机械化施工在公路隧道安全管理中的应用

作者：蓝树雄 余永盛 黄伟伦 来源：《西部交通科技》2022年第03期

摘要：文章結合堆角隧道工程实例，介绍了三臂凿岩台车、湿喷机械手、多功能拱架台车及其他隧道机械化设备在公路隧道安全管理施工中应用的优点，并与传统施工工法进行对比，从人员投入、工时、质量、安全性等方面分析了机械化施工在公路隧道安全管理中所起到的作用，为同类工程的施工安全管理提供经验借鉴。 关键词：公路隧道施工;机械化;安全管理 中图分类号：U455.1A240884 0 引言

公路隧道施工正朝着机械化施工方向发展，各类机械化施工设备不断推陈出新。实现施工机械化不仅能从降低施工人员人数、减少施工作业时间、改善施工作业方式这几方面对施工人员提供安全保障，还能保障施工作业质量，提升结构安全性及耐久安全性[1]。在大跨径公路隧道施工过程中，新奥法施工理念中充分利用围岩自稳能力与及时支护封闭成环的观点，也是保障不良地质段大跨径公路隧道施工安全的重要手段，而机械化施工的高效则能够强化开挖支护循环作业的连续性，符合隧道施工早封闭的理念。国内外对隧道机械设备的性能、施工工艺、施工质量等都有深入的研究，本文通过对三臂凿岩台车、湿喷机械手、多功能拱架台车及其他隧道机械化设备在公路隧道施工中对安全管理起到的作用进行研究，为隧道安全管理提供借鉴和参考。 1 工程概况

堆角隧道为双洞分离式长隧道，位于广西壮族自治区百色市榜圩镇，隧道区地处低纬度地区，属亚热带季风性气候。隧道为双洞单向三车道，设计长度为1 282 m，设计时速为120 km/h。非加宽段最大开挖宽度为18.48 m，最大开挖高度为12.38 m，断面尺寸较大，施工难度较高。隧道区属构造剥蚀丘陵地貌，山体连绵，地形起伏较大。隧道岩性以粉砂质泥岩、砂岩和泥岩为主，围岩均为Ⅳ级、Ⅴ级，且存在冲沟、水平岩层等不良地质段，冒顶片帮、涌水突泥风险较高。

根据实际情况，现场投入三臂凿岩台车进行不良地质段钻孔作业;投入湿喷机械手进行喷射混凝土作业;投入拱架台车进行钢拱架安装作业，力求解决大跨径隧道施工中风险过高，安全隐患较大的问题。

2 施工机械在隧道安全管理中的应用 2.1 三臂凿岩台车

项目采用湖南五新隧道WD310D电脑导向三臂凿岩台车。该电脑导向凿岩台车可以按照程序预设自动完成如钻孔定位、钻进、反馈与调整等一系列工作，也可完成系统锚杆钻孔安装作业，显著提升施工效率与精度，同时作业环境得以改善、劳动强度低。 三臂凿岩台车在爆破开挖与锚杆作业的安全管理方面有如下优点。

（1）通过电脑控制系统，辅以现场实际围岩条件人工调整参数，能根据钻爆设计精确控制钻眼角度及深度，避免补炮，节约工时，提升工序的衔接性，让断面更快支护成环，提升稳定性。同时，对比人工操作失误引起的断面超欠挖情况，开挖断面更为均匀，使衬砌支护结构受力更为均匀，提升衬砌结构总体安全性。

（2）钻孔时通过传感器反馈自适应控制压力值，减少钻具消耗，降低配件成本，减少设备维护耗时而提升工序的衔接性，让断面更快支护成环，提升稳定性。

（3）钻孔过程中设备仅需2人操作，采用全封闭式驾驶室，减少噪音与粉尘的伤害，减少职业病风险;无须开挖施工人员贴近掌子面施工，避免因排险不当或地质情况较差造成的落石、掉块风险，同时也避免了使用开挖台车作业时的高空作业风险。 （4）施工速度快，凿岩效率高，减少施工时间，提升工序的衔接性。 （5）避免人工清孔时孔渣造成的物体打击风险。

（6）避免传统风镐开挖中风水管破损产生的意外，如高压风管破损造成的物体打击事故，水管破损漏水导致隧道拱脚下沉等。

（7）避免空压机设备维护不当等产生的火灾、爆炸事故。 2.2 湿喷机械手

湿喷机采用耿力机械GHP3015D工程混凝土湿喷台车。该湿喷机械手能够高效进行湿喷作业，显著减少混凝土回弹量，并降低粉尘，营造较好的施工环境。 湿喷机械手在喷射混凝土作业的安全性方面有如下优点：

（1）无须施工人员贴近掌子面施工，同时也避免了使用开挖台车作业时的高空作业风险。

（2）及时高效封闭围岩，提升工序的衔接性。有效控制围岩松动变形，保证施工安全，提升断面稳定性、安全性。

（3）湿喷料可精确控制配合比，避免干喷过程中人工拌和操作不当而引起的强度不均、强度不足现象[2]。

（4）采用信号脉冲反馈，对速凝剂流量实时精确控制，使混凝土强度提升更快，更利于提前形成环向稳定结构。

（5）粉尘明显降低，降低职业病风险，同时避免因视线不佳产生的意外[3]。 （6）混凝土回弹量较少，减少因处理回弹料而耗费的风险区域作业时间。 2.3 多功能拱架台车

项目计划引进五新隧装WXHLC1215多功能拱架台车，可用于钢拱架安装与钢筋网铺设、锚杆安装作业;同时可兼顾质量检测、风水管安装、缺陷修复、注浆等多种高空平台作业。 多功能拱架台车在支护作业安全管理方面有如下优点。

（1）配备两支机械臂和两个工作平台，工人离掌子面较远，避免排险不当或地质情况较差产生的落石、掉块风险，作业环境更加安全，同时也降低了劳动强度。

（2）通过遥控操作，仅需4人即可完成钢架安装与钢筋网铺设，减少危险作业面所需的施工人员。

（3）机械化施工提高工作效率，安装一榀拱架仅需20～30 min，加快工序循环，提升工序的衔接性，及时封闭成环，提升安全性。

（4）使用拱架台车安装钢拱架，间距、倾斜度、安装偏差等指标控制较好，能够提升钢架受力性能，提升结构安全性[4]。 2.4 其他机械化设备

此外，项目还投入自行式钢栈桥、自动防水板铺挂台车、液压衬砌台车进行衬砌作业，后期也将会投入电缆沟台车进行电缆沟槽作业。以下为这些设备在提升作业安全性方面的优点。 2.4.1 自行式钢栈桥

（1）保证仰拱施工周期的行人、车辆通行安全，同时保障平行作业的需求。 （2）保证仰拱填充强度达到规范要求的100%强度前的车辆通行，保障结构强度。 2.4.2 自动防水板铺挂台车

（1）减少人员频繁上下台车而导致高空坠落的风险。

（2）铺挂松弛有度，对比人工操作可更为方便地控制搭接宽度，保证防水板搭接质量，保障结构耐久性。

2.4.3 智能液压衬砌台车

（1）液压支撑约211 m3混凝土，保障浇筑过程的安全，方便调整，保证衬砌厚度。 （2）采用平板振捣器与施工窗口插入式振捣棒结合振捣，避免出现衬砌不密实的现象。

3 传统施工工法与成套机械化施工对比分析 3.1 施工人员投入对比

以堆角隧道Ⅳ级围岩台阶法为例。隧道采用传统风钻爆破法施工时，按要求掌子面不得超过9人同时作业，但一循环上台阶钻眼需9人同时作业5 h，为了缩短工期，劳务队伍会增加作业人员数量进而缩短作业时间，加大了安全生产风险。表1为采用传统风钻爆破法进行施工，一循环所需人员数据统计表。

替换成套机械化进行施工，对一循环所需人员进行统计，收集数据如表2所示。 分析表1、表2，可以得出，采用成套机械化施工可降低隧道施工班组的人数，能够减少风险区域的施工人员人数，减少劳务成本，同时降低风险发生的概率。 3.2 所需工时对比

以开挖至下一次开挖作为一次循环作业，对一循环所需工时进行统计，收集数据如表3所示。

分析表3可知，采用成套机械化施工可降低隧道循环施工次数，能够减少每循环作业所需时间，提高效率，保证支护作业的及时性，及时封闭成环，减少因支护不及时导致的围岩变形沉降，提升安全性。 3.3 整体质量对比

隧道施工质量是影响隧道施工过程与隧道完工后整体稳定性的重要因素。采用成套机械化工艺施工，对比传统施工方法，能够更有效地对施工技术规范与质量标准进行控制。 三臂凿岩台车能有效控制隧道超欠挖，保证后续施工初期支护、二次衬砌厚度，避免拱架因欠挖导致安装偏位等情况，使衬砌支护按照设计均匀受力，更为稳定。 湿喷机械手能够较好地解决初支空洞这一质量缺陷，确保安全性。

多功能拱架台车能对拱架的安装进行精准调整，从而控制拱架间距、倾斜度、安装偏差，保证保护层厚度，同时也方便进行连接钢筋的安装，保障拱架受力合理。

自行式钢栈桥能保证仰拱回填达到强度后再开发交通，避免出现开裂等现象，影响结构强度。

防水板台车能够较好控制防水板搭接宽度，避免搭接不足导致脱焊现象。

液压二衬台车能够通过充分振捣，确保衬砌背部密实，保证混凝土衬砌整体强度，提升安全性，同时其自身刚性可以保证墙面平整度。 3.4 整体安全性对比

成套机械化隧道施工设备能够多方位、多角度对隧道施工安全进行保障。

（1）减少危险区域施工人数，降低管理难度，使作业人员较为远离掌子面施工，减少落石、掉块风险，保障施工环境的安全性。

（2）提升工作效率，能够及时、迅速地封闭岩面，支护成环，有效控制围岩松动变形，保证施工安全。

（3）降低劳动强度、改善施工环境，减少施工人员因恶劣环境高强度施工而引发的危险。

（4）提升施工质量，提升隧道结构安全性。 4 结语

公路隧道施工通过采用成套机械化设备作业，不仅能够有效提升生产效率，节约人工成本，加快施工流程进度，缩短建设工期，还能有效保障施工过程中的安全，同时保证和提高工程质量，确保工程的结构安全性、耐久性[5]。公路隧道建设应朝着机械化施工方向发展，在发展过程中应考虑如双侧壁开挖法中的侧导坑这类狭窄作业场所，可往小型化、轻量化、智能化、信息化发展，同时降低设备成本，提升设备在各种环境中的适用性、可操作性，以覆盖更多的公路隧道工程作业，进而提升公路隧道施工的安全性。 参考文献

[1]贾志龙.公路隧道施工机械的科学配置探究[J].机电产品开发与创新，2021，34（2）：118-120.

[2]郭海斌.长大隧道混凝土湿喷机配套施工技术[J].山西建筑，2021，47（2）：141-142. [3]刘吉昌，刘朝阳，王清标，等.长大隧道混凝土湿喷机配套施工技术[J].工程技术，2021，47（20）：112-113.

[4]姜 超，石修灯，路修强，等.拱架台车的研究現状与发展趋势[J].建筑机械，2020（9）：12-15.

[5]马殷军.山岭公路隧道机械化施工现状与展望[J].中国铁路，2020（12）：150-155. 作者简介：

蓝树雄（1973—），高级工程师，主要从事公路工程安全管理工作; 余永盛（1997—），助理工程师，主要从事公路工程安全管理工作;

黄伟伦（1995—），助理工程师，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作。