隧道掘进支护一体化施工技术
１ 工程概况
宜涪高铁新方斗山隧道位于重庆市石柱土家族自治县及丰都县境内，正线全长１０６６０ｍ，最大埋深５６１ｍ。隧道按单洞双线隧道形式进行设置，设计行车速度为３５０ｋｍ／ｈ。隧道主要岩性为泥岩、灰岩及泥灰岩，不良地质段落主要为软岩大变形、岩溶富水、采空区、煤层、有害气体，其中高瓦斯段落长３００ｍ，低瓦斯段长２６０ｍ，隧道水头高度达３４０ｍ，预测最大涌水量达１５.２万ｍ³，安全风险高，施工难度大，为全线控制性工程。主要围岩为Ⅲ级４５９５ｍ，占４３.１％，Ⅳ级４６８０ｍ，占４３.９％，Ｖ级１３３５ｍ，占１２.５％，明洞５０ｍ，占０.５％。
２ 隧道掘进支护一体化施工技术设备与工艺介绍
２．１ 隧道掘进支护一体机介绍
新方斗山隧道掘进支护一体化施工技术，采用的掘进支护一体机是一款集隧道开挖和初期支护于一体的集成化设备，该设备集成凿岩炮孔、装药、爆破开挖、非爆破碎开挖、出渣、立架、锚杆、超前、锁脚、注浆、喷浆等所有功能于一体，实现掌子面全工序机械化平行作业。该掘进支护一体机主要由台架总成、掘进系统、拱喷臂、左右立拱臂、锚杆臂、举升机构及行走系统等部件构成。掘进支护一体机各设备配置功能如下：掘进系统用于实现掌子面掘进开挖；左右立拱臂配合可以实现折叠拱架立架作业；锚杆臂可以实现超前锚杆、系统锚杆、锁脚锚杆作业；举升机构用于举升、转运折叠拱架。
２．２ 隧道掘进支护一体化施工工艺
２．２．１ 隧道掘进支护一体化施工工艺的优点
采用隧道掘进支护一体化施工技术进行隧道掌子面相关工序施工，施工顺序与传统大机配套基本一致，但相比传统大机配套施工，一体机集成化程度高，节省了大量设备转换的进出转场时间。同时，掌子面施工作业工序可实现平行作业或工序无缝衔接，实现多机联动，缩短各机具等待时间，有效提升隧道整体施工效率。
２．２．２ 施工流程
施工开始，先进行测量放样及钻孔作业，利用掘进支护一体机自带的测量放样平台，依据爆破设计的钻孔孔位布置，采用４条凿岩臂开展钻孔凿岩工作。凿岩过程可实现自动钻进，操作人员仅需辅助将凿岩臂移动至下一个孔位，即可实现掌子面炮孔的快速凿岩。钻孔完成后进入装药作业，借助掘进支护一体机３条臂带安装的３个吊篮，可满足８人同时进行装药作业，大幅提升了装药效率。装药结束后实施爆破作业，掘进支护一体机退车时，依托设备集成的自动纠偏功能，退车过程无须人工调整姿态，电缆水管可自动收放，节省人工体力；一体机退至安全位置后，竖起自带防护板，既能减轻爆炸冲击，也能延长设备使用寿命。
爆破作业完成后，采用配套装载机联合渣车进行高效出渣。当出渣达到掘进支护一体机可移机至掌子面的条件时，掘进支护一体机移机到位，利用自身携带的喷浆设备开展初喷混凝土作业，同时借助掘进支护一体机门洞下部空间平行进行出渣作业，实现工序衔接高效，缩短作业时间。
初喷完成后，进入立架、钢筋网及锚杆作业环节。首先进行材料准备，钢拱架、钢筋网、连接筋及锁脚锚管均在钢材加工厂集中加工制作，其中钢拱架采用三榀铰接拱架，并提前焊接好钢筋网和连接筋，再由运输车辆运送至施工现场，有效节省立架作业时间。平行作业完成后，通过掘进支护一体机左、中、右３条立拱架臂进行立架作业，中立架臂将提前存放在台架上方的３榀铰接拱架输送至掌子面，左右立架臂分别抓取左右段拱架并固定，作业人员在吊篮内完成折叠拱架的连接固定；锚杆施作则由掘进支护一体机左、右钻拱臂配备的凿岩模块，协同２条凿岩臂共同完成锁脚、超前及系统锚杆的施工。
最后进行复喷混凝土作业，可利用一体机自带的喷浆设备完成，也可在掌子面额外配置１台湿喷台车与掘进支护一体机联合作业。复喷混凝土期间，掘进支护一体机可同步平行开展掌子面钻孔作业，实现多工序并行推进，有效节约工序时间，提升整体施工工效。隧道掘进支护一体化施工作业设备形态及作业工序流程如图１所示。
３ 隧道掘进支护一体化施工技术效益分析
３．１ 施工特点
经对新方斗山隧道掘进支护一体化施工技术现场施工情况总结分析可知，相比全工序机械化配套施工，掘进支护一体化施工具备可平行作业、高集成、高智能、高安全性、高质高效等特点。
３．１．１ 高集成
隧道掘进支护一体化施工集凿岩炮孔、装药、爆破开挖、拱架安装、锚杆作业、支护、喷浆等功能于一体，可减少不同设备的转场协调，节省工序衔接时间，能够多工序平行作业，节约工序时间，提升施工工效。
３．１．２ 高智能
掘进支护一体机自带信息化集成系统，配备有项目管理、工序自动识别、视频监控等功能。掘进支护一体机使用过程中可对关键设备数据和报警信息进行记录与储存，可智能提醒设备维护保养需求。
３．１．３ 高安全性
采用隧道掘进支护一体化施工时，凿岩、出渣、支护、锚杆、喷浆均由机械臂施工，现场作业人员只需辅助配合作业，可以节省人员进入掌子面时间，各工序作业时大部分操作人员是站在台架下遥控操作，施工更安全。
３．１．４ 高质高效
１）凿岩作业采用４臂凿岩，相比现有３臂凿岩提效２５％，增加自动凿岩、凿岩机构自调平辅助对孔、凿岩深度角度可视化辅助作业功能，可满足超深钻孔爆破作业。
２）立架作业时，主臂负载４.５ｔ，副臂负载２ｔ，可一次完成最多５榀拱架抓取，焊网片和锚杆工序可平行施工，节省单工序时间。
３）喷浆作业利用掘进支护一体机自带的喷浆系统，架臂结构采用成熟的喷浆臂结构，保证灵活性，提高泵送压力，优化管路，减少堵管风险。门洞空间可进出湿喷机、罐车，满足双喷浆作业。
４）掘进支护一体机移动过程中，水电管线通过电动卷筒收放，节省拆装时间。掘进支护一体机门洞下方空间，满足装载机、搅拌车、湿喷机、渣车等设备的进出，可实现工序平行作业，节省设备等待时间。
３．２ 施工工效分析
采用隧道掘进支护一体化施工时集成化程度高，施工作业工序平行，节省了传统施工方法所需要的频繁工序转换和设备进出场的时间。同时集成化作业，减少用工人数，大幅降低了劳动力的投入。从表１来看，相比人工钻爆模式及大机配套模式施工，利用掘进支护一体机在减少施工人员、降低施工循环耗时上具有优势，可直接提升项目整体经济收益率。对比传统大机配套设备施工，效率提升约２０％～３０％。
３．３ 经济效益分析
３．３．１ 机械设备费
根据调研分析，隧道大机配套模式下掘进支护施工需配置凿岩台车、拱架安装机、湿喷机械手等设备，隧道掘进支护一体化施工工艺中配置掘进支护一体机可替代以上设备，但设备配置成本有一定提升。两种模式下设备配置成本对比如表２所示。
３．３．２ 能耗费
经对新方斗山隧道掘进支护一体化施工能耗统计分析，对比同标段大机配套模式下设备能耗得出，配置掘进支护一体机可有效降低设备每延米能耗成本。两种模式下设备能耗成本对比如表３所示。
４ 结语
隧道掘进支护一体化施工技术集成化程度高，可在一定程度上实现掘进、出渣、立架支护、喷浆等工序的平行作业，相较于大机配套施工模式下，在降低劳动人员数量，节省工序循环施工时间方面存在较大优势。隧道掘进支护一体化施工技术机械化程度高，在提升施工工效的情况下，有效提升了掌子面作业人员的安全保障。隧道掘进支护一体化施工在提升隧道工程施工整体进度与安全性方面具有重要现实意义，对类似隧道工程施工具有借鉴意义，推广应用前景广阔。