大型机械化配套施工在隧道施工中的适用性研究

上世纪八九十年代，隧道钻爆法开挖已出现机械化配套施工，但历经几十年发展，大型机械化配套施工技术还在不断探索和发展中，还没有得到全面推广应用。钻爆法大型机械化施工较人工还没有体现出明显优势，主要体现在以下几个方面：（1）隧道开挖对安全步距要求较高，大型机械化配套作业空间不够，施工组织困难；（2）隧道钻爆法施工台阶长度和高度对大型机械化配套施工的影响较大；（3）隧道施工对初期支护的及时性要求较高，而初支完成后作业空间有限，施钻角度难以控制，导致周边眼外插角过大，大型机械化配套施工开挖超挖超耗严重。

针对大型机械化配套在隧道施工中的应用研究，国内外已有学者完成了大量工作。如张守同等[1]以高铁隧道机械化施工为例，从三臂凿岩台车的功能，施工工艺、施工控制重点及功效对比等方面系统地阐述了全电脑三臂凿岩台车施工技术，通过与传统施工技术进行对比，总结出了全电脑三臂凿岩台车在隧道机械化施工中所起到的重要作用及适用范围，提出了全电脑三臂凿岩台车的智能化发展建议。刘立等[2]结合大尖山隧道工程水文地质情况和施工工艺，从安全、经济、技术等方面进行对比分析，介绍了三臂凿岩台车在隧道施工中的成功应用案例。赵宏博等[3]通过对三臂凿岩台车讲行适当改造（改造推进梁位置、改用加粗钻杆、改装降低夹持器高度、更换耐磨大钻头等）实现利用三臂凿岩台车进行加深炮孔、超前地质钻孔、超前管棚施工。

本文以渝昆高铁云贵段站前三标隧道钻爆法开挖大型机械化配套施工为依托，重点研究隧道钻爆法大型机械化配套施工新开挖工法、新施工工艺及新步距。

1 大型机械化配套施工新工艺

1.1 传统施工工艺存在的问题

《高速铁路隧道工程施工技术规程》Q/CR 9604-2015[4]中传统的开挖支护施工工艺流程为：钻孔→装药爆破→出渣→初喷→挂网立架→喷浆→钻孔，因三臂凿岩台车前臂及钻杆较长，在初支封闭后进行钻孔作业时因最后一榀拱架离掌子面只有 0.5m 左右，受初期支护钢架及喷射混凝土厚度的影响及施工空间限制，周边眼外插角度控制难度大，导致周边眼外插角过大如图 1，周边眼外插角约 20^∘ ，最大线性超挖 41cm，从而造成隧道开挖超挖及混凝土超耗严重等问题。

1.2 优化方案

为给三臂凿岩台车提供足够的钻眼空间，将传统的施工工艺流程优化为：初喷→钻孔→立架（锚杆、超前小导管等）→喷浆→装药爆破→出渣→初喷。

1.3 优化效果

此工艺在初喷完成后，采用三臂凿岩台车进行钻孔（包括超前小导管及系统锚杆钻孔工作），掌子面后端约有 1.2m 未立架，为三臂凿岩台车钻孔提供了充足的空间。极大程度地减小了周边眼外插角如图 2，周边眼外插角能控制在 9^∘ 左右，从而大幅减少了超挖量，最大线性超挖可控制在 12cm 左右，较优化前最大线性超挖减少了 29cm_⨀ 。

2 大型机械化配套施工新工法

2.1 传统开挖工法存在的问题

现场配备的三臂凿岩台车长 17.3m，宽 2.9m ，高 3.7m （ ），钻臂长 9.8m ，伸展臂总长 14.1m，推进梁总长 7.3m，钻杆长度 5.5m 。覆盖范围： 16.91m×13.143m 。因三臂凿岩台车需放置在上（中）台阶，而传统的三台阶/二台阶法上（中）台阶长度较长，上（中）下台阶不能同步进行施工，上（中）台阶施工完后需要将台车移至下台阶施工，增加了拆线/接线等施工准备工作时间，因此目前下台阶开挖及立架作业均采用人工钻爆施工，不能完全体现大型机械化配套施工“机械化减人”的优势。

2.2 优化方案

为给三臂凿岩台车提供足够的钻眼空间，实现上、中、下台阶同步施工，将 IV、V 级围岩三台阶/二台阶法优化为微台阶法施工。即：IV 级围岩上台阶高度 8.0m ，台阶长度 3.0-5.0m ；下台阶高度 3.0m。V 级围岩上台阶高度 4.5-5.5m ，台阶长度 3.0-5.0m ；中台阶高度 3-4.5m ，台阶长度 3.0-5.0m ；下台阶高度 2-2.5m. 。

2.3 优化效果

优化后可将三臂凿岩台车放置在下台阶位置同时进行上（中）下台阶钻孔作业，如图 3。一是每循环可减少因台车移动重新进行接水接线等准备工作时间约 1h，二是可减少下台阶开挖人员 4 人。

3 大型机械化配套施工新步距

3.1 目前安全步距存在的问题

根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》Q/CR 9604-2015[4]第 9.3.2 条要求：V 级围岩二衬距离掌子面不大于 。在现场实际实施过程中，根据大型机械化配套工装设备规划布置，无法满足二次衬砌施工距掌子面 70m/90m 的距离要求，具体情况如下：

由二衬端头向掌子面分别布置二衬台车 12m、钢筋/防水板挂布台车 12m（24m）、长液压仰拱移动栈桥 54m（36m）、三臂凿岩台车约 20m ，由此计算 V 级围岩二衬至掌子面施工长度约需要 80-110m，不满足二次衬砌距掌子面 70m 的施工要求。

3.2 优化方案

考虑二衬端头向掌子面分别布置二衬台车 12m、钢筋台车 12m、挂布台车 12m、防水板端头距仰拱栈桥 48m（考虑机械通行、材料运输及防水板土工布、钢筋超前施工），长液压仰拱移动栈桥 54m、三臂凿岩台车约 20m，由此计算 V 级围岩二衬至掌子面施工长度至少需要 158m 。

4 结语

优化后的新工艺、新工法、新步距在大型机械化配套施工中适用性强，在隧道施工安全管理、经济效益、施工工效方面均体现了机械化施工的优势，为进一步推广大型机械化配套在隧道施工中的应用提供了技术保障。

参考文献

[1]张守同.全电脑三臂凿岩台车在隧道机械化施工中的应用探讨[J].现代城市轨道交通， ^{2022，4（01）} ：58-62.

[2]刘立.三臂凿岩台车在隧道施工中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2022，21（01）：24-27.