基于机械化配套的大跨公路隧道施工效率优化研究
０ 引言
２１世纪以来，公路隧道建设规模迅猛发展，行业发展及政策导向对隧道施工质量与施工效率提出了更高要求，“安全、优质、快速、高效”成为公路隧道建设的必然趋势。但是，我国人口老龄化加剧，工程建设领域面临严重的人力资源短缺问题。面对公路隧道施工的新变化、新需求，“机械化换人、自动化减人、施工机械化、机械国产化”已成为公路隧道施工行业发展的必然趋势，也是行业转型的必经阶段。
目前，铁路隧道领域将隧道机械化配套分为Ⅰ型机械化配套、Ⅱ型机械化配套和常规机械化配套。王飞阳以川藏铁路为背景分析了３种机械化配套的适用性及经济性。王志坚以郑万高铁湖北段隧道机械化施工实践为基础，提出了高速铁路山岭隧道智能化建造技术的总体架构。张晓东介绍了阿联酋铁路隧道机械化施工工艺，对比分析了机械化配套施工与传统方法施工的工序时间和施工工效。杨文龙针对三臂拱架安装台车参数和性能、施工工艺、与传统台车对比应用效果等多方面进行分析。尹江等介绍了单线铁路隧道三臂凿岩台车在开挖钻眼施工中的应用。
与铁路隧道机械化施工技术相比，公路隧道机械化施工技术相对落后，但正在快速提高。黄维科依托龙昌隧道，采用大断面法机械化施工，提出“９＋Ｎ”设备高度配合隧道建设施工系统。左小伟介绍了深汕西高速超大跨隧道机械化设计与施工技术。梁淦波依托深汕西超大跨公路隧道施工，对“一洞九线”大型机械化工装配置以及相关优化设计等方面技术进行了研究。
公路隧道全工序机械化施工正在快速推进，但是隧道全工序机械化施工设备成本高、初期投资大、技术要求高，在推广应用中存在阻力。当前，结合工程实际情况，针对部分关键工序采用机械设备，以提高施工效率，是一种平衡之选。本文依托大王山大跨三车道公路隧道，基于现场工序耗时统计分析，提出了机械化装备优化措施，并分析了优化后机械化施工的效率与经济效益，以期为相关工程提供参考。
１ 工程概况
鄂州机场高速公路二期工程位于湖北省东南部，连接黄石市与鄂州市，全长３６ｋｍ，设计时速１２０ｋｍ，主线采用设计速度１２０ｋｍ／ｈ的双向六车道高速公路标准建设，是《湖北省综合交通运输发展“十四五”规划》中的高速公路重点项目。为确保项目隧道按期贯通目标，需科学配置机械化装备，高质量推进项目建设。
大王山隧道为一座双向六车道分离式隧道，如图１所示，全长２７００ｍ，隧道净空１５.２５ｍ×５.０ｍ，是该项目控制性工程，也是湖北省首座双向六车道分离式隧道。隧道施工面临工程难度大、工期紧张难题，亟须引进机械化装备等措施，推进项目高品质建设。
大王山隧道围岩以凝灰质粉砂岩为主，其中Ⅲ级围岩长１０４５ｍ、Ⅳ级围岩长１３５０ｍ、Ⅴ级围岩长３０５ｍ，Ⅲ、Ⅳ级围岩占比超过８５％，以硬质岩为主，具备机械化快速施工地质条件。Ⅳ级围岩段采用二台阶法开挖。
２ 大跨公路隧道施工装备配套优化
２．１ 人工施工装备配套
隧道施工过程中，为了实现高效、连续、并行作业，通常分为超前地质预报作业线、开挖作业线、出渣作业线、支护作业线、仰拱作业线、防排水钢筋作业线、二衬作业线、沟槽作业线和辅助作业线等９条作业线。
以人工为主的传统钻爆法施工机械化程度较低，主要体现在开挖作业线采用人工手持风动凿岩机钻孔装药，隧道钢拱架人工安装采用传统台架及人抬肩扛施工。大王山隧道原施工方案即采用以人工为主的传统钻爆法机械化施工，机械配置如表１所示。通过现场调研，统计分析了开挖支护１５个循环各工序作业时间，统计结果如图２所示，结果表明，耗时占比前三的工序分别为喷浆作业、立架作业、钻孔作业，占比分别为２８.１％、２０.１％、１８.１％。
２．２ 机械化施工装备配套
针对９条作业线，钻爆法大型机械化施工通常会配置凿岩台车、拱架台车、湿喷台车、液压栈桥、挂布台车、模板台车、养护台车、沟槽台车，以及大功率挖机、大斗容量装载机、自卸车及变压器站、空压机房等辅助设备。隧道机械化施工可减少掌子面施工人员数量、降低工人劳动强度、提高施工效率，但隧道施工机械设备价格昂贵，初始投资与养护成本较高。因此，平衡施工效率需求与施工经济性进行机械化配套是目前推进公路隧道机械化施工的关键。
考虑现场钻孔作业、立架作业全人工施工劳动强度大，安全性与施工效率低，引进凿岩台车与立架台车，实现“机械化换��、机械化减人”。根据现场观察，喷浆作业时湿喷车先完成下台阶拱墙喷浆再开展上导洞喷浆，由于机械数量不足导致施工效率低，因此，在原有１台湿喷车的基础上增加至２台。凿岩台车按照机械臂数量可分为双臂凿岩台车、三臂凿岩台车，机械臂数量决定凿岩台车作业效率。大王山隧道为大跨隧道，上台阶掌子面宽约１５.５ｍ，高约７ｍ，具备足够作业空间，满足两台双曲臂凿岩台车作业空间需求，因此引入２台ＷＤ２００Ｅ双曲臂凿岩台车、１台ＨＬＣ３１２Ｅ立拱装药台车，具体机械配置见表１。
３ 大跨隧道机械化施工关键工序分析
３．１ 开挖作业
大王山隧道开挖作业采用２台ＷＤ２００Ｅ双曲臂凿岩台车钻孔，如图３所示。台车尺寸９.５５×２.４８×３.６１ｍ，最大作业范围（高×宽）１１.０ｍ×１６.０ｍ，最小作业范围（高×宽）６.１ｍ×５.５ｍ，凿岩机钻孔直径４１～８９ｍｍ，最大钻孔深度４０３０ｍｍ，适用断面大小３０～１５４ｍ²，大王山隧道上导洞断面净空约１５.５×７.０ｍ，满足两台台车同时作业空间需求。
凿岩台车施工工艺流程为：测量放线→凿岩台车就位→水电连接→测量定位→钻孔→凿岩台车退出→装药台车就位→炸药装填→雷管连线→装药台车退出→响炮→出渣。钻孔作业通常需配备４名机械臂操作手及２名辅助作业工人。人工钻孔隧道施工采用全人工打钻，需配置开挖台架１台、风动凿岩机１５台、操作工人１５名。
根据现场１５个施工循环统计，人工配合风枪钻孔约为１０ｍｉｎ／孔，单循环时间约为４.５ｈ。机械化钻孔施工单孔作业操作手调整曲臂的时间约１.５ｍｉｎ，钻孔时间约１.５ｍｉｎ（４ｍ孔深），单孔作业时间约为３ｍｉｎ／孔，单孔钻孔效率提升３.３倍，两台双曲臂凿岩台车同时工作下，钻孔作业总时长约为３.５ｈ，钻孔作业效率提升约１.３倍。
相同断面下，两台双曲臂凿岩台车钻孔时间比１５名工人同时作业少１.０ｈ，掌子面作业人数减少９人。采用机械化钻孔施工，一方面提高了施工效率，降低了工人劳动强度，另一方面，凿岩台车操作手远离掌子面操控机械臂，消除了打钻时人员暴露于围岩下的安全隐患，大幅降低了打钻时的安全风险。
３．２ 立架作业
大王山隧道针对隧道立架作业采用装配式钢拱架后场预制、前场机械立架的施工模式。装配式钢拱架是把钢拱架按环向分为３段，每段３榀，在钢筋加工厂对工字钢、钢筋网片、纵向连接钢筋进行集中加工，形成装配式钢拱架，如图４所示，通过装载机装卸至掌子面后。立架作业时，采用立架台车机械臂把３段拱架对接后采用螺栓进行连接即可，省去了洞内作业时的网片和连接筋安装时间，如图５所示。
大王山隧道采用的是ＨＬＣ３１２Ｅ立拱装药台车，集拱架安装、钢筋网铺设、爆破装药等多种高空作业功能为一体。台车外形尺寸９.２×３.２×３.５ｍ，最大施工断面１８.０×１２.０ｍ，最小施工断面５.０×６.０ｍ，单臂最大承载负荷３０００.０ｋｇ，主臂最大举升高度１２.０ｍ，满足大王山隧道施工需求。
根据现场统计数据，采用人工立架，拱架未提前预制，需工人现场拼接工字钢、焊接钢筋网片等，每循环立拱３榀、间距１ｍ，平均用时５.０ｈ，配置立架工人８名。采用拱架安装台车每循环立拱３榀、间距１ｍ，拱架提前预制组合，平均用时２.５ｈ，其中立拱２ｈ、安装连接筋０.５ｈ，配置操作人员２人、辅工２人。相同工况条件下，机械化立架时间与所需工人数量均缩短至原来的５０％，同时，装配式拱架采用空间实时装配、一次成型，可以很好地避免单榀拱架缺少空间约束导致的整体失效，对于支护早期强度的发挥和围岩变形的及时控制具有重要的作用。
４ 施工工效对比分析
４．１ 施工效率对比
大王山隧道Ⅳ级围岩段采用二台阶法施工，单循环进尺３ｍ。经现场统计分析，引入双曲臂凿岩台车、立拱装药台车、湿喷机械手，提高隧道机械化水平及施工效率。通过对人工钻爆法施工和机械化钻爆法施工各１５个施工循环的统计，施工工序时间对比如图６所示，测算得到，开挖支护作业总时间由２４.９１ｈ减少至１９.４１ｈ，单循环缩短５.５ｈ，机械化施工效率提高了２０.９％。现场施工进度为每月２５个循环，可节约时间１３７.５ｈ。
４．２ 施工经济效益对比
机械化施工前期投入高，台车价格受设备型号、配置、功能定制化等多方面影响，大王山隧道现场所使用凿岩台车单台价格约２５０～３００万元，立拱装药台车价格约１００～１５０万元，同时，机械保养维护及其他费用提高２７９％。但是，机械化施工人工费用有所降低，如表２所示，钻孔作业、立拱作业分别降低２４.６５％、１６.８６％。
保养维护及其他费用具体如下：机械开挖钻杆１６８５元／根，钻头１５３元／个，日常保养＋维修２００００／月，大修４５０００元／半年，平均每月消耗钻杆１２根，钻头５５个，共计５６１３５元／月；人工开挖钻杆２５０元／根，钻头４５元／个，风枪保养１０００元／月，平均每月消耗钻杆３８根，钻头９６个，共计１４８２０元／月，保养维护及其他费用提升２７９％。
５ 结语
针对三车道大跨公路隧道施工效率提升需求，对机械化配套与快速施工技术进行研究，主要得出以下结论：
１）三车道大跨公路隧道采用传统人工钻爆法机械化施工时，单循环耗时最长的工序分别为钻孔作业、立架作业、喷浆作业；
２）三车道大跨公路隧道掌子面作业空间较大，能够满足２台双曲臂凿岩台车同时作业。单洞可配备２台双曲臂凿岩台车、１台立架装药台车、２台湿喷车，使隧道机械化施工效率达到最优；
３）双曲臂凿岩台车单孔钻孔时间约３ｍｉｎ，相较人工缩短７ｍｉｎ，钻孔作业工序总时间缩短１.０ｈ，作业人数减少９人。人工费用降低２４.６５％，保养维护及其他费用提升２７９％。总体而言，提高了施工效率，降低了工人劳动强度与打钻时的安全风险；
４）隧道立架作业采用装配式钢拱架后场预制、前场机械立架的施工模式，立架作业工序时间缩短２ｈ，作业人数减少４人，人工费降低１６.８６％，对于支护早期强度的发挥和围岩变形的及时控制具有重要的作用；
５）通过引入机械化装备，使单循环时间由２４.９１ｈ减少至１９.４１ｈ，单循环缩短５.５ｈ，机械化施工效率提高了２０.９％。