2023年郑万高铁隧道成套机械化施工质量安全管控.docx

郑万高铁隧道成套机械化施工质量平安管控 目 录 一、工程概况 2 二、理念创新、开创隧道建造新局面 2 三、设计创新、引领隧道建造新思路 3 四、装备升级、增强隧道风险管控力 7 1.全三臂凿岩台车 8 2. 三臂（筐）钢架安装机 8 3. 多榀钢架安装台架 9 4.湿喷机械手 10 5. 防水板及钢筋自动化安装一体机 10 6. 自行式液压带弧模仰拱栈桥 11 7、智能化二衬台车 11 五、工序卡控、形成过程管控新载体 12 1、超前地质预报 12 2、超前预加固 13 3、开挖 13 4、初期支护 14 5、仰拱 15 6、防水板铺设及钢筋安装 16 7、二衬及养护 17 8、沟槽 18 9、工后检测 19 六、信息管理、延伸安质管控新手段 19 七、总结与展望 21 （1）合理的机械配套是平安质量受控的保障 21 （2）适宜的施工工法是平安质量受控的关键 22 （3）信息化管理是平安质量受控的手段 22 郑万高铁隧道成套机械化施工 质量平安管控 中铁十二局集团 “工欲善其事，必先利其器〞，为充分贯彻建设单位“机械化、信息化与标准化管理深度融合〞，“建设中国高速铁路标准化管理示范工程〞目标要求，通过“以工装保工艺，以工艺保质量，以质量保平安〞的建设理念，推进隧道机械化施工水平更上一个新台阶。在充分结合之前我集团承担的长大隧道机械化配套施工经验的根底上，郑万工程经理部整体筹划，针对保康隧道、罗家山隧道的工程特点和施工条件，以机械化为保障，信息化为抓手，精细化为支撑，到达隧道工程质量平安可控。现将郑万高铁隧道成套机械化施工质量平安管控情况汇报如下： 一、工程概况 郑万高铁湖北段7标，全长34.9公里，总投资32亿元，标段工程以隧道为主，5座隧道共31.2公里(其中保康隧道14750m、罗家山隧道10860m，IV、V级围岩占比69%）。工程特点呈“四复杂、四突出〞：地形复杂、岩性复杂、构造复杂、水文复杂；危岩落石问题突出、岩溶涌水问题突出、软岩大变形问题突出、顺层偏压问题突出。 目前，标段内所有隧道均进入正洞施工，累计完成成洞米32%，质量平安平稳受控。 二、理念创新、开创隧道建造新局面 目前，在我国隧道建设中，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩一般多采用台阶法，甚至采用CD、CRD等分部施工法。主要缺点：施工步序多，支护封闭不及时，对围岩扰动大，平安不易保证，质量控制困难，进度缓慢，工效低下。通过近年来不断探索和实践，隧道建设从单一工序机械化施工逐步转向全工序机械化施工，机械化水平不断提高，但应用范围主要局限于Ⅱ、Ⅲ级围岩，对于Ⅳ、Ⅴ级围岩并未实现机械化配套条件下的大断面施工；为此，郑万高铁湖北段提出“引领中国铁路隧道修建技术进步，实现平安、优质、高效机械化建造〞、“创立隧道智能建造法CSTM（China Smart Tunneling Method），总体技术到达国际领先水平〞、“推动中国隧道智能装备产业化升级〞的总体目标。从设计理论、施工工法、施工工艺、风险管控等方面进行了技术研究并取得了关键成果。通过采用大型机械化配套全工序施工作业，实现了全工序、全地质（II、III、IV、V级围岩）、全断面机械化作业；从理论到实践应用，确保了隧道施工的平安质量有序可控。 三、设计创新、引领隧道建造新思路 根据高铁建造理念，结合“新奥法〞和“新意法〞的原理，根据“全断面开挖对围岩扰动最小〞的理论，秉承“让初期支护承受全部荷载，把二衬作为平安储藏〞的理念，在设计理念上提出由塌方荷载开展为变形控制设计方法；在施工工法上由分步、分部开挖法开展为大断面和全断面开挖法；在支护形式上对超前预加固（超前中管棚代替小导管，掌子面喷射混凝土、纤维锚杆预加固、注浆加固）和初期支护进行强化（中空、砂浆锚杆强化为涨壳式低预应力锚杆，喷射混凝土采用高强、早强混凝土）；在施工装备上由传统风枪为主的人工作业转变为多臂凿岩台车为主的机械化作业；在风险管控上创立了隧道施工风险三险(可控/根本可控/不可控）管控方法。 1.围岩超前预加固措施 根据高铁建造理念，结合“新奥法〞和“新意法〞的原理，提前对掌子面及前方围岩进行预加固，以提高围岩的自稳能力，实现软岩大断面和全断面、大进尺开挖。 围岩预加固措施有以下几类：喷砼封闭掌子面、纤维锚杆加固掌子面、超前小导管/管棚加固、超前注浆加固、新型低预应力锚杆加固。 超前注浆预加固：主要是通过注浆对掌子面围岩进行提前加固，以改变围岩结构提升围岩自身稳定性。 喷射混凝土封闭掌子面：开挖爆破后及时对掌子面进行封闭，减少了围岩暴露时间的同时在围岩面形成一层保护层，减缓了围岩风化剥落的同时加强掌子面的稳定性，可防止掌子面挤出变形和坍塌失稳。 纤维锚杆加固掌子面：主要是通过钻孔的挤密后，通过注浆使得锚杆与围岩形成整体，提升了围岩的稳定性，可防止掌子面挤出变形和坍塌失稳。 超前支护：超前支护的作用是确保洞室开挖在爆破后至初支完成前的洞周的稳定，加强型超前支护有利于大断面、大进尺开挖。 采用新型低预应力锚杆对围岩进行加固，促使围岩及早形成压力拱效应，以到达主动加固围岩，提升围岩自稳定效果，有效加固了洞身段围岩。 2.全断面开挖工法、控制措施 通过对掌子面前方围岩进行预加固后，确定了郑万高铁隧道施工的三种施工工法（包括全断面带仰拱、全断面不带仰拱、微台阶）。 围岩稳定性依据空间特征，可分为掌子面围岩稳定性、洞身段围岩稳定性两类，因此分别对其稳定性状态进行控制。建立了实用的掌子面围岩稳定性控制技术，将掌子面稳定性分为A、B、C、D四类（整体稳定、局部掉块、上半断面不稳定、全断面不稳定），见表1给出掌子面稳定性实用分类方法及控制措施。建立实用的洞身围岩稳定性控制技术，如：1、确定了郑万高铁隧道施工合理的开挖循环进尺控制值（见表2）；2、制定郑万高铁施工阶段洞身各区段支护平安位移控制基准建议值（见表3）；3、确定了郑万高铁隧道机械化配套作业下的仰拱施作合理平安步距为60m，二衬施作合理平安步距为200m，IV、V级围岩采用超前管棚（小导管）和高压注浆加固后每循环开挖支护进尺不大于4榀钢架间距，并提出了满足平安步距的三个前提条件：①超前预加固和初期支护按照设计施作到位；②初期支护及早闭合成环；③围岩及初期支护变形稳定后施作二次衬砌。 表1. 掌子面稳定性分类及控制措施 表2. 郑万高铁隧道施工合理的开挖循环进尺控制值 表3郑万高铁施工阶段洞身各区段支护平安位移控制基准建议值 (D表示隧道洞径) 3.初期支护优化措施 提高初期支护早期作用，让初期支护快速与围岩形成统一支护体系，对初期支护进行优化。 ①加大系统锚杆长度；加强超前预加固（小导管、超前管棚、玻璃纤维锚杆）施工质量； ②采用YE锚杆提高系统锚杆作用，有效控制围岩变形； ③适当提高喷射混凝土早期强度； ④采用机械化配套全断面开挖工法，掌子面一次爆破；减少开挖过程中的扰动。 4．变形稳定监测 坚持把超前地质预报、围岩收敛量测、实体质量检测、应力应变监测纳入工序管理。 郑万高铁对采用机械化大断面开挖工法的隧道作业面进行监测分析，以围岩松动圈、支护变形、结构内力等为监测重点，判断围岩稳定性和掌子面稳定性，并分析其支护效果。根据监测结果确定合理的支护参数。 5.二衬优化设计 根据前期监测结果显示，变形控制与隧规比照，平安储藏高，即：围岩松动圈小，为塌落拱范围理论值的30%；围岩变形小，不超标准控制值的45%；隧道支护平安系数大，最小平安系数约为标准值的1.5倍。初期支护根本承受了全部荷载，对二衬进行优化设计。 ①Ⅲ级围岩二衬厚度统一调整为35cm,不设衬砌钢筋； ②Ⅳ级围岩二衬厚度统一调整为40cm,硬质岩取消衬砌钢筋； ③Ⅳ级围岩二衬厚度统一调整为40cm； 四、装备升级、增强隧道风险管控力 标段内隧道加强型（大机）作业面5个，普通型（非大机全断面）作业面3个，传统人工作业面4个，根据不同工法类型，配置不同工装。 加强型（大机）作业面主要配备有：全三臂凿岩台车、三臂（筐）拱架安装机、自行式液压带弧模仰拱栈桥、宽幅防水板铺设及钢筋自动上料布筋一体机、智能化二衬台车、自动布料带压灌注衬砌台车、全断面封闭温控养护台车、水沟电缆槽一体机等先进工装设备、超前地质预报设备（TSP303隧道超前地质预报系统、Sir-4000地质雷达）。 主要工装配备见表4。 表4.隧道“一洞九线〞主要工装配备表 序号 隧道施工生产线 加强型 普通型 1 超前地质预报 全三臂凿岩台车 超前地质钻机 2 超前预加固 全三臂凿岩台车 锚杆钻机 注浆加固一体机 注浆加固一体机 3 开挖掘进 全三臂凿岩台车 开挖及多榀钢架安装台架 4 初期支护 三臂（筐）钢架安装机 开挖及多榀钢架安装台架 湿喷机械手 湿喷机械手 5 仰拱 自行式液压带弧模仰拱栈桥 自行式液压带弧模仰拱栈桥 6 防排水及钢筋 防水板及钢筋自动化安装一体机 防水板及钢筋自动化安装一体机 7 二衬及养护 智能化二衬台车 二衬台车 智能温控养护台车 自动喷淋养护台架 8 水沟电缆槽 水沟电缆槽一体机 水沟电缆槽一体机 9 工后检测 综合检测台车 安注检一体机 1.全三臂凿岩台车 ⑴功能：区别于传统的三臂液压凿岩台车，全三臂凿岩台车采用全控制，人工辅助定位，具有超前地质预报、超前支护、钻孔自动定位、全方位钻孔、数据采集、分析、配合装药、围岩量测等功能。 ⑵平安卡控：①工效提高显著, 凿岩台车平均进尺3.8m，循环时间21小时40分钟，人工钻爆平均进尺2.5m，循环时间19小时15分钟；台车钻爆按与人工钻爆相同进尺折算后循环时间为14小时15分钟，节约5小时，提高工效26%;②与传统人工作业相比，凿岩台车每台配置5人（队长1人，操作手2人，配合2人），人工钻爆需配置15人，人员投入较少，降低了作业过程中因掉块、噪音、有害气体、机械伤害等带来的人员伤亡风险。 ⑶质量卡控：相比较人工钻爆，凿岩台车炮孔布置根据围岩情况动态调整，很好的控制了钻爆孔的间距，有利于提高光爆效果；同时对于锚杆、管棚、小导管和锁脚锚管等的施工质量有显著提高。 2. 三臂（筐）钢架安装机 ⑴功能：实现了全自动抓举大断面钢架并定位安装；三臂可协调作业，实现了钢架精准定位；具备全方位施作系统锚杆、锁脚锚管、超前小导管的钻孔、安装的功能；配合机械化成孔注浆施工、实体无损检测、装药等。 ⑵平安卡控：①三臂（筐）钢架安装机安装（全断面）3榀钢架用时4小时，传统台架人工安装（全断面）用时6小时/3榀。平均每循环节约2小时，单项工序提高工效50%；②三臂（筐）钢架安装机与传统台架相比，提高了作业人员的平安性，三臂（筐）钢架安装机每台配置6人（司机1人，操作手及配合5人），传统台架人工安装需配置13人，人工少、劳动强度低。 ⑶质量卡控：三臂（筐）钢架安装机具有全自动抓举大断面支护拱架并定位安装，三臂可协调作业，实现了钢架精准定位。 3. 多榀钢架安装台架 ⑴功能：多榀钢架安装台架主要由行走、提升、平移和定位四个系统组成，能够实现拱部钢架预拼装，多榀钢架（3-5榀）整体安装，钢架安装精准定位，同时可兼做施工台架，配合钻孔、装药、锚杆安装注浆等作业。 ⑵平安卡控：①多榀拱架同步安装台架完成3榀拱架安装约需用时4小时，人工台架安装约需用时6小时，平均每循环节约2小时，单项工序提高工效50%；；②与人工作业相比，多榀拱架同步安装台架每台配置7人，人工台架需配置13人，多榀拱架同步安装台架投入人工少、劳动强度低，施工提高了作业人员的平安性，特别是对不良地质灾害时从一定程度上能够减少对人员的伤害。 ⑶质量卡控：多榀拱架同步安装台架利用机械可实现，拱架安装偏差、垂直度、标高精准定位，施工质量高；普通台架只能作为人工施工操作平台，拱架安装由施工作业人员根据测量放样点位进行控制精准度相对较低。 4.湿喷机械手 ⑴功能：喷射面积全覆盖，全部操作采用无线遥控，集行走、泵送和喷射三大功能于一体，湿喷机械手具有作业范围广，操作灵活，性能稳定，布料均匀，喷射能力强等优势。 ⑵