大断面隧道大型机械化全工序作业技术应用
随着经济的快速发展和交通需求的不断增加，高速公路建设面临着越来越多的挑战。其中，隧道施工是高速公路建设中的重要环节之一，而单洞四车道大断面隧道施工则是其中的难点。传统的施工方法存在着效率低下、安全风险高、施工质量不稳定等问题，因此，研究一种新型的隧道施工方法势在必行。近年来，大型机械化全工序作业技术在隧道施工领域得到了广泛的应用。该技术采用先进的机械设备和工艺方法，实现了隧道施工的机械化和智能化。通过对施工流程、设备配置、工艺方法等方面的研究，我们探索出了一种适用于高速公路单洞四车道大断面隧道的施工方法。该方法具有提高施工效率、降低安全风险、提高施工质量等优点。
１ 研究背景与方法
深汕西高速公路改扩建城仔山隧道穿过丘陵地貌区，为洞口小净距双洞八车道分离式隧道，左线隧道长２３２７ｍ，隧道最大埋深约２８４ｍ；右线隧道长２３７１ｍ，隧道最大埋深约２６０ｍ。该隧道具有施工难度大、技术要求高、施工周期长等特点。传统的隧道施工方法存在着人力投入大、施工效率低、安全风险高等问题，难以满足现代高速公路建设的需求。因此，研究一种适用于单洞四车道大断面隧道施工的大型机械化全工序作业技术，对于提高施工效率、降低安全风险、提高施工质量具有重要意义。
对此次研究工作进行分析，本研究旨在探索一种适用于高速公路单洞四车道大断面隧道的施工方法，以提高施工效率、降低安全风险、提高施工质量。为此，我们将采用理论分析和实际工程应用相结合的方法进行研究。首先，通过对国内外相关文献的梳理和分析，总结出大型机械化全工序作业技术在隧道施工中的应用优势和难点。其次，结合实际工程案例，对施工流程、设备配置、工艺方法等方面进行详细的研究和设计。最后，通过实际工程应用，验证该技术的可行性和优越性。
２ 研究过程
２．１ 前期准备阶段
在前期准备阶段，需要收集相关的工程资料，包括隧道的地质条件、水文气象条件、断面尺寸等。同时，还需要进行现场勘查和调研工作，了解现场的施工条件和实际情况。在此基础上，制定初步的施工方案和计划，确定研究的重点和难点。
２．２ 方案设计阶段
在方案设计阶段，我们需要根据前期准备阶段收集的详细资料，包括地质勘察数据、周边环境信息、初步的施工方案等，进行深入的隧道方案设计和施工流程设计。这个阶段的工作是整个项目的基础，需要仔细考虑各种因素，包括工程地质、水文条件、施工难度、环境保护等，以确保设计方案的科学性和可行性。在进行大型机械化设备的选型和配置设计时，需要根据隧道施工的具体要求，选择适合的设备型号和规格。同时，还需要制定相应的操作规程和管理制度，确保设备的正常运行和使用安全。这些设备的选择和管理直接关系到工程的进度和质量，因此我们需要与设备制造商密切合作，进行详细的了解和测试。
２．３ 现场试验阶段
首先需要进行超前��质预报技术的试验和应用，及时掌握掌子面及前方围岩状况，综合分析判定是否采取超前预加固措施。在此基础上，需要进行大型机械化设备的进场、安装、调试等工作，并进行相应的操作培训和技术交底。同时，需要进行全工序作业流程的试运行和调整，确保作业流程的顺畅和高效。
２．４ 数据采集与分析阶段
在数据采集与分析阶段，需要采集现场施工过程中的各项数据，包括施工进度、施工质量、安全状况等方面的数据。通过对这些数据的分析，评价大型机械化全工序作业技术在单洞四车道大断面隧道施工中的应用效果和优越性。同时，还需要对现场试验过程中出现的问题和不足进行总结和分析，提出相应的改进措施和建议。
２．５ 结论与展望阶段
在结论与展望阶段，需要根据上述四个阶段的研究成果和分析结果，得出结论并撰写研究报告。同时，还需要对未来的发展趋势和研究方向进行展望和建议。此外，还需要提出相应的建议和意见，为今后的研究和实际应用提供参考和借鉴。
３ 结论与分析
３．１ 隧道设计及施工方案
（１）隧道断面设计。隧道断面设计是隧道施工的关键环节之一，需要根据隧道所在地的地形、地貌、地质条件以及行车要求等因素进行综合考虑。
（２）隧道支护设计。隧道支护是保证隧道施工安全和稳定的重要措施，需要根据隧道的地质条件、围岩等级等因素进行合理的支护设计以确保隧道的整体稳定性和安全性。支护设计包括确定合理的支护类型、支护参数、锚杆长度和直径等要素，以及进行支护结构的细部设计等。
（３）隧道防排水设计。隧道防排水设计是保证隧道正常运行和延长使用寿命的重要措施，需要综合考虑隧道的地质条件、自然环境等因素对防排水设施进行合理设计和施工，以防止隧道内积水、渗漏等问题。防排水设计包括确定合理的防排水方案、防水层材料、排水沟尺寸等要素，以及进行防排水设施的细部设计等。
（４）隧道通风与照明设计。隧道通风与照明设计是保证隧道内空气质量、交通安全和运行效率的重要措施。需要进行合理的通风与照明设计以确保隧道的正常运行和行车安全。
（５）隧道监控与安全设计。隧道监控与安全设计是保证隧道内交通安全和运行效率的重要措施之一。需要进行合理的监控与安全设计以确保隧道的正常运行和行车安全。
３．２ 大型机械化设备应用
３．２．１ 隧道开挖
隧道开挖配置全电脑三臂凿岩台车，配置３Ｄ扫描仪、自动控制系统、凿岩机控制、ＭＷＤ地质分析软件、锚杆记录软件等设备，具备以下功能。
（１）通过３Ｄ扫描仪进行车辆在隧道内的定位，并检测隧道断面形状，判断超欠挖。
臂架每个动作设置有传感器，通过电脑控制钻臂自动找点和凿岩机自动钻孔。
（２）检测凿岩推进速度传感器、推进压力传感器、旋转速度传感器、旋转压力传感器、旋挖压力传感器，通过电脑程序实现凿岩机的轻打开孔、防卡钎、防空打等功能。
（４）全电脑控制钻孔，一人可控制３个钻臂。通过记录钻孔速度、压力等数据，分析地质情况。
（５）可记录锚杆钻孔位置、角度、长度等信息。
３．２．２ 悬臂式掘进机
隧道开挖配置悬臂式凿岩机，对隧道设计的集破岩、装载转运、自行走以及喷雾除尘于一体，以机械方式破岩的高效联合作业机械，其工作范围大，采用横轴式截割头，具有截割硬度大，截割效率高的特点。
（１）采用液驱截割头设计工作平稳、旋挖小、易维护、故障率低，能传递大的转矩等特点。
（２）作业范围为目前国内最大。
（３）结构强度高主要结构件设计强度安全系数大于３倍，各连接销剪切强度安全系数大于５倍，疲劳设计寿命为无限寿命，保证不开裂；关重焊缝全部无损探伤，等级设置为Ａ级，保证不开焊；连接采用特型螺纹连接，保证在强震动下不松动。
（４）截割效率高，截齿损耗小。
（５）集中润滑集中润滑系统，实现掘进机部分自动润滑，减少劳动强度。
（６）喷雾除尘。在截割头、产板、一运头部和尾部容易扬尘部位各设置有若干水雾喷嘴，能有效减少扬尘３０％。
３．２．３ 湿喷机械手
隧道喷射混凝土配置湿喷机械手，对隧道岩体进行高速喷射，人员可以进行远程遥控驾驶，具备３Ｄ轮廓扫描和信息化管理的能力。
３．２．４ 多功能拱架安装机
隧道拱架安装配备多功能拱架安装，具备钢拱架安装、自动精确定位、操作工序提示、３Ｄ轮廓扫描、锚杆施工、一键立拱、信息化管理、配合现场装药、通风管作业、辅助测量。
（１）机械手调控，拱架连接法兰孔精准对位，拱架连接牢固可靠。
（２）整榀拱架姿态调节，可达到设计位置要求。
（３）扫描仪工作时，可测得隧道内任意点的坐标，形成“点云”，并由三维。
（４）轮廓重建自动处理软件，计算获得隧道超欠挖等数据，实现扫描轮廓与设计轮廓的超欠挖比对。
（５）通过控制机械臂抓取拱架代替人工作业，有效降低劳动强度。
（６）施工作业人员可减少至４～５人，有效减少掌子面施工人员数量。
３．２．５ 防水板钢筋铺设台车
隧道仰防水板及钢筋安装采用防水板钢筋铺设台车，具有一车两用、无线遥控、自动安装固定土工布、自动铺设固定防水板、自动计算防水板用量、自动评估松弛度、自动生成铺设日志等特点。
（１）可满足６.５ｍ宽幅防水板铺设，也可满足１２ｍ钢筋一次性绑扎。
（２）防水板铺设仅需２～３人即可完成。起吊上卷材、自动铺展，无需人工肩扛手抬。
（３）无线遥控易操作、整机作业遥控控制，自带纵向行走和横向平移功能。
（４）仅需１人即可操控台车。
（５）施工质量好、防水板铺设平整美观、钢筋绑扎面作业平台全覆盖。
３．２．６ 智能二衬台车
隧道二衬施工采用智能二衬台车，具备独有的双浇筑系统，遥控分层逐窗浇筑，只需１０ｍｉｎ即可完成上下管路切换，浇筑速度快，一环二衬作业时间为８～１０ｈ。使用高频气动振动器，振动范围广、深度大、与气囊堵头相配合，有效避免端头模板漏浆，使混凝土振捣密实，拱顶具备信号反馈和压力检测双重监测，确保拱顶灌满要求。同时隧道二衬台车具备信息化高度集成，具备液位显示、入模温度监测、拱顶灌满提醒以及报警信息功能，并对施工数据进行记录、储存及传输。使用该二衬台车仅需要１名操作手即可完成整机布料，浇筑完成后的管理采用海绵球清洗，快捷方便。４～６人即可完成一环二衬施工。
３．２．７ 智能温控养护台车
隧道采用“轨行式标养室”的设计理念是将二衬外露面封闭在一个独立的空间内，再对这个独立空间进行加湿，加湿过程中对空间内的多个点进行湿度数据采集，采集的数据传输至加湿器，当湿度不足９５％时，加湿器持续工作进行加湿，当湿度达到９５％时，加湿器暂停加湿，实现二衬混凝土的自动标准养护。
３．３ 隧道全工序智能化施工管理
（１）隧道围岩激光扫描
隧道三维激光扫描，获取隧道空间信息，提供隧道三维空间模型，辅助施工进行隧道断面检测，提供隧道的超欠挖计算、竣工测量和数据报表，并提供后续开发使用的多种数据格式，形成隧道的原始数据存档。
（２）三臂凿岩台车智能化系统
三臂凿岩台车采用智能化系统，配备人机交互式操作面板和主机电脑，依托智能化数据采集与控制系统，实现整机在隧道内精确定位与多臂同步姿态调整，自动化、智能化、高效化完成钻孔作业。设备可与一体化管理平台进行对接，数据自动进行整理上传。
（３）智能注浆设备
项目配置智能注浆设备，可自动计量，自动搅拌、自动监测流量，自动检测压力等，相关信息可直接传输至一体化平台内。
３．４ 现场施工安全及质量控制
（１）现场施工安全。现场施工安全主要强调三点：１）施工前安全准备工作。在隧道施工前，需要进行充分的安全准备工作。包括对施工现场进行安全风险评估，制定安全预案，配置安全设施，并对施工人员进行安全培训和教育。２）施工过程中的安全措施。在施工过程中，需要采取一系列安全措施。包括对施工现场进行实时监控，及时发现和处理安全隐患；对大型机械设备进行定期检查和维护，确保设备运行安全；对施工人员加强安全教育和技术培训，提高施工人员的安全意识和操作技能。３）施工后的安全保障。在隧道施工完成后，仍需要采取一定的安全保障措施。包括对隧道进行定期巡查和维护，确保隧道结构和设施的正常运行；对交通安全进行管理和维护，确保车辆行驶安全。
（２）现场施工质量控制。施工质量控制主要强调三方面内容：１）施工前质量控制准备。在隧道施工前，需要进行充分的质量控制准备工作。包括对施工图纸进行审查，确保设计合理；对施工设备进行质量检查和校准，确保设备精度和性能符合要求。２）施工过程中质量控制。在施工过程中，需要采取一系列质量控制措施。包括对施工现场进行质量监督和管理，及时发现和处理质量问题；对每一道工序进行质量检测和控制，确保工序质量符合要求；对重要施工节点进行质量验收和评估，确保施工质量符合设计要求。
４ 结束语
本文通过对高速公路单洞四车道大断面隧道大型机械化全工序作业技术的研究和应用，验证了该技术的可行性和优越性。该技术具有提高施工效率、降低安全风险、提高施工质量等优点，为我国高速公路隧道建设提供了新的技术方案和思路。未来可以进一步优化施工流程、设备配置和工艺方法等方面，提高该技术的可行性和优越性，为我国高速公路建设作出更大的贡献。