中铁十二局集团有限公司 山西太原
摘要：随着社会的发展，科技的进步，机械化、智能化配套工装是隧道施工发展的趋势。根据隧道施工作业线合理配置先进工装，能提升施工生产效率，保证工程质量，保障施工安全。
关键词：机械；配套工装；隧道
随着社会的发展，科技的进步，机械化、智能化配套工装是隧道施工发展的趋势。根据隧道施工作业线合理配置先进工装，能提升施工生产效率，保证工程质量，保障施工安全。现以张吉怀铁路新华山隧道为例，简介当前先进工装合理配套后的经济效果。
1工程概况
新华山隧道全长5930m，隧道穿越9个断层，为I级风险隧道，施工难度较大，工期压力较为突出。该隧道共设置辅助坑道两座：即1座平导、1座横洞，含进出口共设置6个作业面，其中我分部负责出口段DK30+252～DK32+034段1782m施工任务。洞身围岩主要为石英砂岩，洞口地段含少量砂质板岩。设计Ⅲ级围岩1372m，占比77%，Ⅳ级围岩310m，占比17.4%，Ⅴ级围岩80m，占比4.5%。
2机械配套及经济效果
坚持“以工法定工装，以工装保工艺，以工艺保质量”的质量管理理念，不断完善隧道施工机械化工装，新华山隧道出口按照Ⅰ级机械化配套标准，打造“洞口工厂，洞内车间”，形成了隧道施工6条作业线，分别为开挖作业线、锚喷支护作业线、仰拱填充作业线、防排水作业线、衬砌作业线、沟槽施工作业线，基本实现隧道施工全工序机械化作业。新华山隧道出口配置的主要工装设备见表1。
表1 主要工装设备配置表
.png)
2.1开挖作业线
新华山隧道出口配备了2台铁建重工产的ZYS113型三臂凿岩台车，该凿岩台车全长16.1m，最大作业覆盖面积为11.3×16.6m。
.png)
.png)
ZYS113型三臂凿岩台车 数字化控制面板
.png)
钻孔布置图 自动钻进
三臂凿岩台车集行走、凿岩和装药于一体，整体性能稳定，操作简单，钻孔速度快，功能集成性好，安全系数高，施工成本低。三臂凿岩台车数字化的全智能控制系统可实现车辆自动定位、臂架姿态自动调整的功能，可将提前设计好的钻孔布置图导入凿岩台车控制系统实现自动化钻孔，具有超前地质勘探和地质分析、开挖面轮廓扫描、凿岩参数和数据存储与传输等数字化功能。
三臂凿岩台车钻孔相比传统人工钻爆法开挖具有以下优点：
（1）每台车每班配备3名操作人员，每日分两班施工，两台三臂凿岩台车共配置12名操作人员，较传统人工钻爆减少24人，有效减少了工人劳动强度。另外，掌子面作业人员数量减少，安全性更高。
（2）通过机械化配套，目前掌子面IV级围岩采用全断面带仰拱一次开挖。每循环进尺3m，共220个炮眼，平均钻孔速度2.5m～3.5m/min，单孔成孔时间约2分钟（含对位、退出等辅助时间），每循环作业时间约3小时（其中：钻孔时间约2小时，准备及退场时间约1小时）。相比传统人工钻爆开挖，钻孔时间节约约2小时。
（3）三臂凿岩台车钻孔由电脑控制，炮孔底端在同一平面上，炮孔利用率高。
2.2锚喷支护作业线
新华山隧道出口配备了1台XM1200型三臂拱架安装台车和2台五新CHP25B（A4系列）湿喷机械手。
2.2.1三臂拱架安装台车
采用三臂三平台、三臂三抓手、柴电双动力、重力自适应、全尺寸夹具等核心结构设计。三臂可同时或独立抓举拱架并连接，可完成拱架间连接筋与网片焊接、安装锚杆和找顶、测量、装药等其他高空作业。
1个主臂最大安装高度和水平外伸12m，最大举升重量1.1吨；2个辅助臂最大安装高度12m、最大水平外伸13m，最大举升重量0.7吨。
.png)
三臂拱架安装台车 现场作业
三臂拱架安装台车较传统拱架安装台车具有如下优点：
（1）解决了人工安装拱架劳动强度大、作业效率低及施工安全问题，可将作业人员减少至5人，减少了操作人员数量，提高了拱架安装质量和效率，真正实现了拱架安装的机械化作业。
（2）操作简单，三个操作手独立或协同操作，快速准确完成了拱架抓起定位及安装焊接网片钢筋等作业。
（3）从拱架立起、定位、到焊接连接筋固定作业完成总用时约17-25分钟，效率高。
2.2.2湿喷机械手
五新CHP25B（A4系列）湿喷机械手理论喷射能力25m3/h，最大喷射高度16m，最大喷射宽度24m。
.png)
湿喷机械手 湿喷作业
湿喷机械手较传统小型湿喷机具有以下优点：
（1）采用湿喷机械手进行喷射作业，经现场施工统计，该设备实际喷射能力可达到16m3/h，提高了施工效率，降低了劳动强度。
（2）可增强喷射混凝土的密实度，提高实体质量。
（3）喷射砼回弹量小，现场统计结果表明，回弹率可控制在15%以内，降低了成本。
（4）一般配置施工人员3人，主要为操作手1人，辅助人员2人，减少了人员投入。
（5）降低洞内粉尘含量，有益职业健康。
2.3仰拱填充作业线
现场配备了1台自行式仰拱液压栈桥。总长度41米、有效作业长度24米。配置了12米全腹仰拱模板（含弧形模板、端头模板）、12米整体式中心水沟模板、仰拱填充封端模板、纵向止水带夹具、逐窗投料和振捣系统。
.png)
自行式仰拱液压栈桥 全腹弧形模板
自行式仰拱液压栈桥具有以下优点：
（1）配备有多功能自动走行装置、前支架、后横移机构、液压自平衡系统，能够实现栈桥的自动纵移、自动横移、起升降落，自动化程度高，能适应多种施工工况。
（2）实现了液压栈桥、仰拱弧形模板、仰拱端头模板、填充端头模板、中心水沟模板的集成化。
（3）可实现仰拱开挖、仰拱浇筑、填充浇筑等多工序同步作业，大大加快了施工进度。
（4）可实现全幅仰拱模板的整体精准定位、脱模、前进、后退、横移等功能，模板定位一般由3人即可，用时30分钟，较安装传统组合模板可节约3～4小时。
（5）仰拱弧形模板为整体式，实现了仰拱砼的分窗浇筑及振捣，保证了仰拱混凝土的均匀、密实。
（6）栈桥的强度高，可安全通过重量不超过60T的施工车辆，与常规仰拱栈桥相比提高了通车效率与安全性。
2.4防排水作业线
配备了1台半自动防水板铺挂台车、2台红外线激光定位装置、2台MXCQ-4000W-1Z磁焊枪。
2.4.1半自动防水板铺挂台车
半自动防水板铺挂台车用于土工布、防水板的铺设、二次衬砌钢筋安装。台车行走方式为轮轨自行式，一次最大铺设长度可达6米。
.png)
半自动防水板铺挂台车 防水板挂设效果
铺设时，先将土工布安装至卷筒，卷筒端部穿过铺展机构，沿环形轨道铺设、压紧装置跟随压紧，及时用射钉将热熔垫片和土工布固定在初支面上，防水板铺设与土工布一致。
相比于传统工法，使用半自动防水板铺挂台车仅需配置3人即可完成整个循环段的施工操作。防水板自动铺设、自动压紧，不仅减少了工人的劳动强度，加快了施工进度，同时也大大提升了防水板铺挂质量。
2.4.2红外线激光定位装置
.png)
为保证热熔垫片数量、间距满足设计和规范要求，热熔垫片定位采用红外线激光定位装置，激光灯发射出红色的投影光斑，通过控制激光发射机位置来调节光斑间距，实现热熔垫片的精准定位。该装置具有操作简单、工效高等优点。
红外线激光定位装置
2.4.3磁焊技术
防水板采用磁焊枪焊接固定，次焊枪利用感应电磁均匀加热防水板和热熔垫片之间的铁丝网，铁丝网加热后向两面均匀释放热能，在压力的帮助下使防水板和热熔垫片牢固地焊接成一个整体。
.png)
磁焊枪 磁焊枪焊接效果
磁焊技术优点：
（1）焊接牢。焊接强度是超声波焊机的几十倍。
（2）效率高。每个热熔垫片只需焊一次，焊接速度比超声波焊机快了3倍，大大提高了工作效率。
（3）质量好。有效解决了传统超声波焊接工艺存在易焊穿防水板、焊接强度不高等问题。
2.5衬砌作业线
新华山隧道出口配备了全断面液压衬砌台车，配置自动化浇注系统，实现分层逐窗浇筑等功能。同时配备气动式振捣等设备、复合橡胶立杆伸缩端头模板、衬砌端头软搭接。
2.5.1全断面液压衬砌台车
衬砌台车长度12m，液压行走。通过配置自动化浇注系统（布料机），实现了二衬混凝土自下而上、左右对称、分层逐窗浇筑。克服了传统跳窗浇筑易导致的混凝土离析、“人”字坡冷缝等通病；减少了换管施工工序，降低了工人劳动强度，加快了施工进度。
.png)
全断面压夜衬砌台车 布料分配小车
自动化混凝土浇注原理是通过一台可以移动的布料分配小车来完成的，使用远程控制开关和小车上设置的电控开关来互补控制布料小车在轨道上移动，布料分配管的左右旋转，布料分配管接头的伸缩。由这几个动作的控制来实现混凝土到各个管路的分配，由此达到分层逐窗浇筑的目的。仅需要1-2名熟练工人通过操控遥控器和本地按钮即可轻松实现混凝土分层浇，大大降低了工人劳动强度和施工成本。
2.5.2气动式振捣
为有效解决二衬拱部混凝土振捣效果差，容易产生不密实的问题，新华山隧道出口二衬台车在拱部环向10m范围内布设5排共20台QZD-80型气动振捣器。该设备采用新型振捣方式，将常规平板附着式振动改为垂直式振动，通过高压风进入振捣器气缸，实现活塞式高频震动，最大震动半径1.3m，振捣深度0～20cm。
.png)
气动式振捣器
相比平板式振捣器，气动振动器具有如下优点：
（1）气动振动器振捣频率高，振幅小，振动力大，垂直震动，减少了对台车的震动，增加了模板使用寿命。
（2）气动振动器使用方便，只需用一根通气管即可，无电作业，安全可靠。
（3）可在管路上加节流阀调节震动频率，通过试验确定最佳振动频率，达到最佳的振捣效果。
2.5.3复合橡胶立杆伸缩端头模板
传统的衬砌台车端头模板采用翻转式钢木组合模板，存在封端不严密、水泥浆外漏，施工缝处混凝土不密实等缺陷。新华山隧道出口衬砌台车配置了复合橡胶立杆伸缩端头模板，该模板由支撑压紧机构、L板安装机构、橡胶挡板和橡胶挡板调整块4部分组成。
.png)
.png)
衬砌橡胶端头模板使用效果
该套端头模板可实现衬砌端部封挡牢固、适度微变，有效提高了衬砌端头混凝土质量，其主要功能如下：
（1）可以精确牢固地固定中埋式橡胶止水带和背贴式止水带，保证了端头模板与防水板充分密贴，密封更严，可有效保护防水板。
（2）重量轻、操作方便、可重复使用、性价比高。
（3）既保证了端头模板的刚度，又解决了各节模板间密不漏浆，同时也保证了端头混凝土的整体平整度。
2.5.4软搭接
隧道二衬台车软搭接技术主要是通过在台车面板与已衬砌段搭接部位敷设橡胶缓冲密封材料，台车就位抬升时，台车面板与已施工衬砌混凝土不直接接触，依靠橡胶垫块起到缓冲作用。
设置软搭接橡胶垫块的主要优点如下：
（1）软搭接橡胶垫块能缓冲台车顶裂端头砼，防止端头混凝土被顶裂造成安全、质量事故。
（2）软搭接橡胶垫块能密贴预防漏浆，防止造成混凝土出现蜂窝、不密实等缺陷。
（3）橡胶垫板软搭接工艺简单，便于现场操作。
.png)
橡胶垫板软搭接
2.6沟槽施工作业线
新华山隧道出口配置了1台自行式水沟电缆槽台车。门架式结构，为轨行式、电气驱动，长度12m。
.png)
自行式水沟电缆槽台车 成型沟槽
设备优点：
（1）通过液压系统控制模板的升降和左右位置的调整，进而实现模板的整体安装及拆除。
（2）模板具有操作简便、安装快速等优点，4个作业人员即可操作完成定模、脱模、行走全自动控制，大大降低了劳动强度。
（3）成型模刚性强度高，整体性好，可振捣密实，混凝土接缝少、表面没有错台、平整、直顺，质量有保证。
（4）施工通道畅通，作业环境良好。
3结论
新华山隧道出口采用机械化配套施工较传统施工工法，工期提前了3个月，施工质量合格率为98%，企业效益达到8%，经济效果明显。机械化、智能化配套工装施工，肯定是未来隧道施工的必然趋势。