隧道施工機械選型技術分析

劉瑞波

（中交第二公路工程局有限公司 陜西 西安 710065）

0 前言

我國是一個多山的國家， 隨著交通事業的不斷發展，自然隧道修建項目就較多。 隧道基本都處于高山巖體深處的地層中，坑道穩定，巖體堅固穩定，圍巖壓力小，不存在偏壓受力的問題。 從國內外隧道施工技術的實際經驗來看，目前來說，主要有鉆爆法和隧道掘進機施工法兩種。 鉆爆法在近期及以后較長一段時間都是隧道掘進的主要手段，特別適合于大量短隧道、破碎巖石隧道和堅硬巖石隧道的施工中，開挖成本低，對地質條件適應性強。 而隧道掘進機施工法就是采用隧道掘進機來進行施工，這是一種專門用于開挖地下隧道的施工設備，有利于降低勞動強度和環境保護，具有經濟、安全、優質、開挖快的優點[1]。

1 隧道施工方法的選擇

1.1 從工程技術的角度來看，隧道圍巖工程地質和水文地質條件，是影響施工方法選擇的最關鍵因素。 針對具體的隧道工程，采用何種施工方法，不僅取決于圍巖工程地質和水文地質條件，也必然受到隧道工程結構條件和工程施工條件的影響。 圍巖工程地質條件，即隧道所處的地下津筑環境條件，主要表現為圍巖的自穩能力和抗擾動能力、被挖除巖體的抗破壞能力、地下水儲藏條件、地應力大小、地溫、易燃易爆有害物質以及這些條件的變化情況[2]。 隧道工程結構條件主要表現為隧道長度、隧道斷面大小、形狀、調空的組合形式以及支護結構類型等饋況。 菠道工程施工條件主要表現為施工對圍巖的擾動‘支護對周巖提供幫助或限制的有效性、施工作業對空間的要求、提簡施工速度的要求、控制施工成本的要求、保證工程質量的要求、保證施工安全的要求、減少環境污染的要求、施工隊伍技術水平、施工人員素質、施工隊伍的管理水平。

1.2 隧道施工方法的選擇原則是：應根據實際隧道工程上述3 個方面的條件，尤其是圍巖工程地質條件，充分研究、綜合考慮，選擇適當的施工方法，并根據各方面條件的變化及時調整和改變施工方法。 所選施工方法必須與圍巖的自穩能力相適應，必須與被挖除巖體的堅硬程度相適應，必須與工程地質條件的變化相適應。 所選施工方法必須與隧道斷面大小、形狀，以及洞室的組合情況相適應。 所選施工方法必須與施工技術水平相適應。 所選施工方法必須盡量減少對圍巖的擾動，必須盡量保持圍巖的自穩能力不顯著降低，必須盡量利用其自穩能力，必須能有效保證圍巖穩定，必須能夠滿足作業空間的要求。 所選施工方法必須能滿足施工組織和管理方面的要求，必須能夠滿足施工速度的要求，必須能滿足施工成本控制的要求，必須能滿足工程質量的要求，必須能滿足施工安全的要求，必須能滿足環境保護的要求[3]。

1.3 應當指出的是，隧道工程施工是在應力巖體中開拓地下空間。 由于地質條件的復雜性和多變性，以及地質勘探、施工技術和人們對工程問題認識的局限性，使得人們在隧道施工過程中不可避免的會遇到預料之外的地質條件的突然變化，甚至發生如流變、坍方、流沙、突泥、涌水、巖爆等工程事故。所以，隧道施工人員，一方面，應當根據隧道工程各方面的具體條件加以綜合考慮、反復比較，選擇最經濟、最合理的施工方法，甚至是多種方法、多種技術的綜合應用；另一方面，應密切關注施工過程中的各種變化，及時根據實際情況調整施工方案、施工方法、施工技術和施工進度等各項計劃。 這是一個受多種因素影響的動態的擇優過程。

2 隧道施工機械選型的重要性

在隧道施工中,常用的機械設備主要有通風設備（如射流風機、軸流式通風機、軸流式通風機,等），裝運設備（如隧道挖裝機、電瓶車、立爪裝巖機、自卸汽車、翻車機、礦斗車、裝載機等），鉆爆設備（如螺桿空壓機、內燃空壓機、電動空壓機、風動鑿巖機等），噴錨襯砌設備（如抗水壓模板臺車、單線模板臺車、砼輸送泵、濕噴機、注漿機/軌行式砼輸送車、砼攪拌機、砂漿拌合機、砼組合攪拌機、管棚鉆機、雙液注漿泵等），以及其他設備（如制暖設備、制氧設備、照明設備、電力變壓器等）。可供隧道施工方選擇的機械設備數量眾多，性能各異。 如果在保證隧道施工的經濟性、 安全性及進度的基本前提下，選擇最優化的設備組合和機械設備， 對于提高隧道施工質量，節約隧道施工成本，縮短施工周期極為重要。 與此同時,如果施工方沒有明確的機械設備選型方案, 那么無法安全控制進入隧道施工現場的多種設備。總之,有效的隧道施工機械選型技術,可以有效保證順利進行施工方案，又能夠確保機械設備在整個隧道的施工期間都具有有效性、連續性。

3 隧道施工機械選型的基本原則

為了使隧道施工機械可以更好地發揮出經濟效益，隧道施工機械選型應該綜合考慮經濟條件和技術條件，經濟條件主要包括易損件的儲備量、機械設備的利用率、使用時間、購置費用等方面。 技術條件主要包括設備的靈活性、耐久性、通用性、易操作性及維修的難易性，勞力資源，能源消耗，工作效率，工作量等[4]。

3.1 機械選型原則

①所選機械技術性能必須要有效滿足現代施工的需求，具體表現在:機械設備機動性好、安全舒適、易于檢修、生產效率高、結構先進、環保性好、構造簡單、操作可靠。

②所選機械的生產能力應適合運輸遠近、 施工強度、場地大小、施工土質、工作性質等施工條件，能夠最大程度地充分發揮出機械的效率。

③所選機械從經濟效益上來看，應根據施工工程的具體情況而定，低性能的機械設備價格便宜，但作業能力低；高性能的機械設備價格昂貴,但作業質量和作業能力都較強。通過技術經濟比較，優選出單位產品費用低、生產率高的機械設備。

3.2 設備機群的組合配套原則

①在組合設備進行機械化施工的過程中，應避免出現一臺設備發生故障導致整個施工過程都停止，要盡可能地組織幾條施工生產線進行并列施工。

②在每一條并列進行流水作業的施工生產線上，應盡量減少組合機械的機種，組合機種越多，那么停工概率就越大，作業效率越低。

③在組合機械中，為了便于維修管理和調度使用，應該盡量去選擇那些性能、型號相同的機械設備。

我們以隧道施工盾構機為例，影響盾構機選型的要素主要有覆蓋層厚度、施工作業環境、隧道線形和長度、地下水的水壓及含量、盾構機與后續設備的配套能力、有無輔助工法，還有地層條件（是否含有大卵石和砂礫、石英的含量、巖土體的顆粒級配、軟硬程度、強度等）。 對盾構機進行合理選型，必須要結合襯砌的類型防止出現坍塌和滲漏的現象, 要具有性能良好的掘進能力,確保開挖面的穩定性等，所以從這些因素來看，盾構機的選型技術不是一個單一的問題，而是一個應該綜合考慮各種因素的系統問題，尤其是要考慮到整個施工系統的經濟性[5-8]。 圖1 表示了以盾構選型為核心的各因素的影響及其相互作用關系。

圖1 盾構機選型關系圖

4 某隧道選型實例

4.1 某隧道概況

該隧道施工每月有效施工時間25 天， 巖石類型為花崗巖， 地質構造復雜， 施工難度較大。 進度指標為: Ⅱ級圍巖120m/月，每循環進尺為2.4m;Ⅲ級圍巖100m/月，每循環進尺為2.0m;Ⅳ級圍巖70m/月，每循環進尺1.6m。

4.2 施工設備選型

該隧道施工方本著“裝渣能力要低于運輸能力，鉆爆能力要低于裝渣能力， 施工組織要求能力要低于開挖能力”的機械選型原則，配備了先進、合理的裝渣開挖運輸、錨噴支護作業線等施工設備。

（1）運輸機械選型

要充分考慮到具體的隧道施工環境、經濟條件和技術條件這三個因素來選擇合適的運輸設備型號。 考慮到裝渣運輸量大，運輸設備應該選擇運輸方量較大的型號，同時由于工期緊，在數量選擇上不能出現裝碴設備等車的情況，要保證裝碴設備隨時都可以保持裝碴作業。 本項目采用無軌運輸方式來進行洞內出碴的方式，6 輛型號為VOLVO FM7/12 的自卸汽車、3 輛型號為TAMROCK-T10 的三臂液壓臺車、3 輛型號為ZL50C 的裝載機、1 輛型號為SK115SR-1E 的挖掘機。

（2）錨噴支護作業線施工機械

對于錨噴支護作業而言， 只有采用性能良好的混凝土、優質錨桿、先進的配射設備、先進的噴射工藝才可以有效地確保支護的質量。本項目采用3 輛瑞士MEYCO Potenza 混凝土噴射機，生產率為30m3/h，最大噴射寬度為20m，最大噴射骨料粒徑為22mm， 可噴射面積約240m2， 最大噴射高度為14m。 與此同時，選用4 輛型號為ZJB-30 的高壓灌漿泵，4 輛型號為PLD1200-56m3/h 的自動配料機，2 輛型號為JSY500-25m3/h 的強制式拌合機，8 輛國產混凝土攪拌輸送車，這些選用設備完全可以有效滿足3 輛瑞士MEYCO Potenza 混凝土噴射機連續噴射作業的要求。

（3）襯砌路面作業線施工機械

圖2 機械選型與配套

因為該隧道圍巖較好， 路面混凝土施工沒有特殊要求，只需要安裝正常要求處理即可，我們基于維修量小、操作可靠、加工簡單的原則，選用了2 輛型號為HBT60C-14/1m3的混凝土輸送泵，1 輛型號為YZ12 的壓路機，2 輛型號為AH5261GJB/8m3的混凝土攪拌輸送車，3 輛自制的液壓襯砌臺車，如圖2 所示。

［1］胡威東，楊家松，陳壽根.長隧道快速施工機械選型配套技術[J].東北水利水電，2009（02）：125-128.

［2］黃世紅.磨溪二號隧道出口無軌運輸快速施工實踐[J].西部探礦工程，2004（09）：174-176.

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［4］謝國權，曾新華.某特長隧道無軌運輸施工通風技術研究及應用[J].人民長江，2007（11）：185-189.

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［6］范恒秀，郝小蘇.廈門東通道海底隧道快速施工之淺見[J].鐵道工程學報，2005（03）：174-178.

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［8］劉瑞永，王昌清.單線鐵路隧道無軌運輸通風對策[J].鐵道勞動安全衛生與環保，2004（03）:152-154.