高速铁路隧道支护结构机械化施工技术.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１９）０２０１２１０６‘．．．】Ｃｊ同・隧道／地下工程・速铁路隧道支护结构机械化施工技术王更峰（中铁十一局集团第四工程有限公司湖北武汉４３００７４）摘要：随着我国高速铁路工程建设的迅速发展，隧道工程的数量、难度和质量要求与日俱增。而传统的人工喷射混凝土、拼装钢拱架和浇筑二衬混凝土的施工模式难以满足新时代对施工安全、施工效率、工程质量的要求。因此，研发高速铁路隧道支护的新型机械化成套装备与施工方法势在必行。本文依托某高铁高家坪隧道工程，研究了采用混凝土湿喷机械手、钢拱架拼装机、三臂凿岩台车、涨壳式锚杆、自行式仰拱栈桥、水沟电缆槽台车、新型衬砌台车等成套设备的新型隧道支护机械化施工技术。结果表明，在隧道支护施工阶段，引入先进的机械设备并采用相应的机械配套技术，可显著提高生产率、施工安全及质量，降低施工成本并减轻工人劳动强度，研究成果可为类似工程提供借鉴。关键词：高速铁路隧道工程机械化施工支护结构中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１９．０２．０２８ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒＳｕｐｐｏｒｔｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｕｎｎｅｌＷａｎｇＧｅｎｇｆｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１１山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ４山ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｎｕａｌｗｏｒｋｏｆｓｈｏｔｃｒｅｔｉｎｇ，ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｓｔｅｅｌａｒｃｈａｎｄｃａｓｔｉｎｇｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｉｎｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｎｅｗｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎｓａｆｅｔｙ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙ．Ｉｔｉｓｉｍｐｅｒａｔｉｖｅｔｏｄｅｖｅｌｏｐｎｅｗｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｓｅｔｓｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｕｎｎｅｌｓｕｐｐｏｒｔｏｆ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｄｕｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｑｕａｎｔｉｔｙ．ｑｕａｌｉｔｙａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＧａｏｊｉａｐｉｎｇｔｕｎｎｅｌｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｅｗｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｕｎｎｅｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔＷａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅｗｅｔｓｈｏｔｃｒｅｔｅｍａｃｈｉｎｅ，ｓｔｅｅｌａｒｃｈａｓｓｅｍｂｌｙ—ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｒｅｅａｒｌｎｄｒｉＵｉｎｇｊｕｍｂｏ，ｓｈｅｌｌ・ｅｘｐａｎｄｉｎｇｂｏｌｔ，ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｉｎｖｅｒｔｅｄａｒｃｈｔｒｅｓｔｌｅ，ｇｕｔｔｅｒｍａｃｈｉｎｅａｎｄｎｅｗｔｙｐｅｌｉｎｉｎｇｔｒｏｌｌｅｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅｓｔａｇｅｏｆｔｕｎｎｅｌｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄａｄｏｐｔｉｎｇｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍａｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔａｎｄｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｗｏｒｋｅｒｓａｒｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｔｕｎｎｅｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；ｔｕｎｎｅｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１引言随着我国交通事业的迅速发展，使得隧道工程——收稿日期：２０１８１２２５基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（２０１７Ｇ００７一Ｌ）作者简介：王更峰（１９７９一），男，湖北襄阳人，高级工程师，博士，主要从—事隧道及地下工程建造技术研究工作；Ｅｍａｉｌ：１９６２９１８１２＠ｑｑ－ｅｏｌ／１的建设总量成倍增长。然而如此庞大的隧道建设总量，加之不断提高的质量要求、建设难度以及逐渐上升的劳动力成本等多方面因素给予了建设单位极大的负担¨１。在这大环境下，推动施工机械化成了隧道工程的当务之急。机械化施工可在降低施工过程中劳动力的需求同时，加快工程进度的推进，提高工程的经济效率，与传统施工相比，其工程铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１９（０２１１２１万方数据・隧道／地下工程・快速施工和工程质量已成了目前我国隧道施工机械化作业的当务之急¨０。１１ｏ。本文结合某高铁高家坪隧道工程，分别从初次支护、仰拱施工以及二次衬砌施工三个方面着重探讨了高速铁路隧道支护结构的机械化施工技术，为类似工程提供了借鉴。２工程概况高家坪隧道位于湖北省南漳县李庙镇境内，中图１混凝土湿喷机械手３．２拱架机械化快速安装国内隧道修建安装拱架主要采取人工拼装，但沉重的拱架配件使得施工班组需要配置大量的劳动人员，且劳务繁重，施工安全亦得不到有效保证。高家坪隧道拱架安装采用铁建重工ＳＣＤｌ１２多功能拱架安装机（见图２），拱架的拼装效率得到了迅速提升，无论现场作业人员的安全，或是工程质量与安全均得到了有效保障，提高了工程的经济效益。万方数据・隧道／地下工程・段里程进行锚杆工艺性试验，将原设计拱部组合中空锚杆及边墙砂浆锚杆采用新型ＤＣＰ／ＹＥ锚杆代替。锚杆施工主要设备有：铁建重工ＺＹＳｌ１３全电脑三臂凿岩台车、ＳＣＤｌｌ２多功能拱架安装台车、冲击式风动扳手、ＪＲＤ５００Ｂ拌和、灌浆一体机及ＢＪ－３００注浆自动记录仪等机械化设备，具体设备见表１。表１锚杆施工设备统计序号设备名称型号数量ｌ三臂凿岩台车铁建重工ＺＹＳｌｌ３ｌ台２多功能拱架安装台车铁建重工ＳＣＤｌ２１台３冲击风动扳手７４６２２台４拌和、注浆一体机ＪＲＤ５００Ｂ２台５注浆自动记录仪ＢＪ－３００２台６单排座注浆车江淮１台采用ＺＹＳｌｌ３三臂凿岩台车钻孔（见图３），台车自带吊篮辅助安装锚杆，具有钻孔速度快，钻孔、安装平行作业，节省人工，安全、高效的特点。一图３ＺＹＳｌｌ３三臂凿岩台车利用三臂凿岩台车自带空压机为风动扳手供风，台车吊篮供风口与风动扳手风管连接施加锚杆预应力。７４６２冲击式风动扳手（见图４）可以精确地给锚杆施加预应力，不但能够严格控制锚杆施作质量，显著提高生产率，而且可以大大减轻工人劳动强度。高注浆速率，构建由２台注浆机与１台注浆车辆构成的注浆工序单元，使得注浆设备与材料统一于车辆之中，提升注浆速率。图５ＳＣＤｌｌ２拱架安装台车４仰拱机械化施工设备与作业模式４．１自行式仰拱腹模一体式栈桥施工为提高施工效率和施工质量，高家坪隧道仰拱施工采用自行式仰拱腹模一体式栈桥施工，如图６所示。一体化移动式栈桥组成结构包括由１０个以上伸缩单元组固定连接组成的栈桥主体以及折叠式桥板；将折叠式桥板设置于伸缩单元的上端，与之一一对应。其结构简单、便于操作，可在现场进行快速布设，具有较强的抗毁能力、稳定性、可靠性以及通行能力，使得传统式栈桥上掌子面开挖支护施工与仰拱的施工无法同时进行的问题得到有效解决。一图６移动式栈桥相比传统仰拱施工方法而言，一体移动式栈桥施工方法的浇筑跨度较大，进行一次浇筑的长度可以达到２０ｍ，施工缝数更少，整体性更佳，其防水性能得到显著提升；施工阶段采用整幅式浇筑，不留纵向施工缝，仰拱的力学性能得到进一步优化；栈万方数据・隧道／地下工程・工安全，确保了施工进度的高效推进。４．２中心水沟机械化施工高家坪隧道采用自行设计和加工的隧道中心水沟移动模架，实现了中心水沟浇筑一体化施工，施工质量与效率得到显著提升，大大降低了施工成本。移动模架由支架系、模板系和定位系三系构成，其中支架系包括：主纵横梁、行走轮等；模板系包括：主模板、挡头模板；定位系包括：横向螺杆、竖向螺杆、微调螺杆等，如图７所示。移动模板采用大尺寸定型钢模制作而成，使得作业人员工作强度大大降低，在一定程度上消除了由于人工操作不当造成的工程缺陷，使得结构的外观与质量得到有效保障。图７中心水沟移动模架通过模架可迅速完成大块模板与定位系统的组装工作，并借助机械将移动模板整体牵引至下一组，消除了传统小钢模等零散拼装施工效率低下、劳动强度高等问题；同时，模架造价低、易于操作，有效降低传统方法中临时支撑的材料成本，施工效率及效益均可得到显著提升。５二次衬砌施工设备与作业模式５．１钢筋机械化安装高家坪隧道采用自动式整体模板台车，如图８所示。自动式模板台车车架上布置有钢筋工作平台，钢筋工作平台连接有升降臂，升降臂连接有升图８自动式模板台车图９二次衬砌台车结构图１０为二次衬砌台车行走定位系统。台车前后３Ｄ扫描仪定位，把需要偏转的角度和位移通过自动调整左右、上下油缸来实现台车拱形骨架和模板的精确定位，通过立模油缸来实现精确立模。降驱动装置，可以起吊钢筋，还可以满足其他施工图１０二次衬砌台车行走定位系统同行的需要，有效降低安全隐患，保证施工进度，台车采用遥控控制。图１１为二次衬砌台车浇筑系统。通过混凝土５．２二次衬砌机械化安装输送台车把混凝土泵送至浇筑机械手，机械手可以高家坪隧道二次衬砌施工采用二次衬砌台车纵向和环向运行从而实现左右平衡分层逐窗带压全机械化安装，台车结构如图９所示。台车配备行浇筑，整个浇筑过程混凝土不易漓析。整套浇筑系走定位、浇筑、振捣、端头模板系统。统只有在浇筑头处使用了一小段软管，具有不易堵１Ｚ４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１９ｆ０２Ｊ万方数据・隧道／地下工程・管和易清洗的优点。整个浇筑过程只有一套浇筑机械手工作，另一套备用，这样能够保证整个浇筑过程的效率。图１１二次衬砌台车浇筑系统混凝振捣优先采用外部振捣，因外部振捣易实现自动化控制，且人工强度小。气动振捣器因振动频率高、对台车结构影响小而在国外广泛应用于隧道二次衬砌台车上（见图１２）。且通过振动分析仪，能够实时监测振动时间、振动频率、振动振幅和振动加速度等振捣参数，从而保证混凝土浇筑以及最终产品和工程的质量。图１２二次衬砌台车气动振动器５．３二次衬砌机械化带模注浆工艺为了实现对二衬拱顶的脱空及带模注浆，将二衬台车进行适当改进，在二衬台车的拱顶设置４个孔槽，如图１３ａ所示，而后将固定法兰满焊于孑Ｌ槽处，用以固定ＲＰＣ注浆管及定位法兰，最终使固定管底部有效连接注浆机注浆管，如图１３ｂ所示。通过设备的改造，实现了在不脱模的工况下完成二衬拱顶的脱空及注浆施工，确保了二衬拱顶的密实，施工效率得到了显著提升。ａ．开孔布置ｂ．注浆机连接图１３二衬台车改造示意通过对二衬台车的改造实现了带模注浆，衬砌拱顶脱空问题得到了有效解决，其注浆耗时更短，对于后续的工程干扰更小，并使得注浆与衬砌混凝土较好地形成统一整体。６结束语某高铁高家坪隧道工程，针对其支护工程，分别从初次支护、仰拱施工以及二次衬砌施工三个方面对其机械化施工技术进行探讨：（１）对于初次支护工程，采用混凝土湿喷机械手进行湿喷作业，有效保证施工人员的安全，改善了隧道施工环境，节省了材料及成本，提高了施工质量及经济效益，有效地解决了传统干喷工艺中存在的高粉尘、高回弹和低质量等难题；采用铁建重工ＳＣＤｌ１２多功能拱架安装机进行拱架安装，拱架的拼装效率得到了迅速提升，无论现场作业人员的安全，或是工程质量与安全均得到了有效保障，提高了工程的经济效益；采用ＤＣＰ／ＹＥ锚杆并配合全电脑三臂凿岩台车、多功能拱架安装台车、冲击式风动扳手、拌和、灌浆一体机及注浆自动记录仪等机械化设备，可显著提高生产率、施工安全及质量，亦可极大减轻工人劳动强度。（２）对仰拱施工，采用自行式仰拱腹模一体式栈桥施工，解决了传统式栈桥上掌子面开挖支护施工与仰拱的施工无法同时进行的问题。同时采用自行设计和加工的隧道中心水沟移动模架，实现了中心水沟浇筑一体化施工，施工质量与效率得到显著提升，大大降低了施工成本。（３）对二次衬砌施工，采用自动式整体模板台车，可满足其他施工同行的需要，有效降低安全隐患，保证施工进度。通过对二衬台车的改造实现了带模注浆，衬砌拱顶脱空问题得到了有效解决，其注浆耗时更短，对于后续的工程干扰更小，并使得注浆与衬砌混凝土较好地形成统一整体。参考文献［１］刘运．高速公路下穿隧道施工仿真分析［Ｄ］．武汉：—武汉理工大学，２０１０：２３６７．［２］李彦乐．特长隧道水沟电缆槽整体移动模架施工技术—［Ｊ］．山西建筑，２０１６，４２（７）：１９１１９３．［３］张伟，陈建民，金明亮，等．基于双臂凿岩台车隧道机械化施工配套技术经济性研究［Ｊ］．筑路机械与施工—机械化，２０１５，３２（６）：９９１０２，１０６．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１９（０２ｌ１２５万方数据・隧道／地下工程・［４］［５］［６］［７］［８］刘进军．高速铁路长大隧道施工机械配套技术研究—［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１２：５７．徐光和．长大隧道快速施工技术［Ｊ］．铁道工程学报，—２００７（Ｓ１）：３８５３８８．黄成光．公路隧道施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社，—２００１：１０２１３２．李朋伟．基于多臂凿岩台车和湿喷机组的公路隧道施工机械化作业模式研究［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，—２０１４：２２２３．赖涤泉，汪西应，王金祥．隧道安全快速施工机械化关（上接第１１７页）表４新新区间带压开仓河面气泡统计序号时间位置单位数量备注ｌ９．１刀盘前方５ｍ个３气泡不大２９．２刀盘前方５ｍ个３气泡不大气泡数量增多，３９．３刀盘左前方２ｍ个４气泡变大气泡数量增多，４９．４刀盘前方５１１１个８有部分气泡变大气泡数量减少，５９．５刀盘前方３Ｉ／１个７气泡变小气泡数量减少，６９．６刀盘前方３ｍ个７气泡变小气泡数量增多，７９．７刀盘前方３ｍ个１６有部分变大气泡数量增多，８９．８刀盘前方３ｎ１个２１有部分变大键技术与装备研究［Ｊ］．建设机械技术与管理，２００９，—２２（１１）：１０７１１３．［９］——关宝树．漫谈矿山法隧道技术第十一讲谈隧道施—工机械化［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（１０）：１１６３１１７０．［１０］曹科．特长铁路隧道机械化施工设备配套技术探讨—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（６）：１５１８，３６．［１１］孙振宇．机械化栈桥在隧道施工中的应用探讨［Ｊ］．铁—道建筑技术，２０１３（ｓ１）：２１９２２１，２５０．［１２］高军．郑万高铁隧道新型锚杆施工工艺性试验研究—［Ｊ］．铁道技术监督，２０１８，４６（１）：３４３７．———’—■——————————－・卜－－＋一一一一一－－＋一－・卜－＿卜－－卜－－＋一一卜一＋－－＋一・＋一一・卜一＋－＋一・卜一＋－＋－ｔ－＋一＊＋・构在黏土地层掘进排渣不畅情况，采取带压进仓割除排浆管格栅施工技术，并结合泥水盾构渣土分离情况，有效解决了设备设计限制造成的掘进困难问题，最终实现了盾构安全、顺利地通过故黄河及其支流并完成整个区间掘进任务，为下一步类似工程施工积累了经验。参考文献万方数据