进行,以减少工序时间。

在进行钻眼前，要检查供电电压是否满足三臂凿岩台车施工用电要求，供水系统水压是否满足三臂凿岩台车钻孔所需水压要求，认真检查台车的液压系统及各种指示灯是否处于正常的工作状态，准备时间为30min，水电工必须随时检查线路及三臂凿岩台车的运行情况。

a凿岩台车开挖所用的高压电缆线架设在隧道右侧拱墙以上，进洞500m处放置50kw的变压器，进洞500m后，采用3×240+1×120mm2铝芯电缆给三臂供电，用电电压为380v。