高速铁路隧道大型机械化设备配套施工介绍
作者：贾智科
（中交隧道工程有限公司北京分公司 京沈项目）
摘要：本文以高速铁路隧道大型机械化配套施工应用情况为背景，介绍了三臂凿岩台车，机械湿喷手、自行式仰拱栈桥、防水板铺挂机、超声波热熔焊机、仰拱钢端模、二衬钢端模、全自动液压门架式水沟电缆槽台车机械化施工。
关键词：高速铁路隧道；大型机械化；配套施工
1 工程概况
三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道设计为高速铁路双线隧道，两线线间距为5m。隧道全长8888m，为京沈客运专线辽宁段全线重点控制性工程。
隧道地处内蒙古高原和辽河平原的中间过渡带，地貌属辽西剥蚀丘陵区。隧道范围内地势总体东北高，西南低，地形崎岖复杂，多悬崖陡坎。隧道最大埋深217.56m。隧道断裂构造发育，地质条件差，Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道比例超过了36%。浅埋偏压、塌方、大变形、环境失水、涌水等多种风险，施工安全风险大；工程地质及环境条件复杂，工期风险较大。
2 隧道大型机械化设备配套施工总体情况
三棱山隧道进口、出口采用三臂凿岩台车、机械湿喷手、自行式仰拱栈桥、防水板铺挂机、超声波热熔焊机、仰拱钢端模、二衬钢端模、全自动液压门架式水沟电缆槽台车等大型机械化配套施工。自开工以来，进出口大型机械化配套施工取得了良好的效果。
2.1 三臂凿岩台车
在三棱山隧道进、出口施工中 ,采用的是瑞典阿特拉斯·科普柯公司生产的新型
Boomer XL3 D三臂凿岩台车，可进行钻爆孔、锚杆孔、掏槽孔、超前灌浆孔、管棚施工、装药、安装锚杆、灌浆以及安装风管等作业。Boomer XL3 D三臂凿岩台车具有安全、高效、符合人机工程学的设计特点，并且配备了直接控制系统，同时在人机交互设计方面也有创新。BoomerXL3D采用先导控制液压系统，减少了控制平台附近的高压胶管数量，对操作者更安全，并且噪声更小。 2.1.1工艺技术对比
三臂凿岩台车拥有先进液压凿岩系统、电动环保系统,为全液压传动,能效高,气体和噪音污染小,进出灵活方便,技术先进;而人工手持风钻、地质钻机为风能传动,依靠人力,其效率只 有液压传动的30%。 2.1.2适用条件对比
三臂凿岩台车在三棱山隧道进口的施工实践证明:与人工手持风钻对比,三臂凿岩台车同样适应隧道Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ级及破碎风化岩的施工,同样适应,并具备一机多能、安全高效的 优势。
2.1.3施工质量对比
利用三臂凿岩台车,深孔地质预测预报,高质量的钻孔安装大管棚、小导管、锚杆,可大大提高支护质量,从而提高全隧的施工安全质量。 2.1.4工作效率对比
利用三臂凿岩台车钻孔，一个孔成孔时间约为1.5分钟，人工钻孔则需要10-15分钟，一个三臂凿岩台车相当于20把风枪的工作效率。三臂凿岩台车钻孔只需4个司钻工,9个炮工,共13人,而人工开挖则需26个人,可节省大量人力,效率高。
图1：三臂凿岩台车 图2:三臂凿岩台车钻孔作业 2.1.5主要结论
①三臂凿岩台车成孔速度快,循环进尺3.5ｍ,可节约1.5ｈ,特别在硬岩施工时,优势尤为明显。
②三臂凿岩台车机组人员劳动强度低,掌子面噪音小,空气清新,不易卡钻,掌子面视线较好,简洁、整齐,大大促进掌子面的文明施工。
③三臂凿岩台车钻孔孔径较大,对清孔、装药尤为有利,在硬岩深孔中,可节省不少装药前的吹孔时间。
④三臂凿岩台车在Ⅳ ,Ⅴ级及破碎风化岩施工中,很容易按设计要求施工径向系统锚杆,进行超前小导管的钻孔和安装,可完全满足工程质量要求和安全保证。
2.2 机械湿喷手
2.2.1基本特点
1）湿喷作业采用西班牙生产的Sika-PM500 PC混凝土喷射机组，该设备通过操作有线“遥控器”来控制喷射头进行喷混凝土作业，喷射头上安装有摆动马达和回转马达，可实现240°的摆动和360°回转，喷射臂的所有动作全部由液压驱动，喷嘴刷动马达可以实现8×360°无限连续刷动。
2）喷射范围大，最大喷射高度16.8m，最大喷射宽度为30m，前方最远喷射距离为15m，喷料速度为10-30m3/h，配备有液态添加剂计量输送装置，对混凝土和速凝剂流量同步程序控制。该设备与传统的湿喷机相比喷射砼机械手相比较，其为自行式设备，到达现场后能快速调整机位，无需接送风水管，砼运输到现场后即可直接进行喷射作业，且实际的喷料速度比2台（9m3/h）的湿喷机快2倍： 2.2.2操作要点
1）混凝土必须满足: 最大粒径不超过 1.5cm和坍落度14-18cm
2）保证稳定的工作风压，机械手自身配备空压机，工作风压在0.2-0.4MPa，比较适宜，同时工作风压的大小与混凝土的和易性有关，和易性越好，所需工作风压较小，反之则偏大。
3）喷射前，在机械手到达作业区域后，利用自带高压风对岩面进行 1 次清理，清理受喷面上的浮沉、岩屑，保证初喷混凝土与岩面的有效粘结，以提高喷射混凝土的附着力。
4）机械手操作人员要具有一定的经验和熟练程度，喷混凝土过程中，要求机械手的喷头与岩面垂直，距离在 0.8-1.2m范围内，喷射混凝土应划分区域，分层喷射。从底部向拱部自下而上进行喷射，整体先初喷1层，喷射厚度为3-5cm，然后复喷至设计厚度喷射过程中，初喷第1层的厚度非常关键，由于速凝剂的初凝和终凝需要经过一段时间，初喷厚度过大，容易使速凝剂尚未凝结，新喷射混凝土覆盖上来，引起较大的回弹。
5）操作人员根据不同的喷射部位，调整喷混凝土速率和速凝剂的掺加量)边墙喷混凝土速率为18-20m3/h; 拱部喷混凝土速率为 15m3/h; 边墙喷混凝土速凝剂的掺加量为3%-5%; 拱部喷混凝土速凝剂的掺加量为 7%.
6）混凝土的供料要连续，喷射过程中经常停机，容易造成喷头处堵管现象，清除堵管非常麻烦，耽误作业时间.
7）喷射结束后，喷射机械手驶离作业区域，在洞外按操作规程，维护和保养喷射机械手。
图3 Sika-PM500 PC混凝土喷射机械手
2.3 自行式仰拱栈桥
2.3.1自行式仰拱栈桥由四大系统组成
1）栈桥主体由主梁、横梁及坡桥等部分组成，各构件为型钢焊接而成，将不同的标准构件通过螺栓连接组装成栈桥主体；
2）液压系统由电动机、变量泵、液压油箱、液压油缸、冷却器、控制阀等部分组成，用于提升前后坡桥及顶升栈桥。
3）电气控制系统由继电器及开关等部分组成，用于控制栈桥的走行。
4）行走系统由驱动电机、齿轮齿条传动系统、走形轮及走形轨道等部分组成，共有四组走行装置，分别置于栈桥端部两侧，主要为实现栈桥自动走行。走行装置可以旋转90°，以实现栈桥纵向和横向走行。
2.3.2使用方法
栈桥移动使用电机驱动，通过齿轮齿条传动，带动走行轮在走行轨道上移动，其工作步骤如下：
1）启动装于栈桥端部的四个顶升油缸，使栈桥离地。
2）由工人配合指挥，将栈桥走形轨向前拖动，轨道拖至尽头后，收缩顶升油缸。 3）启动走行电机，栈桥在轨道上向前移动，移动至轨道尽头后。
4）重复以上步骤，直至栈桥就位（栈桥横向移动与此类同）。栈桥就位后，顶升油缸将栈桥顶起，使走行轮不受力，用销子固定，最后将前后坡桥放下。 2.3.3自行式仰拱栈桥使用情况
1）使用自行式移动仰拱栈桥之后，栈桥上各种车辆设备正常通行，不影响掌子面施工，桥下可进行隧道的仰拱开挖、钢筋绑扎、仰拱浇筑等作业，实现了掌子面开挖与仰拱施工平行作业，仰拱作业不占用循环时间，大大节约了施工时间，提高了隧道施工整体效率，在安全质量可控的情况下，其工期成本优势得到更大的体现。
2）自行式仰拱栈桥桥操作简单明了，行走灵活，移动就位方便，可实现跨越已开挖仰拱就位，简化了仰拱施工工序；
3）栈桥在前引桥下进行混凝土施工，可让车辆从填充层通过栈桥直达下台阶，完美配合各类台阶法开挖方式下的仰拱（底板）混泥土施工，实现早封闭，早成环的施工要求。
4）充分利用混泥土早期强度为栈桥自重及通行载荷提供支撑，配合专用柔性底座及自动走行轨道。接地压强为0.3MPa，当混凝土达到脱模强度要求后便可通行栈桥及栈桥上过车。
5）采用液压控制，具备前、后、左、右移动功能，行走采用电控专用小车，整个栈桥就位无需人工铺轨，3人即可操控。自动化程度及安全性高于目前已知各类栈桥。
6）通过载荷50T。
图 4 自行式仰拱栈桥
2.4 仰拱和二衬施工设备
2.4.1仰拱桁架及仰拱钢端模板
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