大断面隧道成套设备机械化快速作业研究.pdf
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1、引用格式:张晓东,吴全德,范永在,等.大断面隧道成套设备机械化快速作业研究J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):416.ZHANG Xiaodong,WU Quande,FAN Yongzai,et al.Mechanized rapid operation of complete sets of equipment in large cross-section tunnelsJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):416.收稿日期:2022-09-30;修回日期:2023-05-31基金项目:网络与数据安全四川省重点实验室开放课题(NDS2022-2
2、);成都市科技项目(2022-XT00-00002-GX);铁路总公司系统性重大项目(P2018G048)第一作者简介:张晓东(1973),男,湖北襄阳人,1994 年毕业于包头钢铁学院,建筑学专业,本科,高级工程师,现主要从事海外土木工程项目管理工作。E-mail:zhstone 。大断面隧道成套设备机械化快速作业研究张晓东1,吴全德2,范永在1,刘大刚2,王 岩1,罗 佳3,4(1.中国土木工程集团有限公司,北京 100038;2.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031;3.四川大学锦江学院,四川 眉山 620860;4.电子科技大学 网络与数据安全四川省重点实验室,四川 成都
3、 610054)摘要:为实现阿联酋铁路二期 D 标段隧道安全、快速、高质量修建,开展成套设备机械化快速作业系统化研究。通过调研国内外已有资料,对隧道单作业面机械化施工人机资源进行科学合理的配备;基于掌子面力学平衡稳定性分析,研究得到 S3 级围岩采用全断面法开挖和 S4、S6 级围岩采用台阶法开挖可保证掌子面稳定性,满足规范要求;基于各级围岩适配的快速作业施工工法,通过建立数值软件计算模型,得到 S3、S4、S6 级围岩最大开挖进尺分别为 4.5、2、1.5 m;总结阿联酋铁路隧道机械化施工工艺,对比分析机械化配套施工与传统方法施工的工序时间和施工工效。关键词:单洞双线隧道;机械化;快速作业;
4、施工工法;循环进尺DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.048中图分类号:U 455.41 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0416-09MMe ec ch ha an ni iz ze ed d R Ra ap pi id d O Op pe er ra at ti io on n o of f C Co om mp pl le et te e S Se et ts s o of f E Eq qu ui ip pm me en nt t i in n L La ar rg ge e C Cr ro os ss s-S Se
5、ec ct ti io on n T Tu un nn ne el ls sZHANG Xiaodong1,WU Quande2,FAN Yongzai1,LIU Dagang2,WANG Yan1,LUO Jia3,4(1.China Civil Engineering Construction Corporation,Beijing 100038,China;2.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,Sichuan,China;3.Sichuan University Jinjian
6、g College,Meishan 620860,Sichuan,China;4.Network and Data Security Key Laboratory of Sichuan Province,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,Sichuan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To achieve safe,fast,and high-qualified construction of the tunnel in section D of the
7、second phase of the UAE railway,a systematic study on the mechanization and rapid operation of complete sets of equipment is conducted.By investigating the existing data in China and abroad,the man-machine resources for the mechanized construction of the single operation surface of the tunnel are sc
8、ientifically and reasonably equipped.By using the method based on the mechanical balance stability analysis of the excavation surface,it is found that the grade S3 surrounding rock excavation with full-section method and grades S4 and S6 surrounding rocks excavation with bench method can ensure the
9、stability of the excavation surface.Based on the rapid operation construction method adapted to surrounding rock at all grades,the numerical software calculation model is established.The maximum excavation footage of grades S3,S4,and S6 surrounding rocks is 4.5,2,and 1.5 m,respectively.The mechanize
10、d construction technology of railway tunnel in UAE 增刊 1 张晓东,等:大断面隧道成套设备机械化快速作业研究is summarized,and the process time and construction efficiency of mechanized construction and traditional construction are compared and analyzed.K Ke ey yw wo or rd ds s:single-tube double-track tunnel;mechanization;rapi
11、d operation;construction method;footage driving cycle0 引言 国外隧道建设秉承自动化与智能化的发展理念,在施工阶段配置了成套的机械化施工设备,提高施工效率的同时,也减少了施工作业人员。国内部分隧道建设参考国外隧道施工经验,开展了大型机械化设备隧道施工的试验。刘小军1、韩贺庚等2总结了机械化配套设备在隧道中的推广应用情况,并介绍了蒙华铁路隧道机械化配套施工技术要点。王志坚3、金强国4介绍了郑万铁路湖北段采用的全工序大型机械化隧道建设施工技术,同时,以人工智能和 BIM 等技术为基础,实现隧道开挖自动化、信息化施工。庄泽亮等5较为全面地介绍了大
12、型机械化施工设备的选型。汤宪高等6、徐稳超等7对隧道采用机械化配套施工的工程经济性进行了分析,结果表明其综合效益显著。虽然目前已有大型机械化设备成功应用于部分铁路隧道施工中,但是对其他隧道工程机械化配套系统化施工技术的针对性指导却并不强,因此施工效果并不太理想。本文对阿联酋铁路二期 D 标段隧道在成套机械化设备快速作业施工中所遇到的一些重要问题进行系统化研究,通过采用资料调研、理论推导和数值模拟等方法对大断面隧道采用机械化施工的人机资源配备、施工工法适配性、合理循环进尺和施工工艺参数等进行深入探讨,以期为其他相似大断面隧道机械化施工提供参考。1 工程概况1.1 项目概况阿联酋铁路项目二期 D
13、标段线路经过沙漠、山区、沿海等不同地形,是中国铁建目前工程内容范围最广、难度系数最大、工期最紧、市场要求最高、施工组织最复杂的重点项目之一。为确保按期实现隧道贯通目标,需科学配置机械化施工人力物力资源,精心组织,周密安排,高质量、高标准地推进项目建设。D 标段位于阿联酋东北部,线路经过沙迦、富吉拉、拉斯海马 3 个酋长国。项目全部隧道均位于阿联酋 Hajar 山 脉 主 干 线 隧 道(HJR),线 路 长 度 为108.6 km,共设铁路桥 23 座(4.538 km),公路桥 19座(6.941 km),隧道 9 座(6.946 km),桥隧占比约为10.56%。D 标 9 座隧道累计长达
14、 6 946 m,均为单洞双线大断面隧道,开挖断面面积约 126 m2。D 标隧道各级围岩占比见表 1。表 1 D 标隧道各级围岩占比Table 1 Proportion of surrounding rock at all levels of D-standard tunnel围岩级别占比/%S226.6S345.5S413.6S614.31.2 施工机械配备 在保证工期的前提下,通过对设备科学比选,优化施工组织,拟上场大型设备 23 台/套及部分其他配套设备,涵盖开挖、装运、支护等作业工序,具有系统性强、规模大的特点。设备来源优先选择当地采购或租赁,主要设备由欧洲进口,如三臂凿岩台车、液压
15、破碎锤、混凝土喷射机械手;或从中国进口,如湿喷机、风镐、气腿凿岩机。考虑到从欧洲进口设备周期较长,在隧道施工方案确定后,立即启动采购计划,确保设备及时进场。主要机械化施工设备见表 2。1.3 施工人员配备 项目部为了便于工作的开展,每个施工队均吸纳一定数量的外籍劳工。施工队负责隧道的具体施工任务,由国内招聘部分钻孔台车操作手、喷混凝土机械手操作手、喷锚工、立架工,电工、修理工带领第三国劳务人员施工;其余工种由当地或第三国招聘(挖机司机、液压锤司机、装载机司机、自卸车司机等)。施工人员按作业工区分为开挖班(9 人)、初期支护工班(9 人)、衬砌班(14 人)和附属工班(4 人)。2 机械化施工工
16、法研究2.1 施工工法适配性研究 大断面隧道机械化快速作业的施工工法主要有 2种,即全断面法和台阶法8,考虑到机械化快速作业的原则,应优先采用一次开挖成形的全断面法。但在实际施工中,若围岩条件较差的情况也采用全断面法开挖,往往会导致掌子面无法稳定而影响施工效率和安全性。因此,针对本项目特点采用基于掌子面力学平衡稳定性的分析方法,研究隧道在 S3、S4、S6 级围岩条件下施工工法的适配性。714隧道建设(中英文)第 43 卷表 2 主要机械化施工设备Table 2 Main mechanized construction equipment类别名称规格型号单位数量使用部位开挖设备装运设备初期支护
17、设备二次衬砌设备高压风高压水通风设备三臂凿岩台车Sandvik-DT1131C台1隧道开挖挖掘机(不含液压锤)CAT 323 1.4 m3台1临建平整场地、掌子面排危等挖掘机(含液压锤)CAT 330 1.6 m3台1破碎岩石塔型液压锤(备用)台1隧道开挖备用升降作业车genie Z-45/25J 或徐工台3装药及安装锚杆等长臂叉车JCB 540-170台1小型材料运输侧卸装载机CAT966 4 m3台1装碴侧卸装载机柳工 ZL50台1洞外推碴自卸车18 m3台4运输洞碴等喷混凝土机械手Spraymec 5100S5C台1初期支护喷射混凝土、可喷钢纤维混凝土锚杆钻机XMZ90台1锚杆钻孔二次衬
18、砌台车长度 12 m台1明洞及部分二次衬砌内燃空压机阿特拉斯 20 m3(内燃)台2洞内高压风变频高压水泵无塔供水台3洞内高压水流量需由凿岩台车供应商提供轴流风机XFK 2110 kW台2洞内通风 掌子面稳定性力学模型如图 1 所示。图 1 掌子面稳定性力学模型Fig.1 Mechanical model of excavatoion stability 根据楔形体水平、竖向静力平衡条件得:N=Ff sin 0+(Fq+Fw)cos 0。(1)式中:Fw、Fq、Ff分别为滑移体自重、滑移体竖向形变压力合力、台阶支护力,可根据楔形体几何参数求得;N 为滑动面法向所受作用力;0为滑动面与水平方向夹
19、角,取/4+/2(为围岩内摩擦角)。根据线性摩尔-库仑准则得:T=Ntan +Fc。(2)式中:T 为滑动面切向摩阻力;Fc为滑移面黏聚力合力。沿滑动面切向分解各力得:F1=T+Ff cos 0。(3)F2=(Fq+Fw)sin 0。(4)定义隧道掌子面稳定系数K=F1F2。(5)定义掌子面设计稳定系数K,根据 JGJ 1202012建筑基坑支护技术规程4.2.4,取K=1.4。采用阿联酋铁路隧道地质报告相关围岩物理力学参数(见表3),对阿联酋铁路 D 标隧道 S3、S4、S6 级围岩掌子面的稳定性进行分析,计算结果如表 4 所示。表 3 各级围岩物理力学参数Table 3Physico-me
20、chanical parameters of surrounding rocks at all levels围岩级别重度/(kN/m3)变形模量E/GPa泊松比 内摩擦角/()黏聚力c/MPaS327.67.680.2538.451.10S425.52.840.2733.890.45S622.51.500.2830.800.12表 4 不同级别围岩掌子面稳定系数Table 4 Stability coefficient of excavation surface of different levels of surrounding rock围岩级别施工工法稳定系数是否满足规范要求S3S4S6全
21、断面法3.25满足全断面法1.32不满足台阶法(上台阶长 1 m)1.38不满足台阶法(上台阶长 2 m)1.43满足全断面法1.25不满足台阶法(上台阶长 1 m)1.30不满足台阶法(上台阶长 2 m)1.36不满足台阶法(上台阶长 3 m)1.42满足 注:台阶法施工的台阶高度均按 3 m 计算。814增刊 1 张晓东,等:大断面隧道成套设备机械化快速作业研究 由表 4 计算结果可知,阿联酋铁路隧道 S3 级围岩采用全断面法开挖可保证掌子面稳定性满足规范要求;S4 级围岩需采用长度不小于2 m 的台阶法开挖以保证掌子面稳定性满足规范要求;S6 级围岩需采用长度不小于 3 m 的台阶法开挖
22、以保证掌子面稳定性满足规范要求。2.2 合理循环进尺研究2.2.1 数值计算模型本次数值计算采用 FLAC3D软件,结合阿联酋铁路项目二期 D 标隧道设计资料可知,隧道开挖高度约10.12 m,开挖宽度约 14.33 m,因此确定有限元计算模型的尺寸为 xyz=90 m90 m100 m。数值计算模型如图 2 所示。图 2 数值计算模型图Fig.2 Numerical calculation model diagram2.2.2 计算参数隧道各级围岩参数同表 3,初期支护参数如表 5所示。表 5 初期支护参数Table 5 Primary support parameters围岩级别C32 喷
23、射混凝土/cm钢肋类型和间距开挖工法S310全断面法S420格栅钢架,间距 1.5 m台阶法S630HEB180 钢架,间距 1.0 m台阶法 结合依托工程设计资料和掌子面开挖的实际情况,本次有限元数值模拟的计算工况包括:S3 级围岩分别选取 1.5、2.5、3.0、3.5、4.5 m 5 种循环进尺工况;S4 级围岩分别选取 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m 5 种循环进尺工况;S6 级围岩分别选取 0.5、1.0、1.5 m 3 种循环进尺工况。通过对比分析,以确定各级围岩合理的循环进尺。2.2.3 数值模拟结果分析本次模拟主要采用应力指标进行评价。根据关宝树隧道工程设计要点集中
24、的建议,计算时可按围岩级别的标准值确定,围岩极限抗拉强度一般为 0.2c(c为黏聚力),研究中围岩最大应力控制标准取值情况具体为:S3 级围岩抗拉强度 0.22 MPa,S4 级围岩抗拉强度 0.09 MPa,S6 级围岩抗拉强度 0.02 MPa。分析不同进尺开挖过程中围岩最大主应力变化情况,受篇幅限制,仅分析 S4 级围岩不同开挖进尺下掌子面最大主应力。根据数值模拟结果,围岩主应力随着与掌子面纵向距离的增加而逐渐平缓,最大主应力发生在掌子面中上部。随开挖进尺的增加,最大主应力也不断增加,如图 3 所示。当开挖进尺为 3 m 时,掌子面最大主应力达到 0.18 MPa,超过 S4 级围岩极限
25、抗拉强度 0.09 MPa,因此建议 S4 级围岩台阶法开挖的最大开挖进尺采用 2 m。图 3 S4 级围岩不同开挖进尺掌子面附近应力变化曲线图Fig.3 Stress variation curves of grade S4 surrounding rock near face of different excavation footage2.3 机械化配套施工方法2.3.1 洞口段机械化施工 隧道所有洞口段裸露岩石风化较严重,岩石破碎,且洞口仰坡坡度较陡,因此洞口段采用两台阶法施工,超前大管棚预支护9,管棚施工长度 12 m。管棚施工完成后采用液压锤台阶法开挖。两台阶法施工如图 4所示。图
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