中铁五局集团有限公司 湖南省长沙市
摘要：京张高铁新八达岭隧道长12.01km，位于八达岭长城核心风景区，工期紧、安全质量和环保要求高。通过配备全自动三臂液压凿岩台车、三臂拱架安装机和全自动防排水铺设台车等设备保证了施工安全，加快了隧道施工进度。通过对二衬台车采用集中振捣和浇筑管理系统进行控制、对二衬砼采用智能保温保湿台车进行养护确保了隧道混凝土施工质量。通过采用除尘机除尘和曝气生物滤池污水处理设备处理污水，保护了八达岭长城景区的环境。可以为类似工程起到一定参考作用。
关键词：长大隧道；机械化配套；全断面开挖；微台阶法开挖；风景区
Mechanized Matching Construction Technology of
New Badaling Tunnel
XIAO Chengyi
（China Railway NO.5 Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410007，China）
Abstract：The new Badaling Tunnel is 12.01 km long，located at the core scenic spot of the Badaling Great Wall，with a tight construction period，high safety，quality and environmental protection requirements.The construction safety is ensured and the tunnel construction progress is quickened by the equipment such as automatic three-arms hydraulic drilling bench，three-arms arch frame installation machine and automatic platform for waterproof and drainage laying.Through the control of centralized vibration and pouring management system for the second-liner platform bench，the construction quality of tunnel concrete is ensured by adopting the intelligent insulation and moisturizing platform bench.By using dedusting machine and biological aerated filter sewage treatment equipment to treat sewage，the environment of Badaling Great Wall Scenic area were protected.It can play a certain reference role for similar projects.
Key words：long tunnel；mechanization matching；full Section excavation；micro-step excavation；scenic spot
0 引言
随着我国国民经济的发展，铁路的发展越来越快，铁路工程中长大隧道比例越来越多。为保证长大隧道按期完工，减少工人的劳动强度，确保掌子面作业人员的安全，提高二衬混凝土的施工质量，机械化配套施工技术在长大隧道中的应用越来越广泛。
京张高铁新八达岭隧道长12.01 km，位于八达岭长城核心风景区，工期紧、安全质量和环保要求高。文献[1]对长大隧道机械化配套设备选型进行了研究，文献[2~5]对长大隧道机械化配套技术进行了研究，文献[6]对隧道机械化施工成本进行了分析研究。本文在上述研究的基础上，通过配备全自动三臂液压凿岩台车、三臂拱架安装机和全自动防排水铺设台车等设备保证了施工安全，加快了隧道施工进度。通过对二衬台车采用集中振捣和浇筑管理系统进行控制、对二衬砼采用智能保温保湿养护确保了隧道混凝土施工质量。通过采用除尘机除尘和曝气生物滤池污水处理设备处理污水，保护了八达岭长城景区的生态环境。
1 工程概况
1.1工程概况
京张高速铁路是北京2022年冬奥会的一项重要交通配套设施，是京津冀一体化的一条重要交通动脉。新八达岭隧道是京张高铁全线最长的隧道，全长12.01 km，为全线控制性工程。隧道地处八达岭核心风景区。
1.2工程地质水文情况
隧道地层岩性主要为：第四系松散层（Q4），白垩系下统流纹质熔结角砾凝灰岩（K1d），长城系高于庄组燧石条带、白云岩和白云质灰岩（Chg），燕山晚期（γ5）侵入岩，如花岗岩、细粒花岗岩、伟晶花岗岩，斑状二长花岗岩、石英二长岩以及流纹斑岩脉、花岗斑岩脉、闪长玢岩脉、辉绿岩脉、辉长岩脉以及霏细岩脉。花岗岩差异风化现象严重，掌子面经常出现半边软、半边硬的现象，易发生溜坍现象。围岩变化频繁，围岩好一段、差一段。部分地段地下水发育，风化花岗岩遇水软化，自稳性差。
1.3周边环境情况
新八达岭隧道位于长城景区，进口位于居庸关长城景区，1号斜井位于水关长城景区，2号斜井位于八达岭长城景区。每逢周末和法定节假日，到长城旅游参观的游客较多，进入景区道路拥堵严重。景区施工环境保护要求高。
1.4施工作业面及工期情况
新八达岭隧道设有进口、1号斜井、2号斜井和出口4个工区，共6个工作面同时进行施工。2#斜井实际进场日期2016年5月1日，1#斜井和进口实际进场日期2016年5月15日，隧道出口实际进场日期2016年7月1日。隧道贯通时间为2018年10月。原设计Ⅱ级围岩比例多，实际施工过程中约60%的Ⅱ级围岩变更为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。再加上经常受各种外界因素影响停工，有效作业时间少，工期压力非常大。
2 新八达岭隧道机械设备配置
2.1新八达岭隧道机械化配套原则
新八达岭隧道机械化配套主要考虑以下原则：
（1）地质先行：机械的配备要考虑八达岭地区花岗岩差异风化，变化频繁的地质特点。
（2）进度优先：京张高铁是2022年冬奥会配套工程，政治影响大，必须按时开通。
（3）质量可控：中国铁路总公司打造精品京张的要求，质量要求高。
（4）安全可靠：八达岭隧道位于北京市郊区、世界文化遗产长城下，必须确保施工安全。
（5）环境保护：隧道位于国家5A级旅游景区的核心区，环境保护要求高。
（6）经济合理：要兼顾经济合理的原则。
2.2新八达岭隧道开挖工法
由于新八达岭隧道为花岗杂岩地区，围岩变化频繁，风化差异明显。为了应对因围岩频繁变化而引起的工序不断调整，对开挖工法进行研究改进。Ⅱ、Ⅲ级围岩地段采用1台三臂凿岩台车按全断面工法进行开挖，采用凿岩台车全断面一次钻眼一次爆破。Ⅳ、Ⅴ级围岩地段采用1台三臂凿岩台车按微台阶法进行开挖，台阶宽3~5m，上下台阶同时钻眼，同时爆破。
（1）三臂凿岩台车微台阶开挖工法
微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩。既有全断面开挖进度快的优点，又有台阶法施工有利于保持掌子面稳定的优点。
采用1台三臂凿岩台车上下台阶同时钻眼，同时爆破、同时出碴，缩短工序间的衔接时间。台阶长度为3~5m，见图1。利用爆破作用力将上台阶石碴翻至下台阶，剩余少量石碴采用挖掘机翻至下台阶。上台阶初支作业采用拱架安装机和混凝土喷射机械手在下台阶进行施工。
为防止下台阶开挖后上台阶已施作的初期支护产生掉拱现象，锁脚锚杆及系统锚杆必须严格按设计施工。同时，上台阶必须保证至少有1榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空。在施工中必须严格控制下台阶的开挖进尺。保证上台阶长度3~5m。
图1 微台阶开挖法纵断面示意图
Fig.1 Schematic diagram of vertical section of micro-step excavation method
（2）微台阶工法的优点
微台阶工法适用于围岩频繁变化地段，与全断面工法转换快。全断面一次成型，减少下台阶开挖的干扰。采用机械化施工，安全性好。
2.3新八达岭隧道机械化配套配备
在目前铁路隧道施工中已广泛使用的液压凿岩台车、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥、二衬成套工装、沟槽整体模板的基础上，配备了全自动三臂液压凿岩台车、三臂拱架安装机、全自动防水板铺设台车、智能养护台车、除尘机、污水处理机等设备，对二衬台车增加了集中振动系统和混凝土浇筑管理系统。新八达岭隧道十条作业线的机械设备配备见下表1。
表1 单工作面机械设备配备表
Table 1 Mechanical equipment table for single working face
3主要作业线的机械化施工技术
3.1全自动三臂液压凿岩台车开挖技术
新八达岭隧道采用瑞典阿特拉斯BoomerXE3C全自动三臂液压凿岩台车进行开挖。
（1）全自动三臂液压凿岩台车数字化的全智能控制系统可实现车辆自动定位、臂架姿态自动调整，设备到达掌子面处支腿支撑平稳后，测量人员测量台车后方2个棱镜的坐标输入台车电脑，操作司机根据电脑提示调整位置。
（2）将钻孔深度、外插角度、炮孔间排距、钻孔顺序等参数输入控制系统，凿岩台车自动根据设定参数找点钻孔，操作过程中，配置人员根据掌子面实际情况对点位进行微调。
（3）外插角控制通过操作人员操作手柄控制大臂的倾角和方向，使之与车载计算机屏幕上的短线及偏向完全重合，保证钻孔按照预定的角度和方向钻进；每循环爆破后测量人员复核超欠挖值，根据围岩及超欠挖情况指导台车操作人员对周边孔外插角进行调整。
（4）钻孔精度：钻进偏差小于3cm/m；开孔偏差小于3cm；深度偏差小于1%；当钻孔深度为5 m时，外插角不足2°。最小外插值可控制在：孔深 2m时12cm、4 m时20cm。
（5）钻进速度（双线单台）：进尺4m，时间210min；进尺3m，时间180min；进尺2m，时间120min。
（6）人员配置（单台）：操作司机3人；装药10人；修理工1人；班长1人。
3.2 三臂拱架安装机安装拱架技术
新八达岭隧道采用JC3B1250多功能三臂拱架安装台车进行拱架安装。
台车采用三臂三平台、三臂三抓手、柴电双动力、重力自适应、全尺寸夹具等核心设计结构，三臂可同时或独立抓举拱架并连接；可完成拱架间拉筋与网片焊接作业；可进行高空排险作业；可进行激光定位作业；可为装药、安装锚杆、挂设钢筋网、找顶、测量等高空作业提供平台。拱架安装机立架与人工立架对比见表2。
表2 不同拱架安装方式对比表
Table 2 Comparison table of different arch mounting modes
3.3全自动防排水板台车铺设技术
全自动防水板铺挂台车由支撑桁架、气囊板、射钉枪架、排布架、电气系统、控制系统等组成。防排水板铺挂台车从结构设计及信息化采集，能实现防水板/防排水板与自粘布自动布料、自动扫描初支轮廓、初支渗漏水等的影像采集、自粘布自动射钉固定、防水板/防排水板自动粘贴铺挂等功能。全自动防水板铺挂台车示意见图2。
自粘式防排水板由防排水板本体、自粘布和粘接带组成。
采用全自动铺挂台车进行自粘式防排水板的铺设，拱墙部位防排水板铺挂工效优势明显，每幅较普通防水板提高了约40%，降低了工人的劳动强度，提高了施工效率，保证了施工质量。可以实现防排水板铺挂的自动化和智能化，进一步提升自粘式防排水板铺挂效率及铺挂质量。
图2 全自动防排水板铺挂台车示意图
Fig.2 Sketch of automatic platform for laying waterproof and drainage board
3.4隧道二衬混凝土施工技术
隧道二衬施工采用分仓下料、拱顶压浆和带模注浆等工装工艺后，混凝土质量有很大的提高，尤其是拱顶空洞明显减少。但由于台车作业空间小，工人操作不方便，二衬台车上附着式平板振捣器多，容易出现过振和漏振等现象，从而导致混凝土外观出现蜂窝麻面、内部空洞等质量通病。采用集中振捣和浇筑质量管理系统等新技术，可以克服这些质量通病，见图3。
（1）集中振捣技术
将隧道衬砌台车上分散安装的平板振捣器连接于PLC电柜控制箱，再将PLC电柜控制箱连接于上面有对应的平板振捣器启停按钮的移动式按钮开关控制箱，进行实时控制。
PLC电柜控制箱由继电器、接触器、PLC控制系统、触摸电容屏组成，通过触摸电容屏进入操作系统能够对平板振捣器进行启停控制，能够记录并显示平板振捣器的运行状态和时间，能够对平板振捣器的数据进行清零或者导出操作。
（2）混凝土浇筑质量管理系统
该系统包括两大部分，混凝土配送管理系统和混凝土浇注振捣管理系统。
混凝土配送管理系统主要功能是运用二维码信息技术，对混凝土生产、运输和入模进行管理。混凝土浇筑振捣系统主要功能是对混凝土浇筑过程进行记录和监测统计。监测统计附着式振捣器运行情况，直观显示累计振动时间等，防止混凝土漏振或过振。浇筑完毕显示浇筑总方量，并与设计方量和断面扫描方量进行对比分析，可以得出超灌情况或拱顶空洞情况。并及时采取相应措施，保证二衬混凝土的质量。
图3 混凝土集中振捣及浇筑管理系统示意图
Fig.3 Sketch of concrete concentrated vibration and pouring management system
3.5智能保温保湿养护技术
隧道养护采用智能保温保湿养护台车。养护系统由两部分组成：加热加湿系统、保温保湿系统。主体结构设计采用门架形式，养护系统主要由主结构、外拱、行走系统、加热系统、密封系统、雾化系统、智能温湿度控制系统组成。加热系统采用定制的耐高温、强酸、强碱的工业级电加热装置，在外拱外侧分区域实现加热，同时通过智能温湿度控制系统对密封养护区域内温度、湿度实现智能控制与调节。智能养护台车见图4。
图4 智能养护台车实物图
Fig.4 Physical drawing of intelligent maintenance bench
衬砌台车脱模行走后，全自动智能养护台车同轨行走就位，密封气囊隔绝封闭，根据实时测量的混凝土芯部温度及变化趋势设定好加热系统的温度及时间，保证对衬砌混凝土芯部与外表的温差进行弥补。养护湿度主要是根据养护传感器监控养护湿度是否超设定值，加湿系统对混凝土表面进行实时补湿。
3.6机械除尘技术
洞内降尘采用北京新能正源公司XA3000降尘设备进行。XA3000降尘设备采用特有的风幕隔绝技术，能有效控制粉尘扩散。处理后空气粉尘含量可低至每立方米0.1毫克，并可净化PM2.5。集群滤芯为脉冲自动清洗重复使用型，可靠耐用，现场免维护，使用成本低。可快速清洁掌子面爆破后的粉尘，大幅减少爆破后等待时间。降低送风机的要求，尤其是掌子面风量受限时仍然可以进行除尘净化作业。粉尘浓度与整机动力自动匹配，高效节能。可实现隧道掌子面粉尘的强力清洁；超低噪音，最小值为78dB；采用少风量换气方式，降低成本；长时间无需更换滤网，免维护；采用先进的灰尘传感器，实现自动运转。XA3000降尘设备见图5。
图5 隧道内除尘机实物图
Fig.5 Physical drawing of dust remover in tunnel
3.7曝气生物滤池污水处理技术
2#斜井由于工作面多，涌水量大，污水处理工作量大，又位于八达岭风景旅游核心区。北京市的环水保政策要求严、标准高，原设计配备的气浮设备只能处理悬浮物、少量的PH值、化学需氧量，石油类，排放水质达不到北京市《水污染排物综合排放标准》要求。
根据对洞口废水进行特征分析，发现废水中的主要影响成分有SS、COD、氨氮、总氮。为了避免这些废水造成对周围环境的影响，采用曝气生物滤池（G~BAF）污水处理设备进行污水处理，利用生物滤池活性炭工艺，絮凝沉淀、生物滤池（BAF）、活性炭吸附等有效解决了八达岭风景旅游区污水排放达标问题。见图6。
生物滤池净水原理是滤池内滤料上生长的生物膜中微生物氧化分解作用，滤料及生物膜的吸附截留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。污水流经滤料时，滤料表面附着生长高活性的生物膜，滤池内部曝气。待生物膜成熟后，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，从而得到净化。
图6 曝气生物滤池污水处理厂实物图
Fig.6 Physical drawing of biological aerated filter wastewater treatment plant
4 机械化配套月进度指标分析
4.1全断面开挖工法各工序指标分析
（1）开挖工序循环时间分析
采用1台三臂凿岩台车全断面法开挖，循环进尺4m。全断面爆破眼数206个，纯钻眼时间约为160min。台车行走就位、施工准备、撤离等耗时约45min。装药爆破时间约90min，通风15min。则钻眼、装药、爆破每循环共耗时310min，约5.15h。
（2）出碴工序循环时间分析
采用2台3m3装载机装碴，装车需用时200min。装载机清理爆碴、就位、撤离及挖机排险找顶时间约45min。每循环出碴共需耗时245min，约4h。
4.2微台阶开挖工法各工序指标分析
（1）开挖工序循环时间分析
采用1台三臂凿岩台车微台阶法开挖，Ⅳ级围岩循环进尺2m。上下台阶总炮眼数190个，纯钻眼时间约为90min。台车行走就位、施工准备、撤离等耗时约45min。装药爆破时间约75min，通风15min。则钻眼、装药、爆破每循环共耗时225min，约3.75h。
（2）出碴工序循环时间分析
采用2台3m3装载机出碴，装车需用时108min。装载机清理爆碴、就位、撤离及挖机排险找顶时间约45min。则每循环出碴共需耗时153min，约2.5h。
（3）初支循环时间分析
测量放线30min，台车行走就位、施工准备、撤离等耗时约45min，立架采用三臂拱架台车安装，每个循环立拱架两榀，需要120min，共需195min。喷射混凝土采用湿喷机械手，每循环需用时1.5h，机械手进出场及准备时间每次约1h，共耗时约2.5h。
4.3月进度指标分析
表3 开挖循环时间计算表
Table 3 Calculation table for excavation cycle time
每月按25天计算，Ⅱ、Ⅲ级围岩采用1台三臂凿岩台车全断面法开挖，月进度指标可达到200m；Ⅳ级围岩采用1台三臂凿岩台车微台阶法开挖，月进度指标可达到96m。
5结论
新八达岭隧道通过采用机械化配套施工技术，施工进展顺利，安全质量平稳可控，环境保护满足要求。
（1）通过配备全自动三臂液压凿岩台车、三臂拱架安装机和砼湿喷机械手、全自动防排水板铺设台车等大型机械设备，大大减少了劳动强度和劳动力数量，既保证了施工安全，又加快了施工进度。同时减少了作业人员生活生产对景区环境造成的影响。
（2）通过对二衬台车进行分仓下料、带模注浆、集中振动、浇筑管理等工装和技术的改进，以及采用智能保温保湿养护台车进行养护，大大提升了二衬混凝土的施工质量。
（3）洞内采用除尘机降尘，洞外采用曝气生物滤池处理污水，既改善了洞内工人的作业环境，又保护了洞外旅游风景区的水土和大气环境。
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基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题2016G004-H，项目名称：长大隧道机械化施工技术研究。
论文作者:肖承倚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/11
标签：台车论文; 隧道论文; 围岩论文; 混凝土论文; 台阶论文; 八达论文; 作业论文; 《基层建设》2019年第5期论文;