隧道方案单线隧道机械化配套施工试验方案Word格式文档下载.docx
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玉磨铁路隧道工区进度滞后，重点隧道曼么二号隧道及曼木树隧道工期滞后合同工期较多，履约风险加剧并伴有一定的施工安全风险，为保证施工进度及施工安全，履约合同工期，根据上级机关关于机械化配套相关要求，并结合项目实际情况制定单线隧道机械化配套施工试验方案，尽快并真正实现机械化配套施工。
2.试验目的与目标
2.1试验目的
（1）通过全套工艺装备应用，确定合理的人工配置、机械组合及材料选择，有效的提高工效。
（2）设立研发课题，为后续隧道机械化施工打下坚实基础。
（3）通过机械化配套应用试验培养一批设备制造与技术研发管理人才，形成一套自有的设备管理理念及隧道工艺装备研发制造技术。
2.2试验目标
（1）总结机械化配套施工参数，形成一套完整的隧道机械化施工管理模式，待机械化配套施工应用段转正洞后尽快发挥机械化配套施工优势，减少中间不必要的磨合时间，达到工管中心工效指标，即进度指标达到并超过正洞Ⅴ级围岩45米/月、Ⅳ级围岩65米/月、Ⅲ级围岩100米/月。
（2）熟练掌握机械化配套设备的性能及使用，结合机械化施工的特点，优化工序衔接，合理组织施工，发挥机械化施工安全、高质、高效的特点。
（3）根据隧道机械化施工特点，对施工工艺参数、工效指标、工序衔接、配置标准及成本测算等方面进行总结并形成系统性成果推广。
（4）提高信息化管理水平，提高施工效率，减少施工风险，为实际施工起到指导意义。
（5）对初步介入机械化配套施工的人员进行培训，提高机械化施工管理水平，为后续机械化配套施工人员组织及配备提供经验。
3.试验段确定
基于目前状况，本标段按照业主要求及结合现场实际情况，计划将曼么二号隧道正洞DK407+880-DK415+124段（斜井工区、横洞工区）、曼木树隧道正洞DK422+405-DK424+640段（1#斜井工区）及曼木树隧道正洞DK427+775-DK429+300段（3#斜井工区）按照机械化配套Ⅰ级配置施工要求进行组织施工，加快施工进度，完成履约目标，其中曼么二号隧道斜井及曼木树隧道3#斜井根据业主要求采用机械化配套Ⅰ级配置，曼么二号隧道横洞及曼木树隧道1#斜井根据工期滞后情况自行配置Ⅰ级配置。
目前四个机械化Ⅰ级配置隧道工区没有转入正洞，装备进场后不能马上发挥作用，为缩短工艺装备使用磨合时间尽快形成配套生产能力，计划在本标段进行机械化配套工艺试验，符合单线隧道机械化配套施工试验段条件的为曼木树隧道出口及巴罗二号隧道进口，巴罗二号隧道进口处于非关键线路，曼木树隧道出口处于关键线路上，对履约有一定的促进作用。
综合考虑将曼木树隧道出口作为机械化配套施工试验工点，同时可满足标准化迎检工点的各项要求。
确定曼木树隧道出口试验时间自2018年3月15日开始，至4月30日具备试验总结条件，本试验段长度初步定为140m，试验段里程为DK431+040-DK431+180，其中IV级围岩长度90m，V级围岩长度为50m。
围岩主要为泥岩夹炭质泥岩，地下水主要为基岩裂隙水，不甚发育，水量较小，IV级围岩初支断面尺寸为7.3m×
8.56m，V级围岩初支断面尺寸为7.4m×
8.61m，二衬断面尺寸均为5.4m×
8.16m。
4.工效分析
（1）本标段隧道围岩主要是IV级、V级围岩，Ⅲ围岩占的比例很小，按照设计要求台阶法施工占大多数，本标段属于单线隧道，上下台阶施工干扰大，施工工效很难提高，提升的空间不大，履约风险大。
（2）现有设备主要以风钻、挖掘机、装载机及小型湿喷机为主，设备的固有特性决定了施工工效低下，加上大部分施工均属人工操作，意外因素较多，提升的空间不大。
（3）本标段组织架构属于成熟的铁路管理模式，局部管理细节存在问题，但靠施工管理提升进度的空间不大。
（4）郑万铁路隧道机械化配套施工配备了三臂凿岩台车、湿喷机械手、自动化仰拱栈桥、自行式防水板铺挂台车及智能二衬浇筑台车等工装，通过组织考察了解，其施工工效相比传统工艺能得到较大提高。
（5）通过对已进场的湿喷机械手现场操作工效来看，比传统的小型湿喷机喷浆速度快，耗用的人工少，喷射质量及安全能得到保证。
通过引进机械化配套工艺装备改变工艺工法，较传统的工艺装备质量安全及工效指标均能得到保证，通过加强现场施工组织管理，有效发挥工装的效能，为满足铺轨工期提供有力支撑。
5.设备操作断面分析
设备在洞内进行操作时，仅从各工序作业而言，断面满足作业要求，在现有断面不变的情况下，在无二衬砼施工时，所有设备作业可在仰拱与掌子面之间进行错车，无施工干扰，在二衬砼施工时，设备进入掌子面后罐车进入作业面。
图1-设备操作空间纵断面立体图及平面图
为了保证开挖支护工序衔接，所有设备均在仰拱与掌子面之间错车，开挖支护施工能得到有效运转，二衬施工时，优先掌子面开挖支护，二衬混凝土浇筑施工时间会有所延长，按照V级围岩每延米8.6方计算，一板二衬需要103方，考虑到二衬预留变形量的影响，按每延米断面扩大10cm计，拱部环向长度21m，每板二衬混凝土方量为130方（最大方量）左右，共需要18车（每车7.5方），试验段因二衬施工长度不足300m，影响忽略不计，应用段最长施工区间长度不足2000m，影响长度折中按照1000m计算，每板二衬最多穿插到开挖支护中的两个工序，每个工序平均按照二衬罐车等待10分钟计（现有输送泵泵管改装的前提下），一个月按照浇筑7板计，共计干扰时间140分钟。
总体而言，隧道正洞按照目前衬砌断面宽度5.4m可实现机械化配套施工。
图2-单线隧道衬砌断面宽度
6.工艺分析
6.1原设计情况
本标段单线隧道围岩主要为Ⅲ级、IV级及V级围岩，其中Ⅲ级围岩开挖工法为全断面开挖，IV级围岩及V级围岩开挖工法为台阶法开挖，辅以小导管进行超前支护。
6.2开挖工法分析
机械化配套施工相比传统施工工艺优势明显，对于双线隧道尤其是大断面更加明显，但对单线隧道施工有一定的局限性，因机械化配套设备均属于大型设备，需占用很大的空间，传统的台阶法施工难以满足机械化配套要求，因此单线隧道要开展机械化配套施工，必须实现全断面开挖或者微台阶法开挖，加大每循环开挖进尺数才能真正的发挥其工效。
6.3超前支护分析
采用全断面开挖施工，小导管超前支护难以满足其安全及进度要求，为了保证全断面开挖的安全性及每循环进尺要求，Ⅳ级围岩拱架亦采用全环施工，Ⅳ级围岩采用φ60或φ76、V级围岩采用φ89管棚进行超前支护（部分软弱松散段落需结合超前帷幕注浆），施工范围均为拱墙分界线以上范围，其中V级围岩管棚施工环向间距为0.4m，每环施工40根，IV级围岩管棚施工环向间距0.5m，每环32根，V级围岩管棚每循环施工长度为15m，搭接长度3m，V级围岩管棚每循环施工长度为20m，搭接长度为5m。
图3-管棚钻孔示意图
管棚施工为机械化配套施工的关键环节，管棚钻孔采用凿岩台车进行，管棚打孔前，预留1榀拱架不安装，控制打孔外插角，对于一般地段，采用传统的打孔、装管及注浆流程进行，对于复杂地段，采用跟管工艺，避免塌孔，注浆顺序由低到高，注浆压力为1-2MPa，注浆必须饱满，为全断面施工打下坚实的基础。
6.4每循环开挖进尺分析
在管棚施作到位且安全满足的情况下，按照传统要求V级围岩每循环施工1榀拱架，IV级围岩每循环施工2榀拱架的要求进行施工，无法从根本上提高施工进度，因此采用机械化施工时，每循环进尺不能局限于铁路120号文要求，按照采用管棚超前预支护后计划每循环开挖进尺Ⅳ级围岩采用4.8m，V级围岩用2.4m，相应的多榀拱架安装及时跟进。
6.5拱架设置分析
在现有的施工工艺条件下，IV围岩拱架设置范围为拱墙部位，仰拱部位无拱架，采用机械化配套施工后，因每循环进尺及步距加大的情况下，现有的IV围岩拱架设计参数难以满足施工安全要求，鉴于此，对IV级围岩拱架由拱墙段调整为全环施工，及时进行封闭成环，保证机械化配套施工安全进行。
6.6安全步距分析
采用机械化配套施工后，通过全断面开挖及一次封闭成环使安全得到了保证，因大型设备在原有安全步距（根据120号文Ⅴ级围岩仰拱安全步距35米，二衬安全步距70米，Ⅳ级围岩仰拱安全步距35米，二衬安全步距90米）下难以施展、制约较多，所有工装设备（轮胎式）施工完毕后均开出洞外或者辅助坑道处，仰拱栈桥有效搭接长度按照25m算，设备错车区30m共计55m（考虑出渣及错车的空间），设备作业区按25m计算，因此仰拱安全步距调整80m，二衬台车长度12m，自行式防水板铺挂台车6m，考虑到出渣车上栈桥的距离7m及设备安全距离5m，即二衬安全步距调整到110m。
图4-安全步距示意图
6.7仰供施工长度分析
机械化配套施工过程中，为了确保安全性，加强了超前支护并及时进行封闭成环，按照传统仰供开挖进尺要求，仰供与掌子面的距离将无限拉大，考虑到仰供栈桥结构长度且满足仰供及二衬施工与开挖支护保持同步，计划每板仰供浇筑长度24m。
7.设备选择
7.1试验段工艺装备配备
基于单线隧道断面小的特点及操作的灵活性，所有设备均采用轮胎式行走方式，以利施工方便，所有设备采用流水作业方式，在仰拱与掌子面之间进行错车，施工完成后开出洞外，试验段设备配备主要包括三臂凿岩台车、拱架拼装机、锚杆台车、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥、自动化防水板台车及智能化二衬浇筑台车。
图5-隧道工序纵断面示意图
7.2全套工艺装备性能介绍
序号
设备名称
尺寸
断面要求
情况简介
1
三臂凿岩台车
17.6（长）×
2.9（宽）×
3.6（高）m
5×
6m
电机提供动力，单台电机泵组分别驱动单个工作臂，实现多个工作臂的单独控制与同时作业，实现钻孔数量、角度、深度等参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖。
2
拱架拼装机
9.4（长）×
2.45（宽）×
3.1（高）m
6×
通过夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的姿态，实现拱架安装自动化。
3
锚杆台车
15.8（长）×
2.5（宽）×
3.3（高）m
7×
7m
实现钻孔、垫板安装及注浆等功能，达到一体化施工。
4
湿喷机械手
各种断面
喷浆效率为20-30方/小时。
5
自行式仰拱栈桥
38.4（长）×
5.1（宽）×
1.4m（高）m
一次性进行24m仰拱混凝土连续浇筑，配备多功能自动走行装置，前支架，后横移机构，液压自平衡系统，实现自动纵移、起升降落、自动横移，快速定位及模板安装。
6
自动化防水板铺挂台车
自动定位防水板位置，提高精确化、提高施工质量及速度。
7
智能二衬浇筑台车
12m
实现逐窗浇筑功能，提高衬砌质量。
8.工效对比
8.1目前工艺装备工效分析
根据现有隧道施工设备及施工管理组织水平，对各个工序进行统计分析，并考虑到各道工序衔接时间，工效分析情况如下：
围岩级别
每循环进尺
施工工序
工序耗用时间（分钟）
IV级
2.4m
扒渣底
40
开挖台架就位、接风水管
30
钻眼
150
装药、退台架、爆破
60
通风
平整、排险、出渣
260
测量放样
拱架、锚杆、小导管及钢筋网倒运
20
拱架、锚杆安装，钢筋网挂设、焊接
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