漫談礦山法隧道技術第十一講
——談隧道施工機械化

關寶樹

(西南交通大學，四川 成都 610031)

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漫談礦山法隧道技術第十一講
——談隧道施工機械化

關寶樹

(西南交通大學，四川 成都 610031)

闡述我國隧道施工機械化的現狀。指出：1)我國缺乏專門研究和制造隧道施工機械的企業；2)隧道施工機械化的水平參差不齊；3)由于客觀原因一些大型施工機械得不到充分利用，甚至棄之不用；4)遇到施工難題沒有可以選擇的施工機械可以利用，制約了隧道施工機械化的發展。在一般圍巖條件下，我國重點隧道的施工機械化水平，基本上能夠滿足施工要求；但在不良圍巖條件下，機械化的差距特別突出，與預支護技術相適應的施工機械的研制和開發必須提到日程上來。重點介紹了日本的幾種施工機械：1)與圍巖補強或預支護相適應的施工機械，如長鋼管超前支護專用鉆注一體機及搭載在臺架上的液壓鑿巖機、控制拱腳下沉的彎曲鉆機；2)提高施工效率的施工機械，如鉆孔機械(多臂鉆孔臺車、排鉆)、噴射機械(雙機械手干噴，大容量、低粉塵的新型噴射系統，長臂噴射機)；3)單跨、雙跨、三跨仰拱棧橋；4)充分發揮施工機械綜合能力的集約化施工機械，如多臂TWS(隧道機組工作站Tunnel Work Station)、移動式大功率通風除塵機。指出提高隧道施工機械化的程度，大幅度縮短單項作業的時間，發揮綜合機械化的威力,確保快速施工和工程質量是當務之急，機械化或工廠化施工是大勢所趨，特別是在TBM法和盾構法在我國基本上已經實現工廠化施工的情況下，礦山法隧道也應該逐步向這個方向發展，這也是時代的要求。

隧道；礦山法；機械；施工機械化

0 引言

古語說得好：“工欲善其事，必先利其器”“巧婦難為無米之炊”，我國的隧道施工機械化，有賴于適應隧道施工要求的施工機械裝備的開發和研制。在向“裝備強國”邁進的今天，對隧道施工機械的開發和研制也應該提到日程上來。

由于各種隧道施工機械的開發和發展，目前隧道的基本作業都已實現了機械化，但視各國的國情不同，機械化的程度有所不同。我國的現狀是缺乏專門研究和制造隧道施工機械的企業；隧道施工機械化的水平參差不齊；由于客觀原因一些大型施工機械得不到充分利用，甚至棄之不用；遇到施工難題沒有可以選擇的施工機械可以利用，制約了隧道施工機械化的發展。因此，提高隧道施工的機械化程度，大幅度縮短單項作業時間，發揮綜合機械化的威力,確保快速施工和工程質量是當務之急。

在一般圍巖條件下，我國重點隧道的施工機械化水平，與國外相比，雖然有一定差距，但基本上能夠滿足施工要求，幾條作業線基本上能夠配套使用；而在不良圍巖條件下，機械化的差距特別突出。這也是我國亟待開發的領域。

一般來說，地質條件差，圍巖的自支護能力就很弱，開挖后掌子面的自穩時間很短，甚至開挖后就立即發生崩塌；因此，在這種圍巖條件下，就要采取“先支后挖”的對策。也就是說在開挖前對周邊圍巖進行補強，提高其自支護能力，避免開挖后產生過大的變形或崩塌。這種技術稱為預支護或圍巖補強技術，與之相適應的施工機械的研制和開發必須提到日程上來。

目前，隧道施工講求一個“快”字，要求大力縮短單項作業的時間，提高作業效率，這也要求隧道施工機械能夠適應“快”的要求，多功能的施工機械不斷涌現，就是一個證明。

在隧道施工機械化方面，如何發揮隧道施工機械的綜合能力，即所謂的配套能力，是非常重要的，必須針對其中的薄弱環節下功夫。

1 與圍巖補強或預支護相適應的施工機械

圍巖補強或預支護技術，牽涉面較多，其中包括超前支護、拱腳下沉控制以及掌子面錨桿等，此處僅以應用較多的長鋼管超前支護、拱腳下沉控制重點做些說明，詳細內容請參見《軟弱圍巖隧道施工技術》[1]一書。

1.1 長鋼管超前支護

長鋼管超前支護，日本稱之為AGF(All Ground Fastening)工法，是已經標準化的支護方法(見圖1)。該方法是開挖前在掌子面前方沿隧道外周配置長10～15 m的鋼管，形成拱形結構。為使鋼管和圍巖形成一體，應在其間充填水泥漿或其他注漿材料。

(a) 隧道橫斷面

(b) 隧道縱斷面

其在洞內或洞外施工的概貌見圖2。

(a) 洞內施工

(b) 洞口施工

多采用類似圖2的專用鉆機鉆孔并注漿，也有采用圖3所示的搭載在鉆孔臺架上的液壓鉆進行鉆孔。

1.2 控制拱腳下沉的彎曲鉆機

隧道支護腳部的圍巖強度不足是引起隧道開挖地表下沉和隧道整體下沉的重要原因之一。作為控制支護腳部下沉的對策，我國基本上是采取鋼架下設置墊板、擴大拱腳和打鎖腳錨桿(管)的方法。日本基本上是采用以腳部鋼管為代表的腳部補強樁；但在以往的對策中，因為是在上半斷面開挖后進行施工，其抑制初期下沉的效果比較差；因此開發出彎曲鉆機，預先在圍巖開挖前在預計設置鋼架的位置打支持樁，而后進行開挖并架立鋼架，對控制腳部下沉的效果極佳。其概貌見圖4和圖5。

圖3 搭載在臺架上的液壓鑿巖機(單位：mm)

(a)

(b)

該鉆機具有以下特點：

1)能夠進行彎曲鉆孔，對掌子面前方腳部圍巖進行補強；

2)采用彎曲干鉆鉆孔，施工不擾動圍巖；

3)能夠形成φ500 mm、深3.5 m的大口徑、高強度樁體；

4)適應地質范圍廣，包括黏性土、砂質、礫質土、固結粉砂巖和泥巖等。

2 提高施工效率的施工機械

例如提高鉆孔效率的“排鉆”、型鋼鋼架架設機械、大容量噴混凝土機械等。

(a) 機械設計圖

(b) 機械全景

(c) 機械安裝現場

2.1 鉆孔機械

在大多數場合，我國鉆孔仍然處于手持式風鉆的水平，一部分隧道采用了2臂或3臂鉆孔臺車，也引進了微機控制的鉆孔臺車，但應用效果不佳，甚至棄之不用。

為了滿足隧道大斷面開挖的要求，我國開發了多功能鉆孔臺架，可以在臺架上同時采用20臺手持式風鉆鉆孔。這是不得已的辦法。

日本在新干線隧道、雙車道公路隧道，開挖面積在80～100 m2的上半斷面開挖中，多采用3～4臂臺車(3臂：1～2臺)。最近因為鉆機性能的提高，多采用3臂臺車。而在超短臺階與全斷面法結合的方法中，3臂臺車已經成為主流機型(見圖6)。為了能夠在超短臺階的全斷面法中從下部斷面直接進行上部斷面的鉆孔，最近機型有了改進，出現了上下4臂的鉆孔臺車(見圖7)。

圖6 最新的3臂鉆孔臺車

圖7 4臂鉆孔臺車

在大斷面開挖中，過去多是2臺3臂鉆孔臺車并用，在實際操作上多有不便，因此又開發出6臂鉆孔臺車(見圖8)，用1臺鉆孔臺車進行全斷面鉆孔，大大縮短了鉆孔時間。

圖8 6臂鉆孔臺車(新干線鐵路隧道)

Fig.8 Six-boom drilling jumbo (used in Shinkansen.Railway Tunnel)

為減少超挖并提高鉆孔定位的準確性，微機控制鉆孔臺車的使用愈來愈普遍。

隧道爆破通常采用光面爆破或控制爆破，特別是在采用預裂爆破的場合，要沿開挖輪廓開槽形成自由面，為此日本開發了所謂的“排鉆”(見圖9)，大大縮短了鉆孔時間，其鉆機概貌見圖10。此鉆機也可以用于預襯砌的施工。

圖9 多孔液壓鑿巖機(單位：mm)

圖10 帶2個4孔鑿巖臂的鉆孔臺車概貌

2.2 噴射機械

在大斷面隧道中，為滿足快速施工、縮短施工循環時間的要求，日本開發了重視早期強度形成的干噴、大容量、低粉塵的新型噴射系統SF-2(AL-285噴射機1臺，AL-306機械手2臺)(見圖11)[2]。

(a)

(b)

本系統的特點如下：

有些企業在做企業風險內部審計的過程中，往往只對公司的財政收入和支出作出審計報告，只對財務方面的收支專況有所關注，而忽視了對業務領域及其信息系統上的拓展。

1)由于采用2臺噴射機，能夠進行大容量(20～24 m3/h)噴射，噴射時間比過去縮短一半；

2)2臺噴射機設置在臺車中央側部，荷載平衡改善了走行性，而且縮短了材料管的長度(比過去縮短一半)；

3)噴射機械手具有升降機構，也能夠適應超短臺階的噴射；

4)由于采用低粉塵干噴工法，因W/C小，早期強度形成快，特別是大涌水時也能用噴混凝土封堵。

無論哪一種都搭載了吐出量在20 m3/h以上的高能力噴射機，即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要給予適當的和易性，就能進行穩定的噴射作業。噴射機械手，對應上半斷面臺階法和超短臺階的全斷面法等開挖方法，包括掌子面正面、仰拱前方及下方的范圍內都能噴射。實用的噴射機械，就要具備以快速施工為目的的大容量、高質量有效噴射混凝土的能力。

通常，噴射作業為保證操作員的安全和衛生環境，可通過遙控噴射機械手進行遠距離噴射。

(a) 長臂噴射機(出碴前噴射)

(b) 普通噴射機(出碴后噴射)

Fig.12 Comparison of relax zone between long manipulator shotcrete machine and comment shotcrete machine

與普通噴射機相比，長臂噴射機的噴射范圍達寬17.1 m、高13.1 m。圖14為伸展最長的狀態，圖15和圖16為試驗施工的概貌。

圖13 出碴與噴射平行作業示意圖

圖14 長臂噴射機外貌

圖15 洞口噴射狀況

圖16 從碴堆后方噴射狀況

2.3 仰拱棧橋

在大多數情況下，仰拱或者與二次襯砌同時修筑，或者提前二次襯砌修筑，但后者的情況居多。為了不影響后續作業的進行，仰拱多采用仰拱棧橋修筑。為此，開發了各種構造的仰拱棧橋。

圖17—19分別為日本采用的單跨、雙跨和三跨仰拱棧橋的標準構造。一般采用單跨仰拱棧橋較多。為了加快仰拱的修筑速度，可以采用雙跨或三跨仰拱棧橋。

圖17 單跨仰拱棧橋

圖18 雙跨仰拱棧橋

圖19 三跨仰拱棧橋

我國一些單位也相繼開發了仰拱棧橋，但都是單跨的。

3 充分發揮施工機械綜合能力的措施——施工機械的集約化發展

目前，在隧道內可能采用的各種機械如圖20所示。

這些機械，在長時間內都是單獨應用的，各自發揮其功能。所謂的配套，不外乎是把它們組合在一條線上，發揮相互支援的作用。

圖20 隧道可能采用的各種機械

Fig.20 Machines used in tunnel

目前的傾向是首先實現機械組合化(Tunnel Work Station，簡稱TWS)，例如把鉆孔機械與噴射機(見圖21)、或與型鋼鋼架架設機(見圖22)等搭載在一個臺架上，同時進行噴混凝土作業與架設型鋼鋼架作業，大大縮短循環作業時間[3]。

圖21 2臂TWS(新干線隧道爆破開挖用)

Fig.21 Double-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

圖22 4臂TWS(新干線隧道爆破開挖用)

Fig.22 Four-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

爆破后為了能夠迅速進入下一循環，必須讓爆破后開挖工作面的環境保持良好狀態，為此進行通風和除塵是必要的作業。圖23是日本開發的移動式的通風除塵機，處理能力為2 000 m3/min，吸塵效率達90%，已在多座隧道施工中應用，效果良好。圖24是一個移動式的通風除塵裝置。這2種方式，都是為了讓掌子面附近空間的空氣質量快速達到要求后，迅速開始下一循環作業。

一般的隧道開挖是由專用的施工機械進行鉆孔、爆破開挖(或者機械開挖)、出碴、噴射混凝土和打設錨桿等一系列作業組成的。這些作業及施工機械在隧道狹窄的作業環境下移動、交替，由于受施工和安全性的制約，掘進速度的提高是有限的。

近年來，為解決此問題，提高施工效率及掘進速度，開發出以鉆孔臺車為基礎把各種專用施工機械組合成一個臺車的多功能型全斷面開挖機，日本稱為隧道機組工作站(Tunnel Work Station，簡稱TWS)(見圖25)。

圖23 履帶式開挖面通風除塵裝置

圖24 搭載在汽車上的開挖面通風除塵裝置(單位:m)

(a)

(b)

圖26是以泥巖為主體的軟巖為對象，以早期閉合的快速施工為目的，由自由斷面掘進機、鑿巖機、噴射機、全周模板和皮帶運輸機等組成的機械開挖方式的全裝備型大斷面用TWS。

以凝灰角礫巖為主體的中硬巖隧道為對象，由鑿巖機、噴射機和鋼支撐架設機等組成能夠進行爆破開挖及機械開挖的萬能型大斷面隧道用TWS。

(a) 側面

(b) 正面

(c) 全景

圖26 3臂TWS(高速公路隧道機械開挖用)

Fig.26 Triple-boom TWS used in highway tunnel

以花崗巖為主體的硬巖隧道為對象，由鑿巖機、噴射機等組成能夠進行爆破開挖快速施工的大斷面隧道用TWS(見圖27)。

圖27 4臂TWS(高速公路隧道爆破開挖用)

Fig.27 Four-boom TWS used in blasting excavation of highway tunnel

以安山巖質凝灰角礫巖為主體的軟巖隧道為對象，由鑿巖機、噴射機等組成的TWS和自由斷面掘進機、通風、變電設備用后方臺車組成的，適用于小斷面隧道的機械開挖的早期閉合、快速施工的系統。

采用TWS的最大目的是快速施工，與過去采用專用施工機械的方法相比，根據預算基準值比較，在硬巖爆破開挖中，平均月進尺與過去方式相比約提高45%；在軟巖機械開挖中，平均月進尺與變更前方式相比約提高70%。

4 小結

此講的主要目的，是希望我國在隧道施工機械化上更向前推進一步，雖然實施機械化施工會節省人力，不太符合國情，但一方面提高工人的技術素質，一方面提高隧道施工機械化水平，仍然是一個不可忽視的問題。機械化或工廠化施工是大勢所趨，特別是在TBM法和盾構法在我國基本上已經實現了工廠化施工的情況下，礦山法隧道也應該逐步向這個方向發展，這也是時代的要求。

[1] 關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.(GUAN Baoshu,ZHAO Yong.Construction technology for weak rock tunnel[M].Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))

[2] 小島英鄕.長大山岳トンネルにおける生產性向上への取組み[J].トンネルと地下,2016,47(7)：25-34.(Kojima Aigoh.Technologies for improving productivity in long and larger mountain-crossing tunnels[J].Tunnel and Underground,2016,47(7):25-34.(in Japanese))

[3] 長谷部健司.トンネルワクステション(TWS)[J].建設機械，2011(1)：28-33.(Hasebe Kenji.TWS used in tunnel[J].Construction Machinery,2011(1):28-33.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method:Lecture XXI:Mechanization of Tunnel Construction

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The state-of-the-art of the mechanization of tunnel construction is presented.The problems,i.e.lack of professional researching and manufacturing company of tunnel construction equipment in China,unbalance of tunnel construction mechanization,inadequate use or abandon of some large-scale equipment and lack of feasible equipment for special projects,are pointed out.The construction mechanization level of some key tunnels in comment surrounding rocks in China can meet the construction requirements,and that of some tunnels in bad surrounding rocks varies much.The author suggests that the researching and manufacturing of construction equipments are very important for related pre-support technology.Some tunnel construction equipments used in Japan,including equipments related to surrounding rock strengthening or pre-support,i.e.steel pipe advance support dedicated drilling and grouting machines,hydraulic rock drilling jumbos and bending drilling machines,equipments which can improve construction efficiency,i.e.drilling machines and shotcrete machines,invert trestles (single span,double span and triple span) and intensive construction machines,i.e.multi-boom TWS for Tunnel Work Station and removable powerful ventilation fans,are introduced emphatically.It is very important to improve the tunnel construction mechanization level,shorten the construction schedule and guarantee the construction quality.The construction mechanizations of TBM method and shield method have been achieved and it should be also the trend for mining method.

tunnel; mining method; equipment; construction mechanization

2015-08-10

關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail:guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.001

U 45

A

1672-741X(2016)10-1163-08