鐵路隧道工程錨桿快速施工機械配置技術(shù)研究

摘? 要：現(xiàn)階段提高錨桿施工速度的主要手段有兩個方面：一是提高錨孔的鉆孔效率，在提高成孔質(zhì)量的同時縮短成孔時間;另一方面是縮短錨固劑的凝結(jié)時間，使用錨桿能盡快發(fā)揮支護作用。鐵路隧道錨桿施工配備機械化程度高的多功能或?qū)Ｓ缅^桿施工機械，不僅能提高錨桿鉆孔工效，而且可以保證成孔質(zhì)量，鐵路隧道錨桿施工機械化是提高鐵路隧道錨桿施工速度和質(zhì)量的重要措施。該研究重點對常用鑿巖臺車及錨桿臺車的鐵路隧道錨桿快速施工中的配置及選型進行了深入探討，分析了邊界條件及其適用性，指出了國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀及不足，旨為同行業(yè)在錨桿快速施工鉆進機械配置方面提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：隧道工程;錨桿施工;專用機械;配置研究

中圖分類號：U25? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

近年來，國內(nèi)鐵路隧道施工機械化取得了長足的發(fā)展，傳統(tǒng)作業(yè)方式正逐步被成套機械裝備所取代。其中，現(xiàn)場錨桿施工進度慢、機械化自動化水平低、錨桿施工質(zhì)量無法保證等一系列問題有所改變。國鐵集團也頒布了《鐵路隧道工程施工機械配置技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9226-2015）用于指導鐵路隧道施工機械的配置，但對于隧道錨桿施工機械的配置沒做具體要求。鑿巖臺車及錨桿臺車等錨桿快速施工裝備應(yīng)用于鐵路隧道施工的適用性涉及因素較多，比如臺車整體性能、臺車作業(yè)方式、隧道斷面大小、施工工法等，將嚴重影響鑿巖臺車及錨桿臺車的適用性。該研究通過對國內(nèi)外水工、礦山、公路、鐵路隧道錨桿快速施工技術(shù)及裝備的統(tǒng)計和分析，對我國鐵路隧道設(shè)計斷面形式進行了系統(tǒng)梳理，施工工法以全斷面法為重點，同時兼顧臺階法，重點研究鐵路隧道錨桿快速施工裝備（鑿巖臺車及錨桿臺車）在不同斷面形式及尺寸下的適用性邊界條件，提出了鐵路隧道工程錨桿快速施工機械裝備配置方案，將為國內(nèi)鐵路隧道及相關(guān)行業(yè)在鑿巖臺車及錨桿臺車的選用及配置方案制定方面起到良好的借鑒和促進作用。

1 鑿巖臺車及錨桿臺車適用性分析及邊界條件

隧道開挖方法是臺車適用性重要考慮因素。鐵路隧道采用鉆爆法施工時，應(yīng)視圍巖級別及斷面大小等因素，宜優(yōu)先選用全斷面法或臺階法開挖。隧道全斷面法施工斷面與作業(yè)空間大、干擾小，有條件充分使用機械設(shè)[1]。單、雙線鐵路隧道施工采用臺階法時，宜優(yōu)先采用適用機械設(shè)備施工的臺階法。分部開挖法一般用于雙線隧道淺埋段，由于隧道施工工序多，開挖斷面與作業(yè)空間小，故不利于大型機械設(shè)備施工[2]。

其次，臺車整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。鑿巖臺車及錨桿臺車整體性能包括鉆臂設(shè)計參數(shù)、推進梁設(shè)計參數(shù)、鑿巖機設(shè)計參數(shù)、臺車作業(yè)整體穩(wěn)定性等，實際應(yīng)用中臺車的鉆臂及推進梁設(shè)計參數(shù)決定了臺車鉆孔作業(yè)面積或空間。鑿巖臺車應(yīng)用于鐵路隧道施工的適用性主要從三個方面進行定性評價：（1）隧道全斷面法施工掘進鉆孔適用性;（2）隧道全斷面法施工錨桿鉆孔適用性;（3）推進梁鉆孔適用性。另外，臺車鉆臂、推進梁及鑿巖機的配置選型對臺車作業(yè)的整體穩(wěn)定性影響也較大，推進梁的型號應(yīng)在臺車推薦允許范圍內(nèi)，否則選配的推進梁不利于臺車作業(yè)的整體穩(wěn)定性。

開挖凈空高度及支護內(nèi)凈空是決定臺車配置方案的邊界條件。對140km/h鐵路客貨共線單雙線（普通貨物運輸，有砟軌道）、160km/h客貨共線鐵路單雙線（普通貨物運輸，無砟軌道）、時速200km/h客貨共線鐵路單雙線（普通貨物運輸，有/無砟軌道）、250km/h客運專線鐵路單雙線（有/無砟軌道）、時速350km/h客運專線鐵路單雙線（雙塊式、板式無砟軌道）隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖斷面高度、初期支護的內(nèi)凈空尺寸進行統(tǒng)計分析。如表1所示。

（2）初期支護內(nèi)凈空高度為全斷面開挖底面至初期支護內(nèi)拱頂?shù)木嚯x。

2 鑿巖臺車適用性研究

鑿巖臺車作為一種鉆孔工效高、機械化程度高的多功能施工機械，廣泛用于隧道（隧洞、巷道）施工掘進和錨桿支護。鑿巖臺車應(yīng)用于鐵路隧道施工的適用性包括掘進鉆孔適用性和錨桿鉆孔適用性兩個方面，主要通過隧道開挖斷面大小及施工工法適應(yīng)性進行評價。鑿巖臺車掘進鉆孔和錨桿鉆孔的適用性通常由推進梁、鉆臂設(shè)計參數(shù)及鉆臂安裝鉸接點高度決定。目前鑿巖臺車的制造商主要有瑞典阿特拉斯？科普柯、山特維克集團、挪威Andersens Mek.VerkstedA.S、中國鐵建重工等，各主要制造商生產(chǎn)的臺車在全國范圍內(nèi)均有應(yīng)用，其中以阿特拉斯？科普柯公司生產(chǎn)的鑿巖臺車推廣應(yīng)用最為廣泛，常用型號有Boomer L2D/XL2D/XL3D等[3]，均配有一雙鷹式高臂座，大大增加了斷面作業(yè)面積。配有COP 1238K或COP 1800HD+系列等液壓鑿巖機，COP 1238K液壓鑿巖機適用于快速隧道掘進鉆孔，鉆孔范圍為38 mm～89 mm，該鑿巖機的主要功能和特點：內(nèi)置反射減震器，有助于提高鉆桿的經(jīng)濟性并降低鑿巖機、推進梁和鉆臂的磨損;動力強大、無級變速可雙向轉(zhuǎn)動的電機具有高扭矩和出色的速度控制功能;與鉆桿匹配的細長活塞，在不損壞鉆桿的情況下提供最佳的沖擊功率。以Boomer L2D雙臂鑿巖臺車為例，分析其在鐵路隧道錨桿快速施工中的適用性。如圖1所示。

Boomer L2D鑿巖臺車鉆孔作業(yè)時，BUT 35重型鉆臂的安裝鉸接點高度為2.175m，BUT 35鉆臂設(shè)計長度為4.031m，可延伸1.60m，即鉆臂總伸長為5.631m。BUT 35鉆臂可左右搖擺，最大搖擺角為±45°。BUT 35鉆臂的最大舉升角為+70°/-45°，當鉆臂舉升+70°時鉆臂前端升高5.291m。鑿巖臺車鉆孔作業(yè)時，推進梁的推進補償為1.80m。當鑿巖臺車用于隧道掘進鉆孔，且臺車不移位時，臺車掘進鉆孔作業(yè)覆蓋最大寬度為12.40m，覆蓋最大高度為8.650m，覆蓋面積為104m2。如圖2所示。

由表1可知，Boomer L2D鑿巖臺車鉆臂作業(yè)能覆蓋時速160km及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖斷面，不能覆蓋時速200～350km的單線、時速350km及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖斷面。Boomer L2D鑿巖臺車可選配BMH 6812、BMH 6814、BMH 6816或BMH 6818型推進梁，BMH 6800系列推進梁一次鉆孔作業(yè)能滿足單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖循環(huán)進尺要求。技術(shù)參數(shù)如表2所示。

經(jīng)計算分析，Boomer L2D鑿巖臺車錨桿鉆孔作業(yè)的隧道凈空尺寸應(yīng)滿足表3的要求。從表1可知，Boomer L2D鑿巖臺車配置BMH 6800系列推進梁，錨桿鉆孔的最大作業(yè)高度均大于時速350km及以下的單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工初期支護的內(nèi)凈空高度，對隧道全斷面開挖高度及超挖等不確定性因素的適應(yīng)性較好。如表3所示。

綜合以上分析， Boomer L2D鑿巖臺車適用于時速160km及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工掘進鉆孔;選配BMHT 6800系列推進梁，適用于時速350km及以下的單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)[4]，但是在時速140km及以下的單線鐵路隧道內(nèi)不能充分發(fā)揮雙臂同時作業(yè)的優(yōu)勢如。如表4所示。

1.適用于時速160 km及以下的單線鐵路隧道全斷面法施工掘進鉆孔;

2.選配BMHT 6800系列推進梁，適用于時速350 km及以下的單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)，但在時速140km及以下的單線鐵路隧道內(nèi)不能充分發(fā)揮雙臂同時作業(yè)的優(yōu)勢。

BMHT 6800系列推進梁，適用于時速350 km及以下的單雙線鐵路隧道各級圍巖的錨桿一次性鉆孔。

3 錨桿臺車適用性研究

阿特拉斯？科普柯錨桿臺車用于礦山巷道和隧道錨桿支護，具有錨固劑自動注漿、錨桿鉆進導向等功能，同時可選配安裝鋼筋網(wǎng)的掛網(wǎng)臂、吹孔裝置、鑿巖機潤滑監(jiān)控裝置等。錨桿臺車配置COP 1132/1435液壓鑿巖機，該機為短小輕型鑿巖機，帶有雙緩沖減震裝置，配有動力強大、無級變速并可雙向轉(zhuǎn)動的電機，其沖擊功率為11kW/14kW，沖擊頻率為100HZ/80HZ。錨桿臺車鉆臂及推進梁設(shè)計參數(shù)往往決定了錨桿臺車作業(yè)覆蓋斷面或有效作業(yè)空間。配有的BUT35HBE或BUT 45M重型液壓鉆臂，具有定位直接、快速、準確的特點。

Boltec EC是一款全機械化錨桿臺車，配有計算機臺車控制系統(tǒng)（RCS）、BUT 45M鉆臂和COP 1132或COP 1435液壓鑿巖機，錨桿臺車的最大作業(yè)高度達13.0m，選配BMH 6821型推進梁，推進梁鉆孔深度達到6.14m，可安裝錨桿長度為1.5m～6.0m;若選配BMH 6816型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為12.263m，推進梁鉆孔深度達到4.668m，可安裝錨桿長度為1.5m～4.5m;若選配BMH 6814型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為11.953m，推進梁鉆孔深度達到4.043m，可安裝錨桿長度為1.5m～3.9m;若選配BMH 6812型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為11.655m，推進梁鉆孔深度達到3.443m，可安裝錨桿長度為1.5 m～3.3m。如圖3所示。

錨桿臺車可作業(yè)的隧道開挖斷面寬度及高度應(yīng)大于推進梁的總長度，同時隧道開挖斷面高度應(yīng)小于或等于錨桿臺車的最大作業(yè)高度。Boltec EC錨桿臺車錨桿作業(yè)的凈空尺寸應(yīng)滿足表5的要求。

綜合以上，Boltec EC錨桿臺車適用于時速160～350km的單線、時速350km及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿支護作業(yè)，同時，其對隧道全斷面開挖高度及超挖等不確定性因素的適應(yīng)性較強。如表6所示。

1.選配BMH 6812型推進梁，適用于時速250km及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿支護作業(yè);

2.選配BMH 6816型推進梁，適用于時速160～350km的單線、時速350km及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿支護作業(yè);

3.BMH 6812型推進梁，適用于時速250km及以下的單線鐵路隧道各級圍巖的錨桿一次性鉆孔;

4.BMH 6816型推進梁，適用于時速160～350 km的單線、時速350km及以下的雙線鐵路隧道各級圍巖的錨桿一次性鉆孔。

4 鐵路隧道錨桿快速施工機械化配置方案選擇

首先，鐵路隧道工程施工前應(yīng)進行錨桿施工機械配置方案設(shè)計。錨桿支護施工質(zhì)量和速度取決于施工機械與施工工藝[5]。選擇性能優(yōu)越、穩(wěn)定性和可靠性高的施工機械是保證錨桿支護施工質(zhì)量、提高施工速度的必要條件。合理配置施工機械與施工人員，安排錨桿支護各工序的順序和時間，并與隧道掘進、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)相配套，實現(xiàn)施工工藝的優(yōu)化，也是提高錨桿支護施工速度的重要途徑。方案設(shè)計應(yīng)考慮以下幾項原則：（1）施工機械配置應(yīng)與主要施工方法相配套，與施工工期相適應(yīng);（2）施工機械配置的生產(chǎn)能力應(yīng)大于施工進度指標要求;（3）充分考慮圍巖地質(zhì)條件及工程特性與施工機械的適應(yīng)性相匹配，注重科學發(fā)揮機械的總體效率;（4）選用設(shè)備必須保證有可靠的可維修性，以確保施工設(shè)備的正常運轉(zhuǎn);（5）瓦斯隧道錨桿施工機械的配置應(yīng)符合現(xiàn)行《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB 10120）的有關(guān)規(guī)定[6]。

其次，隧道全斷面法錨桿施工機械選型應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟論證。隧道全斷面法施工開挖斷面與作業(yè)空間大，干擾小，有條件充分使用機械設(shè)備[7]。鑿巖臺車是一種多功能施工機械[8]，其功能主要體現(xiàn)在掘進鉆孔作業(yè)、錨桿鉆孔作業(yè)、工作籃輔助安裝爆破炸藥及錨桿作業(yè)。錨桿臺車是一種專用錨桿施工機械，集鉆孔、錨桿安裝及注漿等工序作業(yè)。隧道全斷面法錨桿施工機械選型通常有兩種方式，一是選配多功能施工機械，比如鑿巖臺車既滿足隧道全斷面法施工掘進鉆孔作業(yè)，又滿足錨桿鉆孔作業(yè);二是選配錨桿專用施工機械，比如錨桿臺車、鑿巖臺車（但不一定適用于隧道全斷面法施工掘進鉆孔作業(yè)）。隧道全斷面法錨桿快速施工多功能施工機械配置方（樣例）例如表7所示。

選配BMHT 6800系列推進梁，適用于時速350km及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)，但是在時速140 km及以下的單線鐵路隧道內(nèi)不能充分發(fā)揮雙臂同時作業(yè)的優(yōu)勢。

適用于時速350km及以下的單雙線鐵路隧道

1.選配BMHT 6800系列推進梁，適用于時速350km及以下的單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)，但是在時速140km及以下的單線鐵路隧道內(nèi)不能充分發(fā)揮雙臂/三臂同時作業(yè)的優(yōu)勢;

2.選配BMH 6814或BMH 6816型推進梁，適用于時速160～350km的單線、時速350km及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)。

綜合實際研究，隧道錨桿施工機械選型宜優(yōu)先選配多功能施工機械，其次考慮選配錨桿專用施工機械。另外，鑿巖及錨桿臺車不適用于雙線隧道三臺階預(yù)留核心土法掘進施工和錨桿鉆孔施工，同時也不適用于雙線鐵路隧道中隔壁法和雙側(cè)壁導坑法錨桿施工。

5 行業(yè)應(yīng)用案例及效用

水工洞室：錦屏二級電站引水隧洞礦山法施工（部分）采用26臺Boomer XL3D鑿巖臺車和7臺FlexiROC T35鉆機。引水隧洞開挖分兩個階段，首先用Boomer XL3D鑿巖臺車開挖上部高7.5m的部分，再用FlexiROC T35鉆機以臺階式鉆孔方法開挖下臺階。該工程平均每天掘進9.0～12.0 m，分兩個工班施工，每個工班12h;每個機組配備4名操作手，極大地減少了施工人數(shù)，而如果采用傳統(tǒng)方法鉆孔，至少需要30名工人。由于錦屏水電站的巖石是脆性大理巖，極容易發(fā)生巖爆。鑿巖臺車BUT35鉆臂的長度能讓工人遠離掌子面，提高工人安全程度。

公路隧道：西班牙畢爾巴鄂公路隧道位于西班牙畢爾巴鄂市郊，隧道長約3.0km，隧道每個掘進作業(yè)面配置1臺阿特拉斯？科普柯三臂鑿巖臺車，隧道系統(tǒng)錨桿為長5.0m的樹脂錨桿，錨桿施工以鑿巖臺車為主，同時租賃1臺全液壓錨桿臺車;青島膠州灣海底隧道設(shè)2條3車道主隧道和1條服務(wù)隧道，主隧道中軸線間距為55.0m。隧道斷面為橢圓形[9]，隧道掘進鉆孔施工主要采用Boomer 353E鑿巖臺車;雅瀘高速公路大相嶺隧道，在右線Ⅲ、Ⅳ級圍巖施工中，施工單位采用Boomer 353E鑿巖臺車全斷面鉆爆開挖。

鐵路隧道：成蘭鐵路躍龍門隧道和柿子園隧道，為了提高隧道施工的效率和安全性，施工單位采用Boomer L2D和Boomer XL3D鑿巖臺車用于正線隧道和輔助坑道掘進施工及錨桿鉆孔作業(yè)。現(xiàn)場地層為Ⅳ級灰?guī)r夾板巖，隧道全斷面開挖，采用Boomer L2D鑿巖臺車進行錨桿鉆孔及輔助安裝錨桿，鑿巖臺車鉆孔進尺約1m/min，施工效率較高。

6 結(jié)語

我國鐵路隧道工程施工主要采用鑿巖臺車進行掘進鉆孔，少數(shù)工程采用鑿巖臺車進行錨桿鉆孔，多數(shù)情況下錨桿鉆孔施工采用人工風鉆鉆孔，也有的工程采用錨桿鉆機鉆孔。鐵路隧道工程地質(zhì)復雜，斷面類型較多，施工工法復雜多變，不同圍巖級別錨桿支護長短不一，大型施工機械不適用于小斷面錨桿施工，多種因素致使鐵路隧道推行錨桿機械化施工困難重重。外資鑿巖臺車在產(chǎn)品可靠性、可維護性、生產(chǎn)效率及安全性保障等各方面都有優(yōu)秀表現(xiàn)，但市場售價動輒幾百至上千萬，高昂的售價致使外資鑿巖臺車在國內(nèi)隧道工程施工中推廣應(yīng)用并不理想。由于國內(nèi)目前人工成本與機械化施工成本相比，人工成本仍存在明顯的優(yōu)勢，以至成為鐵路隧道推行施工機械化的一大阻力，但施工機械化是提高工效的有效途徑[10]。此外，國內(nèi)缺少大型鑿巖臺車操作熟練技工，個別施工單位購買的鑿巖臺車在施工現(xiàn)場成為擺設(shè)[11]。歐洲發(fā)達國家租賃市場發(fā)達，維修配套及時，承包商較少擁有施工機械，各生產(chǎn)線都利用較為發(fā)達的租賃市場[12]，因此，我國的隧道施工裝備化、自動化還需要一定的發(fā)展時間，需要建設(shè)、施工單位和裝備研發(fā)單位共同努力，提高重視，降低采購成本，實現(xiàn)成套施工裝備國產(chǎn)化，并使其早日為我國隧道建設(shè)事業(yè)發(fā)揮作用。

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收稿日期：2019-09-12

*基金項目：中國鐵路工程總公司科技研究開發(fā)計劃項目，編號：（2019-重大-08-03）。

作者簡介：劉洋（1979—），男，遼寧沈陽人，碩士，高級工程師，從事隧道施工技術(shù)及病害缺陷整治技術(shù)研究。