京沈项目隧道施工机械化配套设备的创新与应用

1、 中交隧道局第一工程公司京沈项目三棱山隧道施工机械化配套设备的创新与应用第一工程公司京沈客专项目经理部2015年7月17日让 世 界 更 畅 通一、项目概况二、机械化配套设备应用情况三、几点体会四、结束语京沈客运专线设计时速350km/h，是中长期铁路网规划（2008年调整）“四纵四横”客运专线主骨架的重要组成部分。开通后将是进出关铁路运输重要的快速客运通道。一公司承建的京沈客专辽宁段TJ-1标全长10.061公里，合同额6.8亿元。三棱山隧道是本标段控制性工程。隧道全长8888米，按进口、出口、斜井三个工区设置，四个工作面组织施工。2014年3月5日进场施工，2014年5月6日正式进洞。项目

2、上场以来，局及公司领导多次莅临项目指导帮扶，要求三棱山隧道做好大型机械化隧道施工试点，加大创新应用力度，形成机械化施工成套成果，为今后隧道机械化施工积累经验。项目部对隧道机械化装备配套施工不断尝试，对超前地质预报作业线、开挖作业线、喷锚作业线、仰拱作业线、防排水作业线、衬砌混凝土六条作业线进行了机械化装备施工改造与创新，投入了超前水平钻机、三臂凿岩台车、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥、超声波热熔焊机、止水带焊接机、衬砌模板台车等设备，改进创新了仰拱桁架、全液压防水板铺挂平台、仰拱钢端模、二衬钢端模等工装。先后接待了上海铁路局、浙江省监督站、铁路总公司鉴定中心、铁三院等单位领导的参观考察，机械化施工

3、已经成为本项目招牌和亮点，在铁路隧道施工领域越来越引起关注，受到了各单位的高度评价！2015年6月12日，铁路总公司质监总站检查组莅临三棱山隧道进口检查指导工作，对项目隧道机械化装备应用予以高度评价，认为“在三棱山隧道看到一些隧道现代化施工的气息”。（一）超前地质预报作业线（二）开挖作业线（三）喷锚作业线（四）仰拱作业线（五）防排水作业线（六）衬砌混凝土作业线超前地质预报及超前大管棚作业投入一台意大利卡萨格兰地C6型多功能钻机。该机械为目前世界上最先进的多功能钻机，能进行快速钻孔、超前钻孔作业并自动记录。使用C6 钻机一次水平钻孔深度可达150m。钻进方式为旋转、冲击，有液压顶驱和潜孔锤冲击两

4、种方法，可根据围岩硬度不同任意转换。对围岩硬度在40Mpa以下的可采用液压顶驱的方法，对围岩硬度在80Mpa 以上的采用潜孔锤冲击方法效果更好、钻具消耗少。对围岩硬度在40-80Mpa之间的，可任意选择一种方法，但使用潜孔锤冲击速度更快、成本更低。使用潜孔锤冲击，钻进速度为20-30m/h，使用液压顶驱钻进速度为10-20 m/h。国产地质钻机钻进方式为旋转研磨，不具备冲击功能，钻进效率低，一般为1-1.5m/h。因为扭矩大、转速高，C6 钻机最大钻孔直径225mm，对于铁路隧道76、108、133 管棚的钻探没有任何问题，套管和单管作业模式可以满足多种施工目的，内杆和外杆同时钻进,又可分开拆

5、卸,在管棚等施工中应用可确保软弱地层不塌孔。同时能实现钻注一体化,对软弱围岩及高压富水地带的超前预加固施工非常便利。也可用于抢险救助时为被困人员通风、送水、送物,对提高软岩大断面隧道的施工进度及确保施工安全起到积极的作用。三棱山隧道进口超前地质预报及大管棚施工采用C6钻机钻注施工，安全高效，为顺利进洞、打开工作局面起到了重要作用。在三棱山隧道进口掌子面开挖过程中,开挖作业线采用的是阿特拉斯 科普柯XL3D全液压三臂凿岩台车进行钻孔作业。该台车适用于隧道掘进、洞室开挖及地下厂房开挖等各项地下凿岩工作，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、安装风管等高空作业。台

6、车为轮式行走，四轮驱动，带有一个服务平台，钻臂最大覆盖面积可达178平方米，钻孔直径自41 毫米至102 毫米。整体结构设计合理、强度高、调整和维修简单、方便，设备运行效率高、经济性好。台车主要由底盘、钻臂、推进梁、凿岩机、服务平台、液压控制系统、空压机、水泵等部分组成。该设备对于中、硬岩3.5m孔深，钻进单孔时间基本为2分钟以内，而人孔钻爆开挖则需要11分钟。三臂凿岩台车采用液压作为动力，钻孔过程中不产生粉尘，清洁无污染，与普通人工风钻相比，噪音较小。操作平台设有安全顶棚，可防止落石伤人和其他突发性危害，更有效地保证现场操作人员安全。三臂凿岩台车远距离对大断面软岩施作超前小导管、系统锚杆等施

7、工,能垂直上向凿眼，施工质量好,安全风险低。一台三臂凿岩台车需要3个操作手、2个工人配合，钻孔效率相当于15台风枪，16个工人作业。三臂凿岩台车总装机功率200kw，而15台风枪需要3-4台132kw空压机供风，人工开挖耗电量是三臂凿岩台车的2倍。喷锚作业线使用的是Sika-PM500PC 型混凝土喷射机组。该机组集车载移动系统、混凝土泵系统、液压系统、动力系统、电控系统、空气-水-添加剂系统为一体，通过可准确计量速凝剂的添加剂计量输送装置、保证精确喷射施工的喷射臂、有线遥控操作、FFH液压混凝土泵送装置等保证了设备的稳定性、可靠性、精确性和可控性。与传统的小型湿喷机相比，湿喷机械手喷射速度快

8、，回弹损耗小，喷射面广，受力均匀；自动化程度高,设备操作灵活, 喷射作业连续施工无间断，减少了作业人员劳动强度。湿喷机械手只需1个人操作，2个人配合，一小时就能完成20 m3的混凝土喷射作业。而普通湿喷机需工人3人操作，每小时喷射混凝土仅为3m3，1.自行式仰拱栈桥项目部配备的自行式仰拱栈桥长度17米，该栈桥采用液压控制，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，不需要机械设备配合，3人即可操控，一次移桥时间仅为30分钟。自动化程度及安全性高于目前已知各类栈桥。普通栈桥移桥需要一台装载机、一台挖掘机配合，移桥、调整需要1.5小时才能完成。不但占用机械设备还增加

9、了工序时间。2.仰拱桁架传统的仰拱模板安装采用小模板，现场用锚固钢筋支撑和拼装，安装时间长，错台易超限，无法保证仰拱混凝土的施工质量。项目部采用的仰拱桁架在仰拱与二衬边墙连接处设置宽2.5米的弧形整体模板，模板整体吊装就位。弧形模板分两部分组成，上部分长度1.5米，下部分长度1.0米，中间采用铰接连接，仰拱浇筑完成后，把下部分模板提起来，直接浇筑仰拱填充混凝土，保证了仰拱与填充分次浇筑。2.仰拱桁架普通仰拱模板固定前需要焊接大量定位钢筋，以级围岩无仰拱钢筋地段为例，安装一板仰拱模板需要的定位钢筋640公斤，焊接需要7小时，而且模板很难准确定位，造成仰拱与边墙出现错台。采用仰拱桁架施工不需要定位

10、钢筋，模板初步就位后，通过丝杠微调确保模板准确定位。既节省了施工成本又加快了施工速度。3.仰拱钢端模为保证止水带施工质量，本隧道配置了仰拱钢端模，止水带夹在两块钢模板之间，能够保证止水带顺直、居中，起到了很好的止水效果。在止水带外侧钢模板上焊有2cm1.5cm钢条，拆模后预留槽用于安装止水条。1.全液压防水板铺挂平台本隧道采用的防水板铺挂平台为全液压、电动控制，能够上下、左右移动，外侧设置环形槽道，铺挂小车在环形槽道内行走完成防水板铺挂。该产品结构主要由行走机构系统总成、门架系统总成、作业平台系统总成、拱圈系统总成、卷扬提升系统总成、液压系统总成等六部分组成，设计结构简单，便于操作。通过设计拱

11、圈系统和卷扬机系统，将防水板固定在滚轴上，滚轴通过沿拱圈运动的小车固定，小车通过卷扬机提升，与液压系统进行配合作业，将防水板沿着隧道开挖面运动，从而实现防水板铺设的机械化作业；既加快了铺挂进度，又避免了由于人工铺设不平，造成焊缝宽窄不一，提高了铺挂质量。1.全液压防水板铺挂平台全液压防水板铺挂平台主要是能够提高防水板铺挂质量，确保焊缝宽度符合要求。自从全液压防水板铺挂平台投入使用后三棱山隧道进口防水板搭接宽度、气密性试验检查一次合格率提高了5%。2.防水板超声波焊接机防水板焊接采用超声波焊接机，防水板超声波焊接机通过超声波发生器将220V、50Hz电流转换成28KHz高压电能，再将电能通过超声

12、波换能器转变成为超声能，能量通过焊头直接传导到防水板上，使热熔垫圈与防水板接合面剧烈摩擦后熔化，焊接强度可与本体相媲美。3.止水带焊接机采用止水带热熔焊机进行止水带焊接，分为热熔焊机预热、止水带打磨、安装橡胶薄片、热熔焊接四个步骤。焊接效果好，止水性强。 二衬台车采用钢端模。该端模采用双片式设计，下片宽20cm，上片宽10cm，中间止水带固定模板高5cm，固定钢板采用螺栓连接，锚栓孔到外边长度15cm，正好是止水带宽度的1/2。钢端模通过钢筋与焊接在台车端部的螺母连接。 通过二衬钢端模的使用，一次解决了止水带安装、固定难题，避免了止水带施工中出现的穿孔、不居中、损坏等，增强了施工缝防水保障能力

13、。 1.隧道机械化施工是今后发展方向目前，C6超前钻机、湿喷机械手使用越来越广泛，特别是湿喷机械手已经在隧道施工中广泛推广，一些隧道施工队宁愿一次投入上百万也要买湿喷机械手。三臂凿岩台车在铁路隧道中正处在试验摸索阶段，并呈现出加速推广趋势，今后铁路隧道设计应用三臂凿岩台车施工隧道会越来越多，谁掌握了隧道机械化施工，可以说谁就掌握了隧道施工市场的主动权。 2.机械化施工必须重视机械设备管理为更好地应用好隧道施工机械化设备，项目部必须实行定人、定机、定操作规程、定管理制度和先培训后上岗的管理制度，确保操作人员掌握设备的结构、性能和工作原理，做好设备运转记录、机械保养维修记录的填制工作，动态了解设备的实际运行情况，保证设备的正常运转和施工进度的稳定。 3.集思广益，改进机械化工装为改进隧道机械化施工装备，项目部先后到沈阳、成都、凌源、昆明等地参观考察，借鉴了兄弟单位大量经验，并召开了多次研讨会，对工装设计方案进行研究改进，通过不断摸索，共同努力，设计了相对适用的隧道工装，提高了施工质量和工作