探究高速公路隧道机械化配套施工技术
０ 引言
公路建设规模大，对机械设备提出较高的要求，通过机械设备的合理配套，发挥出机械设备的性能优势，以相对规范的方式完成施工作业，在保证工程质量的同时减轻员工劳动强度、保障安全、提高效率。高速公路隧道施工条件更具特殊性，传统的人工作业模式难以适应工程高质量、高效率的要求，为此需探讨机械化施工技术，把握应用要点，利用机械设备高效推进施工进程。
１ 工程概况
某高速公路项目起讫里程Ｋ９９＋６５０～Ｋ１１８＋１２０，全长约１８.１２ｋｍ，沿线隧道的施工采用机械化施工技术，根据施工要求配置凿岩台车、湿喷机、衬砌台车等设备，并联合采用超前地质预报系统，用于探测前方施工条件。依托机械化施工技术，建立集超前预报、开挖出碴、支护衬砌于一体的作业线。
２ 隧道机械化配套方案
立足现场施工条件，结合工程质量、工期、环境保护等方面的要求，为隧道各关键施工阶段配套特定的机械设备。
１）开挖：２台三臂凿岩台车，按要求钻孔，以便光面爆破。
２）喷锚：锚杆钻孔采用三臂凿岩台车完成，制备混凝土，利用湿喷射混凝土机械手高效喷锚。
３）仰拱施作：以自动式移动栈桥为主要装置，根据作业要求配套自行式仰拱移动边模，在安全的前提下快速且有效地施作仰拱。
３ 隧道机械配套的原则
１）适用性原则。从隧道施工条件出发，妥善配置适应于工程需求的机械设备。例如，隧道分部开挖时，现场空间狭窄，允许机械设备运行的空间有限，考虑小型机械设备；隧道全断面施工时，配置大型机械设备。无论配置何种规格的机械设备，均要保证在现场施工中具有可行性。
２）协同性原则。隧道施工集多专业于一体，因此在保证单台设备性能稳定的前提下，还需兼顾机械设备间的协同运行特性，在机械设备的共同配合下，顺利完成隧道的各项建设工作。
３）经济高效性原则。隧道工程机械设备的配置需兼顾经济效益的要求，发挥出机械设备的性能优势，高效施工；科学调度机械设备，缩短闲置时间，尽可能减少资源浪费。
４ 隧道机械化配套施工技术
４．１ 超前地质预报
根据上述提及的机械设备配置原则进行本隧道的机械设备选配，采用到卡萨Ｃ６型钻机，运行稳定可靠，可根据现场作业条件灵活更换动力头。钻孔出水情况发生变化时，视实际情况动态调节钻进压力和速度，依据调整后的参数组合方案高效施工。并且，机械设备还具备预测前方约５０ｍ范围内地质条件的能力，有利于工程人员掌握前方施工条件，优化施工工艺，提升施工的主动性。图１为超前地质预报方法。
４．２ 开挖作业
施工现场存在Ⅳ级围岩，此部分以上下台阶法开挖，开挖前采取超前小导管支护措施，为开挖提供安全保障。首先开挖上断面，开挖成型后随即设置初期支护结构，再以左右错开的方式完成下断面��开挖作业，施作初支，开挖纵断面如图２所示。
开挖流程如下：上半断面拱部超前支护→上半断面开挖及初期支护→下半断面左侧开挖及初期支护→下半断面右侧开挖及初期支护→全断面模筑二次衬砌混凝土。初期支护在各部分开挖后随即进行，采取立钢拱架、挂钢筋网、打设锚杆、喷射混凝土的方法。
隧道开挖采用光面爆破的方法，炮眼的施工采用三臂凿岩台车，原因在于此设备对环境的适应能力较强，运行过程中的噪音较低，钻进效率较高。
隧道开挖的关键技术如下。
１）以机械化作业的方式高效开挖，根据开挖规模分步平行作业，各分部开挖后若无质量问题随即采取初期支护措施，抑制围岩变形，并加强现场监测，根据实测结果对预留变形量做灵活的调整。
２）下断面施工后随即施作仰拱，尽快建成支护体系，仰拱与掌子面的距离不超过５０ｍ。
３）上断面开挖前先完成拱部超前支护施工作业，随后正式开挖。断面长度以１５～２０ｍ为宜，有条不紊地开挖，保证开挖的安全性和有效性。待上断面初支强度达到设计值的７０％后，开挖下断面，并在完成开挖同时确认开挖质量无误的前提下尽快施作初期支护。
４）开挖循环进尺为２～２.５ｍ，具体根据围岩特性做灵活的调整。依据初期支护钢架的布设间距对下断面左、右侧开挖进尺进行调整，要求每次上台阶的长度不超过１５ｍ，下台阶一次落底，长度不超过２榀钢拱架的长度。
５）仰拱开挖前将钢架锁脚锚杆布设到位，每循环进尺不大于３ｍ，锁脚锚杆取３０°方向。
４．３ 初支作业
４．３．１ 钢架的制作
施工前安排技术、安全交底，使施工人员明确现场条件、施工要求、施工方法等。根据隧道施工对钢筋的要求，用冷弯机加工合适尺寸的工字钢，各段之间用钢板夹面焊接的方法做连接处理。钢筋格栅钢架用１∶１胎模制作，对钢筋节点进行焊接。钢板上的开孔作业采用专用的钢板钻孔机，禁止气割冲孔，以免钢板受损。纵向钢架间用钢筋连接，拱脚稳定置于基础或预制块上，拱脚标高低于设计值时，支垫钢板或Ｃ２０及以上强度等级的预制块。钢架与岩面紧密贴合，若存在间隙则以喷射混凝土的方法填充至密实状态。定期检查钢架，从结构完整性、形态合理性等方面判断是否存在异常，针对存在的问题采取修复、加固等措施。为避免围岩松散坍塌，按照“先顶后拆”的顺序拆除钢架。
４．３．２ 钢筋网的铺设
钢筋网紧贴受喷面，若受喷面缺乏平整性，适当调整钢筋网片的形态，做到起伏铺设，铺设到位的钢筋网与受喷面的间隙控制在２０～３０ｍｍ。钢筋网片与锚杆连接，避免混凝土浇筑过程中发生移位。
４．３．３ 锚杆支护
１）材料的配备。锚杆支护采用到锚杆钢材、药卷、水泥浆，根据施工要求准备适量的原材料，进场时加强检验，进场后分类存放，采取防护措施，避免受潮、锈蚀等问题。
２）锚杆的加工。加工设备采用锚杆机，在硬质岩石地质区域加工。按照不短于设计长度９５％的要求完成锚杆孔的钻进作业，其中拱腰和侧墙两部分用气腿式凿岩机开孔，为锚杆适配垫板，布设到位的锚杆与开挖轮廓线呈垂直的位置关系。锚杆的尾端应预留合适的长度，便于锚杆垫板的设置。
３）中空注浆锚杆。为锚杆适配合适尺寸的锚头、垫板、螺母等配件，在锚杆上开设排气孔。砂浆初凝后，及时拧紧螺母。注浆期间，分阶段控制注浆压力，起始压力约为０.３ＭＰａ，若现场注浆无异常，逐步增加注浆压力直至达到设计值，排气孔流出浆液后，停止注浆。
４）注浆小导管。隧道穿越滑坡地段采用到系统锚管，以壁厚为４ｍｍ、外径４２ｍｍ的热轧无缝钢管为原材料加工成型，单根长度为４ｍ，于管上打设Φ６ｍｍ的注浆孔。
４．４ 仰拱的施作
隧道开挖后尽快施作仰拱，以便闭合支护结构，维持围岩的稳定性。仰拱的设置采用栈桥全幅施工的方法，遵循连续性原则，全断面一次成型。
１）开挖。机械开挖为主，人工辅助作业，在保证开挖进尺准确性的同时提高开挖效率。隧道底部两隅与侧墙连接区域平顺开挖，严格控制开挖进尺，以免由于应力集中而导致局部缺乏稳定性。边墙钢架底部存在的杂物需被及时清理干净，随后连接至仰拱钢架上。于软弱膨胀性围岩地段开挖时需提前采取加固措施，例如向地面与两隅打入锚杆。
２）初期支护的设置。按照“施作垫层→打设锚杆→建设仰拱钢架→喷射混凝土→模筑混凝土”的流程施作初期支护，为维持围岩的稳定性，在仰拱开挖后随即设置初期支护，仰拱钢支撑与边墙拱架脚部焊接，建成完整且受力稳定可靠的结构体系。
３）二衬钢筋的设置。仰拱两侧二衬边墙的钢筋适量外伸，目的在于与二衬环向钢筋焊接至一体。二衬边墙预埋钢筋的弯曲弧度根据隧道断面的弧度予以控制，两者相同。仰拱二衬钢筋绑扎环节，以焊接定位钢筋的方法控制层距，同时保证每层钢筋的间距具有合理性。
４．５ 二次衬砌的设置
初期支护设置成型后施作二次衬砌，用于改善围岩的受力条件，维持围岩的稳定性。隧道二次衬砌施工中，无纺布、防水板用挂布台车挂设到位，期间根据挂设要求操控液压装置，控制挂设材料的高度，为确保挂设材料的姿态满足要求，用卷扬机沿弧形轨道牵引挂设到位。二衬施工时，根据注浆管的布设情况调整钢筋的位置，留出适量的空隙，若由于空隙尺寸有限而影响正常升管，可小幅度地拨动钢筋网。严格控制注浆管的上升行程，以免由于大幅度的上升而导致防水板受损，具体上升高度根据台车面板至岩壁的距离而定。模板采用平整性和稳定性均较好的钢模，严格按照设计要求将钢模布设到位。台车模板就位前，做好防水板及各处细部的质量检查，就位后测定中线、高程并完整记录数据。曲线隧道施工时，要求成型的弧线具有圆顺的特点，避免存在明显的接缝错台现象。
４．６ 喷射混凝土
１）隧道开挖后喷射混凝土，混凝土固结后可稳固开挖面，以防局部失稳塌陷。
２）按自下而上的顺序喷射混凝土，分段、分片有序进行，各段纵向长度≤６ｍ。根据总喷射厚度进行分层，逐层有序施工，前一层混凝土终凝且间隔时间超过１ｈ后，方可安排下一层混凝土的喷射作业。受喷面的杂物易影响喷射效果，考虑到此情况，先用高压风清理受喷面，待该处保持洁净后方可安排混凝土的喷射作业。
３）混凝土随拌随用，尽可能缩短拌和后至喷射前的间歇时间，以免由于混凝土初凝而导致材料浪费。
４）单次喷射厚度以总施工厚度和现场施工条件而定，初喷厚度４０～６０ｍｍ，复喷厚度根据喷射部位而定，拱顶位置≤１００ｍｍ，边墙两处≤１５０ｍｍ。首层混凝土对后续各层乃至整体喷射效果有显著的影响，因此必须保证首层混凝土的平整性，局部存在凹坑时需填补至平整状态，有严重凹坑时采取锚杆吊模喷射混凝土的方法。
５）混凝土喷射时，喷嘴与岩面垂直并保持０.６～１.２ｍ的距离，喷射料束与受喷面夹角为５°～１５°，喷射料束呈螺旋形运动，喷射机工作压力为０.１０～０.１５ＭＰａ。从两侧拱脚开始喷射，以向上、对称的方式有序进行，要求喷射的混凝土可覆盖钢架。钢架与壁面存在空隙时，以喷射混凝土的方法填充到位。拱脚基础部位的混凝土必须密实，以免由于局部悬空而影响仰拱的整体稳定性。
５ 隧道机械化配套施工模式效率分析
５．１ 三臂凿岩台车的施工效率
三臂凿岩台车的作业效率相当于７人共同作业所创造的效率，因此效率优势突出，但隧道工程量大，仅采用三臂凿岩台车仍无法满足施工要求。究其原因，设备单次成孔数量为３个，成孔后需进行位置的调整，因此中途需耗费较多的时间，若设备位置调控不到位，反而会影响钻孔效果。针对该局限性，采取单洞配置两台三臂凿岩台车的方案，由专员在现场加强管理，此时可缩短３８％的时间，施工效率随之提高。设备的增加将导致成本升高，为控制成本，错调左右洞室的钻孔时间，确保在同一洞内有两台设备同步施工，充分提高硬件设施的利用水平，且在此优化方式下，进尺深度由原本的１３２ｍ增加至１４４ｍ。
５．２ 湿喷机械手的施工效率
单台湿喷机械手施工的方案存在效率略低的不足之处，两台设备同步作业的方式可缩短２ｈ的作业时间，仅需３ｈ即可完成混凝土湿喷作业。在湿喷机械手施工时加强对混凝土回弹率的检测，结果显示回弹率约为１０％，表明回弹率得到有效的控制，施工效果良好，两台湿喷机械手联合作业的方案具有可行性。
５．３ 现场初期支护的施工时间
初期支护开挖时，检测单个循环施工所需的时间并记录数据，结果显示单次进尺为３.６ｍ时对应的时间为９７０ｍｉｎ，根据此施工进度进行推算，将单月进尺设为３０ｄ，按照此计划施工后，开挖深度达到１６１ｍ。施工设备配置方面，以三臂凿岩台车为核心，辅以仰拱栈桥、湿喷机械手等设备，联合作业。按单个循环为３.６ｍ的要求考虑，月进尺深度为１６１ｍ，施工效率较高，能够满足工程对施工工期所提出的要求，同时机械设备可按照预设的方案规范作业，保证施工质量，有利于提升隧道的整体施工效果。
５．４ 环保效益
喷锚作业采用湿喷机械设备，施工中的粉尘产生量得到有效控制，相比干喷方式，呼吸粉尘量由原本的２１.７ｍｇ／ｍ减小至０.４ｍｇ／ｍ，具有良好的环保效益，对现场施工人员的身体健康和周边的生态环境均较为友好。喷射混凝土的驱动动力主要源自于电机，因此还可避免尾气排放的问题，喷射全过程的扰动性较小，掌子面的稳定性不会因此而受到影响。湿喷机械设备的安全性突出，可保证人员的人身安全，充分彰显出以人为本的工程理念。
６ 隧道施工中关键工序的机械设备配置方式优化
纵观隧道掘进全流程，钻孔和出碴耗费的时间最多，是提高施工效率时需重点考虑的对象。以隧道Ⅲ级围岩的开挖为例，断面约１２０ｍ²，以４.２ｍ的掘进进尺进行施工，完成整个循环的时间约为１６ｈ，若施工采用的是双台车联合作业的方案，钻孔、出碴所需的时间分别约为３ｈ、５ｈ，完成两道工序的时间几乎占据总时间���１／２，严重压缩后续工序的施工时间。因此，需要优化机械设备的配置方式，借助机械设备的生产力优势提高施工效率。对于围岩略差的地段，出于安全考虑，需施作较多的初期支护，在此方面耗费较多的时间，为兼顾初期支护有效性和施工效率两方面的要求，宜选择混凝土喷射机械手、拱架安装机等设备。
为保证爆破开挖进尺的准确性，对施工所需的凿岩台车作业方式进行优化。常规方式下，凿岩台车的开挖采用无轨运输的方式，但运输需要得到内燃装运设备的支持，此类设备运行过程中伴随空气污染问题，因此需在此作业方式的基础上加以改进，例如辅以通风技术，加强通风，降低污染物的浓度，改善隧道施工现场的空气品质。简言之，隧道机械化施工技术的应用需要遵循因地制宜的原则，配套的机械设备需适应现场环境，各类机械设备在高效施工的同时还需具有保障安全、节能环保等效果，以便取得突出的经济效益、社会效益以及生态环境效益。
７ 结语
机械化施工技术在公路隧道工程中取得广泛的应用，具有效率高、质量可靠、污染小等特点。作为施工单位，需根据工程要求、现场施工条件适配机械设备，加强管理，充分发挥出机械设备的性能优势。经过本文的分析后，提出机械化施工技术在高速公路隧道工程中的应用要点以及优化措施，希望对同仁有参考作用。