小斷面鐵路隧道機械化配套優化研究

焦義，張姚兵

（中鐵隧道集團四處有限公司，廣西 南寧 530000）

1 工程概況

麗江-香格里拉鐵路全長161公里，是我國“進藏路線”中滇藏鐵路云南段的一段。麗香鐵路為I級單線鐵路，設計時速120km/h。中義隧道為全線控制性工程，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，隧道全長14745。該隧道施工任務重，圍巖復雜多變，特別是斷面小，前期施工各工序相互干擾大，工效低。因此中義隧道設備機械化配套是中義隧道施工能否按期、安全施工生產的關鍵。

2 隧道斷面設計及初期主要設備配置情況

2.1 隧道斷面設計

III級圍巖初支后軌面以上最小寬度為5．04m；IV級圍巖為5．42m；V級圍巖為5．70m。

2.2 初期主要設備配置

隧道施工機械化配套優化前主要設備配置為 50C 裝 載 機（8300×2950×3440）、40B裝載 機（7261×2790×3337）、HBT60砼 輸 送泵（6575×2200×2100）、P950E電 動 空 壓 機（4100×1900×1950）、砼運輸車（9300×2500×3900）。

3 設備配置選型原則及優化前存在的問題

3.1 設備配置選型原則

單線小斷面隧道施工過程中，設備尺寸要滿足平行施工需求，同時在不增加成本或成本增加很少的情況下，采用效率大、能效高的設備，功率、功效均能滿足施工生產，減少對施工工序的干擾，提高工序循環，提高施工效率。

3.2 優化前存在的問題

3.2.1 出碴問題

在Ⅲ級圍巖不進行擴挖的情況下，全斷面開挖時，初支后最小寬度僅為5．04米，施工過程中既不能滿足出碴車與裝載機并排裝碴，又不能滿足兩臺出碴車交錯通行。

3.2.2 二襯問題

二襯施工時，HBT60輸送泵停放在設計間隔距離為210米避車洞內，造成最遠泵送距離達150米，易造成堵管，影響二襯施工進度及質量；同時砼運輸車放料時，占用隧道空間，阻斷洞內其它車輛通行。

3.2.3 其它問題

傳統濕噴機作業效率不高；出碴時，現有50C裝載機動力足夠但寬度較大，40B型寬度適應但動力不足；傳統仰拱棧橋移動不便，效率低下；現有空壓機控制方式耗能較高；高壓進洞成本較高、壓降大等。

4 小斷面鐵路隧道施工機械化配套優化

4.1 開挖設備優化

根據作業面尺寸情況，研制多功能液壓式自動伸縮作業臺架，合理規劃鉆爆開挖人員作業位置布局，使用YT28風動鑿巖機鉆孔的傳統開挖方式；同時，通過不斷優化，嚴格控制隧道周邊眼間距、裝藥量及外插角，最終達到了良好的光爆效果。

4.2 初期支護設備優化

傳統濕噴機的噴漿效率實測為4m3/h，噴射效果受操作手熟練度的影響，噴后初支面不夠密實，外觀質量較差，且移動困難，整體作業效率低下。

通過對比，采用進口PM500噴漿機械手進行噴漿作業，其效率實測為25m3/h，為普通濕噴機的6倍多。經測試，噴后初支面的密實度和平整度大幅上升，有效的提高了初期支護的實體、外觀質量，同時大大提高了施工工效。以每循環3m初期支護量20m3計，使用噴漿機械手時間為145min，較普通濕噴機的240min節約95min。

4.3 裝、運碴設備優化

成本方面，因中義隧道初支后最小斷面僅為5．04米，采用50C裝載機和自卸車配合作業需擴挖斷面達2．24方/米。據測算，采用傳統出碴方式，需增加開挖量及回填C30混凝土各33000立方米，增加成本投入2425萬元。采用40B裝載機出碴方式，可以有效減少擴挖，但也需增加投入1100萬元，較50C裝載機出碴模式節約1300多萬元。

在工效方面，每循環2．5米碴量約為150立方米，50C較40B裝載機節約40分鐘。中義隧道全長14745米，約5900循環。即50C較40B裝載機可以節約近4000小時，即節約5．46個月工期。

通過對比，急需一種兼具50C動力、40B尺寸的新型裝碴設備來解決出碴機械配套問題。為此，聯合裝載機廠家研發窄體50CN裝載機，其具有50C的動力，40B的尺寸。該新型裝載機的主要創新之處在于其鏟斗設計，經多次研討，我們發明了一種適用于單線鐵路隧道的窄體裝載機多功能側卸鏟斗，現已申請了國家發明專利（公開號：CN107083970A），并實際投入使用。以每循環2．5米碴量約為150立方米計算，窄體50CN裝載機裝碴時間為240min，50C為230min，40B為270min。

4.4 拱施工設備優化

為解決傳統拱架式棧橋效率低下，支護長度短等問題，設計開發了全液壓隧道仰拱整體配套移動棧橋（國家專利局已于2017年8月22進行實用新型專利權授予），減少了其他工序干擾，提高了施工效率，同時混凝土外觀質量好，止水帶安裝居中順直，安全性能高，節約了勞動力和機械費用。如圖1所示。

圖1 隧道仰拱整體配套移動棧橋工作示意圖

4.5 砼二襯施工設備優化

因襯砌后寬4．6米，常規的HBT60輸送泵、砼運輸車兩者寬度相加4．7m，無法并排放置。當輸送泵放置一側時，導致交通中斷，阻斷掌子面施工，嚴重影響施工進度。砼泵送時，出碴車與砼輸送泵相互影響，無法通行，導致出碴與二次襯砌作業無法同步平行施工作業。

為解決上述問題，經過反復論證，我們聯合廠家協作研發出了一種適應于單線鐵路隧道的雙缸混凝土輸送泵（已申請國家發明專利，公開（公告號）CN106949031A）。該泵保證了常規60型輸送泵的作業工效，同時將外形尺寸減小為6200mm×1400mm×2100mm(長×寬×高），有效解決了二襯施工與出碴作業的同步平行施工作業的需求，確保了中義隧道的快速施工。

4.6 電動空壓機控制方式優化

因隧道開挖時多臺空氣壓縮機無聯動設施，造成了不能根據洞內用風量自動調節而造成電能浪費。通過不斷嘗試，利用變頻、PLC、傳感等技術對空氣壓縮機進行節能改造，設計了一套“電動空壓機節能控制系統”。通過對變頻、PLC和傳感器等技術的綜合應用，結合電動空壓機的控制原理，對數臺空壓機進行智能聯合控制，能夠根據施工現場實際需要的風量進行自動控制，實現自動開啟、關閉、調壓、變頻等動作。經統計優化后現場空氣壓縮機的節能效果達到了20%。

4.7 變壓器配置優化

常規隧道施工作業面需配置2臺630kVA電力變壓器，且長距離電力輸送，壓降較大，這既增加了施工投入，又存在高壓電力輸送的安全隱患。

為解決此問題，采用數控全自動型動態同步增流增壓補償柜的方法確保洞內施工用電。該補償柜與傳統變壓器高壓進洞方式相比有著諸多優點，一是利用既有低壓動力線路進行電力輸送，無需增加10kV高壓電纜，不僅降低了工作強度，而且節約成本；二是補償柜的安裝可以利用隧道原有設計施工的洞室進行安裝，無需設置專門的變壓場所；三是補償柜可根據施工進度及時跟進，移動方便、安裝快捷，減少對現場影響。

5 機械化配套優化成效

經過優化，有效解決了洞內施工平行生產問題，降低了各工序間的干擾，特別是窄體裝載機、窄體輸送泵等專用設備的運用，確保了襯砌與開挖同步，工效與成本匹配，加快了中義隧道的快速施工掘進，在業主方組織的各種評比中一直處于前列，并屢次奪得第一名的好成績，取得了很好的經濟效益和社會效益。