浅析高速公路隧道全工序机械化配套施工技术
０ 引言
随着我国高速公路建设的快速发展，国家对工程品质和耐久性提出了更高要求。隧道工程由于工程量大、施工工序多、工期长、地质情况复杂、质量精细化控制难等问题，安全事故时有发生，其施工应用传统的工装和工艺，作业人员数量多、劳动强度大，使群死群伤安全风险增大，职业病患病率提高；同时作业人员较多，使管理难度增加，施工质量把控困难。因此实现隧道机械化配套施工具有重要的价值。
对于隧道机械化施工，许多学者展开了相关研究。田四明等借助高原铁路软岩隧道开挖案例，论证了机械化配套施工是保证复杂环境下隧道稳定性的重要条件；孙会彬等研发了具有高自由度的钢拱架安装设备和辅助安装设备，并提出相关施工工艺，通过数值模拟证明了机械化快速施工有助于提高围岩稳定性；魏夏鹏等为了实现预应力锚索快速施工，研发了集钻孔、安装、锚定、拉伸功能一体化的机械化施工设备；柳玉洁对不同围岩级别的隧道施工分别设计了机械化施工方案，并通过层次分析法确定了不同方案的适用条件；帅玉兵等设计了废水泵房封底机械化施工方案，并通过室内试验与数值模拟证明了其可行性与合理性；刘科将机械化施工应用于大断面隧道施工，实现了快速开挖、快速支护、主动支护、快速封闭；杨年华针对常规隧道人工钻爆法危险性大、开挖质量难以控制、凿岩台车无法充分使用的问题，提出了现有隧道充分发挥机械化施工优势的改善方向，包括开挖顺序、管理体制、人才培养等；覃建华讨论了隧道机械化施工中应考虑的因素，包括隧道的设计、施工方案的制定、环境保护等。尽管目前已有研究对隧道机械化施工进行了一定论述与分析，但许多技术工艺尚不成熟，且各研究中所提机械设备仅针对某一工序或工程问题，尚未形成完整的全工序机械化施工体系，缺乏系统研究。
为更好地控制施工质量，本文以芷铜高速公路椿木山隧道为工程背景，坚持“机械化换人”“自动化减人”等理念，提出了隧道施工全工序的机械化配套技术，解析了两臂凿岩台车、多功能拱架安装车、自动布料衬砌台车等７台配套隧道施工工序设备（全工序机械化成套设备）在隧道中的应用，通过与传统工艺进行效益对比，证明了全工序机械化施工的优势。
１ 工程概述
芷铜高速公路为双向四车道高速公路，设计速度１００ｋｍ／ｈ，主线全长３３.４８ｋｍ，桥隧比为６１.８％。其中椿木山隧道属于特长隧道，左洞长６１４７ｍ，右洞长６１５８ｍ。抗震设防烈度Ⅶ度，抗渗等级Ｐ８，是芷铜高速公路重点控制性工程。隧道最大埋深６２７ｍ，设计为Ⅰ级风险隧道。洞身穿越地层岩性主要为板岩、砂岩、变质砂岩等，全隧包括２６５ｍ通风竖井１座，人行、车行通道２３条。隧道纵坡为单向下坡，进口工作面全部为反坡排水，且水文地质条件复杂，大段落分布高地温、高地应力等，设计最大涌水量３００３５.９５ｍ³／ｄ。隧道设计通风采用左线竖井分段送排式＋右线全射流式纵向通风，左、右线共用竖井排烟。全隧设计Ⅴ级围岩占２６.１２％，Ⅳ级围岩占２５.６０％，Ⅲ级围岩占４８.２８％。
２ 隧道全工序机械化工装设备与工艺
经多次对施工机械配套体系进行试验、改进，总结出一套较为成熟的高速公路特长隧道机械化施工技术，形成了以１个隧道作业面为单元（一洞），按照超前支护、开挖、初期支护、仰拱、防水板、衬砌、水电槽等７条基本作业线（七线）配备７台套大型特种设备（两臂凿岩台车、隧道多功能拱架安装车、混凝土湿喷机械手、自行悬臂式液压仰拱栈桥、多功能钢筋防水板作业台车、自动布料衬砌台车、轨行式液压电缆槽台车）的“一洞七线七机”全工序机械作业配套模式，相关机械设备如图１所示，全工序工艺流程如图２所示。
２．１ 洞身开挖工序
隧道开挖工序采用两臂凿岩台车的机械作业方式。施工时，将两臂凿岩台车停放至距隧道掌子面约１０ｍ位置，通过遥控操作将台车大臂对准钻孔位置并调整钻进角度，两组大臂同时进行钻孔作业。该方式主要应用于隧道、矿山以及其他地下工程中巷道、隧洞的掘进施工作业，可进行钻爆破孔、锚杆孔、掏槽孔等作业。适用于隧道全断面开挖作业，因其大臂可弯折，故也可用于小断面及台阶法施工，具作业范围大。
相比于传统工艺，两臂凿岩台车在作业模式、安全风险、施工环境、钻孔效率方面具有明显的优势，如表１所示。
２．２ 支护立架工序
支护立架工序采用多功能拱架安装车的机械作业方式。施工时，将隧道多功能拱架安装车停放至距隧道掌子面约８ｍ位置，通过遥控操作台车大臂抓取举升拱架、钢筋网、锚杆等至合适位置，安装人员处于大臂吊篮中进行螺栓、焊接等固定作业，同时也可作为质量检测、风水管安装、缺陷修复、注浆、辅助安装锚杆、装药等多种高空作业平台使用。可适应全断面、台阶法等隔断面施工。
相比于传统工艺，多功能拱架安装车在人员配置、作业模式、安全风险方面具有明显的优势，如表２所示。
２．３ 喷射混凝土工序
喷射混凝土工序采用了混凝土湿喷机械手的机械作业方式。相比于传统工艺，混凝土湿喷机械手在施工质量、成本控制、安全风险、施工环境方面具有明显的优势，如表３所示。
２．４ 仰拱、防水层施工工序
仰拱、防水层施工工序采用自行式悬臂液压仰拱栈桥、多功能钢筋防水板作业台车的机械作业方式。在传统工艺中，仰拱与防水层的施工通常借助简易钢结构仰拱栈桥与普通防水板作业台架进行，相比之下，自行式悬臂液压仰拱栈桥与多功能钢筋防水板作业台车可根据需要自由组装，适应性、灵活性强的特点，在施工效率、成本控制方面具有明显的优势，如表４所示。
２．５ 二次衬砌及电缆槽工序
二次衬砌及电缆槽施工工序采用自动布料衬砌台车、轨行式液压电缆槽台车的机械作业方式。
施工时，通过遥控操作台车设备移动，再以少量人工微调下料管口位置，即可实现分层浇筑。相比于传统工艺，自动布料衬砌台车与轨行式液压电缆槽台车在作业模式、质量控制成本控制方面具有明显的优势，如表５所示。
３ 隧道全工序机械化施工经济效益分析
椿木山隧道全工序机械化施工方法与传统工法相比较，不仅大幅减少了工作面作业人员数量，单洞全工序作业人员由原来的４５人减至２４人，节约人工４６.７％；而且提高了施工作业效率，经测算掌子面循环进尺节约工时２７３４.６５ｈ，折合约１１４ｄ，如表６、表７所示。椿木山隧道较计划工期提前２个月贯通。
另外，虽然全工序机械化在设备的一次性投入方面金额较大，但工效的提升使得人工及其他方面的费用减少。以椿木山隧道单洞为例，全工序机械化购置费约８４６万元，较传统工法设备购置成本增加约５０％，以椿木山隧道１２个季度工期为例进行测算，全工序机械化的人工及机械成本费用累计在第８.２４个季度后比传统工法的相关成本更低，如图３所示，由此见全工序机械化在工期较长的长大隧道施工中更具备应用优势。
４ 不同隧道断面类型成套机械设备配置建议
通过椿木山隧道采用全工序机械化设备施工，笔者根据隧道开挖断面大小及工法类型，对成套机械设备设置出如下建议。
１）开挖宽度在１３～１６ｍ范围，开挖高度８ｍ左右的断面，全断面施工或台阶法施工建议采用２臂凿岩台车及多功能拱架安装台车。
２）同等断面下，三台阶及ＣＲＤ等工法开挖，因其机械作业受空间限制，不建议采用机械配套。
３）大于１６ｍ（宽）×８ｍ（高）的断面，全断面施工可酌情考虑采用三臂凿岩台车，台阶法施工可采用两臂凿岩台车，但需根据实际准确断面，确定台车臂长。
４）两臂凿岩台车需高压水、电进洞（掌子面），因使用成本高于人工施工，无法接入高压水、电的隧道不建议使用两臂凿岩台车。
５）除凿岩台车及拱架安装台车外，其他大型设备使用范围如表８所示。
５ 结语
１）通过采用“一洞七线七机”全工序机械作业配套模式，节约了工期，节省了施工人员，有效改善了洞内作业环境，提高了施工安全系数，提升了施工效率，实现了“机械化换人、自动化减人”的目标。
２）在隧道高应力施段配备两臂凿岩台车、隧道多功能拱架安装车可作为保证人员施工安全的主要措施之一，通过减少掌子面作业人员数量及采用机械辅助安设防护网等，可有效防止岩爆溅射造成的伤害。
３）在传统工艺中，隧道喷射混凝土超耗严重，极大地增加了施工成本。将湿喷机械手，作为隧道“双超治理”的主要措施之一，通过湿喷机械手，规范喷射作业流程，可降低喷射混凝土超耗。
４）将自动布料衬砌台车作为预防衬砌常见缺陷的主要措施之一，通过自动布料衬砌台车人工遥控操作，降低劳动强度，避免工人因劳动强度过高，减少台车窗口的应用，及未严格落实分层逐窗浇筑导致的混凝土出现蜂窝麻面、强度不足等缺陷。