中国中铁隧道股份有限公司

群策群力 攻坚克难 探索软岩大断面隧道全工序机械化施工

 

郑万高铁湖北段ZWZQ-9标项目地处宜昌市兴山县,正线长33.79km,合同造价32.86亿元。线路设计时速350km/小时,隧道工程4座,占标段线路总长的87.7%;隧道设计为单洞双线以软弱围岩为主,Ⅳ级、Ⅴ级围岩比例为70.5%,不良地质有岩溶段落、低瓦斯、断层破损带、顺层偏压等,投标文件中要求项目的5个隧道作业面采用加强型机械化配套施工,即全工序的机械化施工。项目自进场以来,就积极探索软岩大断面隧道全工序机械化施工,我们的具体做法是:


一、精心策划,夯实基础

 

技术保障,方案先行。采用机械化施工就必须保证设备的作业空间,因此在开挖工法的选择上,项目选用全断面法或微台阶法;为了实现软岩大断面隧道的全断面法或微台阶法开挖支护作业,采用超前预支护和超前加固方式对掌子面及前方围岩进行预加固;为了保证施工安全,将超前地质预报、地质素描预判及开挖后初喷严格纳入工序管理,同时施工过程中严格进行监控量测和围岩应力监测,以监测数据指导施工;为了保证各施工信息的可靠性、及时性,积极探索信息化管理手段,努力建设数字化智能工地。

设备保障,配套研发。近年来,机械化配套随着高速铁路隧道施工中不断应用,世界上隧道施工比较先进的国家已经实现了全工序机械化作业,但因国情和设计理念的差异,部分国外设备在国内隧道建设中并不适用,因此,探索研发适合中国的全工序机械化配套装备迫在眉睫。项目围绕全电脑三臂凿岩台车,结合项目的地质情况、施工方法、技术要求,配置了多功能半自动拱架安装台架、湿喷机械手、桥模一体自行式仰拱台车、半自动防水板铺设及钢筋精准定位绑扎台车、整体式沟槽模板台车、无骨架智能衬砌模板台车、温控自动喷淋养护台车等机械化工装设备。特别是机械制造分公司自行研制的多功能半自动拱架安装台架、半自动防水板铺设、钢筋精准定位绑扎台车及集团专业设备中心研发的锚杆钻注一体机,在项目得到了很好的运用,填补了国内初期支护拱架安装、锚杆施工及土工布防水板铺挂等工序机械化作业专用设备的空白。

制度保障,健全体系。常言道:“无规矩不成方圆”,因此,建立行之有效的制度体系对施工生产来说尤为重要。项目在策划初期就建立了完善的制度体系。同时针对项目为国内首次尝试软岩大断面隧道全工序的机械化配套施工的特点,考虑到大量新材料、新设备、新工艺、新技术的将在项目大量运用;项目成立工装优化工艺创新工作室,设专职副经理负责工装优化和工艺创新工作,保证项目的“四新”工作持续推进;贯彻执行公司工程项目培训标准化作业手册,建立标准化的培训制度,强化培训工作,提升技术干部业务水平,培养专业化产业工人,保证“四新”技术的落地;成立“掌子面稳定性判定小组”,将“掌子面稳定性评价分类”纳入工序严格管理,开挖后率先对掌子面稳定性做初步评价,评价后采取合理的封闭、加固处理措施,以确保掌子面作业施工安全。

 

二、勇于实践,不断创新

 

优化施工工法。目前国内的大断面隧道通常采用分部开挖法修建,存在施工步骤多、施工功效低,不利于采用机械化作业,大多采用人工作业。项目为实现机械化快速开挖,根据掌子面围岩情况对掌子面自稳能力差的地段采用“喷C25砼”、“喷C25砼+局部纤维锚杆”、“喷C25砼+全断面纤维锚杆”等措施进行预加固,实现软岩大断面隧道全断面开挖。

优化超前支护。为即能实现软岩大断面隧道的机械化作业,又能保证隧道的施工安全。项目对隧道超前支护进行了优化,根据地质不同分别选用Φ60~Φ89普通管棚、Φ76自进式或Φ51自进式管棚代替原设计中超前小导管,具体根据实际地质情况试验确定。同时改进洞身管棚施工技术,采用无洞室法施工,即每循环管棚施作采用上一循环开挖后“锚-网-喷”支护,预留2榀不安装拱架空间作为管棚施工洞室;管棚施做外插角及方向采用在掌子面立设1榀初支钢架并在钢架上方设置导向管的方式控制。管棚钻孔采用全电脑三臂凿岩台车进行钻孔,提高施工效率。

优化初期支护。“新奥法”重点强调“锚-网-喷”支护体系的作用,但国内铁路隧道设计支护结构中传统的组合中空锚杆和砂浆锚杆施工,因施工工艺存在缺陷,施工质量难以保证,施做后支护效果不明显,使大家普遍对锚杆施工不重视。为充分发挥锚杆对围岩的支护作用,项目采用YE锚杆(预应力锚杆)代替普通砂浆锚杆及组合中空锚杆,锚杆施工钻孔采用全电脑凿岩台车钻孔,钻孔完成后利用全电脑凿岩台车上的作业框人工安装锚杆,锚杆安装至孔内后,利用全电脑凿岩台车作业框内配置的风动扳手,旋紧锚垫板,使锚杆前端的涨壳头张开受力,起到及时锚固围岩的作用,形成应力拱,增加围岩前期自稳能力。同时YE锚杆还有以下优点:一是锚垫板和螺母间设置的半球形钢制垫圈,能够保证锚垫板与围岩密贴,使锚杆杆体受力更好;二是锚杆注浆工艺简单,注浆速度快,功效高。

 

三.持续改进,提升水平

 

部分工装适用性不强仍需改进。目前,项目各工序机械化设备已经配置到位,并陆续投入使用,但在使用的过程中,发现部分工装设备仍存在一些问题,亟待改进。如半自动防水板铺设及钢筋精准定位绑扎台车:防水板铺设过程顶推不方便,易损坏;防水板自动铺设行走小车左右不同步,易造成斜拉卡机;台车长度过长(14m),不利于施工步距控制。温控自动喷淋养护台车:喷淋头雾化效果不佳;无骨架智能台车仍需智能化改造等。

深入探索软岩大断面隧道机械化施工的最优配置。目前,仅向家湾隧道进口展开了全工序机械化配套作业面施工,根据武九公司的统一部署要求,向家湾隧道进口作为加强型机械化配套施工试验的示范点,进行了软岩地段采用2台全电脑凿岩台车全断面开挖的试验工作,虽完成武九公司的科研要求,实现了软岩大断面隧道的全断面施工,实现了全工序的机械化作业,得到了业主单位的认可,但试验发现软岩大断面隧道机械化全断面施工,需采用各种措施对掌子面及前方围岩加固超前支护后方能实现,大部分施工工序为顺序作业,不能平行作业,这样增加了加固的作业工序,使工序时间拉长,功效不高。下步随着其他加强型机械化配套作业面的展开,需积极研究在软岩地段采用1台全电脑凿岩台车采用微台阶法开挖等不同工法不同配置形式,与2台台车全断面开挖的功效及经济性的对比,总结出软岩大断面隧道机械化施工的最优配置和最优施工方式。同时需配合业主科研课题组,做好围岩变形和支护体系受力情况监测工作,根据监测结果优化初期支护参数,从而最终达到加快施工进度,实现经济效益的目的。

信息化管理手段缺乏实用性需持续改进。项目在武九公司、集团公司及隧道股份的指导帮助下,运用“互联网+BIM”技术和手机APP质量检验现场签证系统,建立了安全管理、质量管理、进度管理、环水保管理、验工计价管理及施工过程控制6个模块16项功能的信息化管理系统,虽总体得到业主的认可,但部分关键功能仍缺乏实用性,不能充分的指导施工,起到应有的管理作用,下步仍需不断改进完善,增强其实用性。如:隧道风险管控中的超前地质预报工作,未能及时的上传超前地质预报成果,需实现地质预报结果及时上传,地质风险的实时预警的功能;全电脑三臂凿岩台车的MWD软件生成的超前探孔地质云图仅为概念性的东西,不能实现与围岩分级对应,需实现与围岩分级对应的量化指标,以达到真正指导施工的目的。因软件平台繁多,不便于管理及维护,重复性工作多,未集成成一个平台等问题,亟待解决。部分关键功能仍缺失问题,如:智能化衬砌台车的监测数据运用、全电脑凿岩台车采集数据的运用、隐伏岩溶探测数据等数据未设置专业平台,不能得到充分的运用。

 

郑万高铁湖北段9标作为目前国内机械化配置最为齐全的项目,建设单位提出“建设中国高速铁路标准化管理示范工程”为总体目标,项目深感责任重大,使命光荣;最接下来的工作中,项目全员将统一目标、团结一致,不辱使命,紧紧围绕“安全快速标准化修建”这一要旨,打造机械化、信息化、标准化工地,为集团实现隧道和地下工程领域领军企业的宏伟目标助力加油。

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