鐵路隧道施工設(shè)備配套技術(shù)研究

任 崗

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)深度發(fā)展之下，施工技術(shù)水平持續(xù)提升，但就隧道機(jī)械化施工領(lǐng)域而言，我國(guó)依然處于發(fā)展初期階段，存在較大的進(jìn)步空間。當(dāng)然，我國(guó)隧道機(jī)械化施工正表現(xiàn)出持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，行業(yè)技術(shù)人員積極從外界學(xué)習(xí)，深度整合技術(shù)資料，經(jīng)改進(jìn)后靈活運(yùn)用于我國(guó)實(shí)際環(huán)境，在機(jī)械施工設(shè)備配套上取得了較大進(jìn)步，給我國(guó)鐵路隧道施工提供了支持，相繼出現(xiàn)一大批具有代表性的鐵路隧道工程。

1 工程概況

莆田至炎陵高速公路尤溪中仙至三元莘口段YA10 標(biāo)段總長(zhǎng)6.994 km，該區(qū)段有隧道1.5 座，采用分離式隧道形式，呈東西走向。經(jīng)勘察得知，隧址區(qū)較為偏遠(yuǎn)，與周邊公路間距較遠(yuǎn)，進(jìn)出口施工難度較大，需修建施工便道。以六角崎隧道為例展開探討，其右線里程K162+862～K165+828，總長(zhǎng)度2966 m，含有明洞/門洞6 m；左線里程Z1K162+837～Z1K165+852，總長(zhǎng)度3015 m，含有明洞/門洞8 m。左右線均有大量Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖。隧洞進(jìn)出口均設(shè)置為端墻式洞門形式，進(jìn)出口線間距分別為32 m 與30 m。

2 機(jī)械設(shè)備選型及配套的要求

機(jī)械設(shè)備的選型與配套以滿足質(zhì)量與工期要求為基本前提，在此基礎(chǔ)上合理選擇機(jī)械設(shè)備，盡可能減少設(shè)備投入，有效控制生產(chǎn)成本，達(dá)到均衡生產(chǎn)的效果。設(shè)備選型與配套是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，需要與施工工藝方法相適應(yīng)，能夠在特定的洞內(nèi)空間靈活施工；各類設(shè)備之間需要協(xié)調(diào)運(yùn)行，可有效配合以便提升施工效率，并與工期相適應(yīng)；選型與配套方案要滿足各生產(chǎn)線的需求，可將各條作業(yè)線有效連接起來，達(dá)到均衡生產(chǎn)的效果；此外，設(shè)備的運(yùn)行需足夠穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上營(yíng)造安全的施工環(huán)境[1]。

基于上述提及的原則，綜合考慮本工程的實(shí)際情況，確定了具體的機(jī)械設(shè)備選型與配套要求，主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面：①機(jī)械配套方案要兼顧進(jìn)度與施工組織規(guī)劃，牢牢把握裝、運(yùn)、挖三大施工工序，并做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、支護(hù)等各項(xiàng)輔助工作，將各道工序銜接起來，創(chuàng)建高效的流水作業(yè)線；②提升機(jī)械配套運(yùn)行能力，能夠彰顯出良好的效益性，兼顧操作性、工作效率、運(yùn)維成本等多方面因素，為確保施工質(zhì)量，不可采用老舊設(shè)備；③盡可能提升設(shè)備的通用性，除了在本隧道工程中可高效施工外，還需適用于后續(xù)其他工程，通過這一方式可降低設(shè)備運(yùn)維成本，充分彰顯出設(shè)備的使用價(jià)值；④選擇備用設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況后可隨即替換，避免施工中斷現(xiàn)象，此項(xiàng)備用準(zhǔn)備工作主要針對(duì)的是中小型設(shè)備。

3 機(jī)械配置技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

立足于本隧道工程整體狀況，采取合適的地質(zhì)預(yù)報(bào)方式，具體如下。

（1）長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。選擇TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（圖1），該設(shè)備的工作范圍可達(dá)到150 m，所得結(jié)果準(zhǔn)確率90%，能夠有效判定前方施工區(qū)域的各類不良地段，諸如斷層等。

圖1 TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工具

（2）中距離預(yù)報(bào)。通過對(duì)長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)結(jié)果的分析，確定斷層破碎帶的具體位置，在掘進(jìn)到位之前便要進(jìn)行中距離預(yù)報(bào)，采用的是鉆孔取巖芯的方式，本工程中鉆孔深度約30～40 m。

（3）短距離預(yù)報(bào)。選擇鉆孔臺(tái)車，在其支持下對(duì)開挖面鉆孔，規(guī)格為Φ108 mm，深10～15 m，分析鉆進(jìn)過程中巖屑、水質(zhì)等各項(xiàng)因素的變動(dòng)情況，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地質(zhì)情況。

3.2 機(jī)械化鉆爆法

全電腦SYS113 型三臂鑿巖臺(tái)車是本次隧道施工的關(guān)鍵設(shè)備，考慮到施工效率、安全性等多方面要求，本工程采用聯(lián)合作業(yè)方式，輔以錨桿鉆孔設(shè)備。為鑿巖臺(tái)車適配工作籃，以滿足炸藥裝填等作業(yè)需求，且適配2 名司機(jī)交替作業(yè)，避免疲勞駕駛現(xiàn)象，提升施工作業(yè)的安全性。針對(duì)本次工程狀況，單孔鉆進(jìn)約2 min，各孔深度約4.5 m。依據(jù)工程需求，鉆孔總量190～200 個(gè)，所需時(shí)間約2 h，共使用18 箱炸藥，所用導(dǎo)爆索總長(zhǎng)度≥250 m。此外，設(shè)置錨桿系統(tǒng)，創(chuàng)建安全的施工環(huán)境，提升施工效率，較為關(guān)鍵的有超前錨桿、系統(tǒng)錨桿等。由于鑿巖臺(tái)車功耗較高，運(yùn)行過程中易出現(xiàn)電壓不足等問題，需適配便攜式電源，為鑿巖臺(tái)車的穩(wěn)定運(yùn)行提供支持，避免因中途斷電而中斷施工的現(xiàn)象。

3.3 支護(hù)噴錨設(shè)備

通過多種措施提升隧道施工的穩(wěn)定性，設(shè)置錨桿系統(tǒng)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射足夠厚度的混凝土，針對(duì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，該區(qū)段額外設(shè)置鋼架結(jié)構(gòu)。基于YT-28 風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，在此基礎(chǔ)上使用KBY50/70 注漿泵有效注漿。工程中采用的是濕噴工藝，使用到KC30 型濕噴機(jī)械手（圖2），各工作面均適配1 臺(tái)設(shè)備。

圖2 濕噴機(jī)械手

3.4 掘進(jìn)、出碴設(shè)備

隧道掘進(jìn)施工中，確保足夠的裝渣運(yùn)輸能力也是提升掘進(jìn)速度的關(guān)鍵[2]。本標(biāo)段施工中，棄碴總量達(dá)到156.96×104 m3，依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，在正常情況下，出渣量達(dá)到60 m3/h，可為長(zhǎng)大隧道輔助導(dǎo)坑施工提供指導(dǎo)，有效控制了洞內(nèi)空氣污染。基于地質(zhì)勘察資料得知，施工區(qū)域內(nèi)分布有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中以Ⅳ圍巖分布最廣，無法為液壓鑿巖臺(tái)車運(yùn)行提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，對(duì)此選用的是人工風(fēng)動(dòng)鑿巖設(shè)備，并輔以掘進(jìn)作業(yè)臺(tái)架。基于對(duì)隧道斷面大小的分析，若采用YT-28 型風(fēng)槍，在同一掌子面可適配25～28 臺(tái)設(shè)備，持續(xù)施工且進(jìn)入正洞后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向施工的方式，在此基礎(chǔ)上再合理配置電動(dòng)空壓機(jī)等設(shè)備。

3.5 高壓風(fēng)設(shè)備

設(shè)置了風(fēng)壓站，可達(dá)到集中供風(fēng)的效果，各高壓風(fēng)管規(guī)格一致，均使用的是Φ250 mm 無縫鋼管，通過托架法將其穩(wěn)固安裝在邊墻上，沿著整個(gè)隧道有序布置，其高度控制較為關(guān)鍵，不可對(duì)仰拱與鋪底施工帶來不良影響。以300～500 m 為間距，有序安裝閘閥與三通，實(shí)際運(yùn)行中若出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，可作為應(yīng)急排水管使用。在風(fēng)動(dòng)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)，存在最大耗風(fēng)量，同時(shí)考慮管道漏風(fēng)系數(shù)，綜合兩大因素合理配置空壓機(jī)，具體有式（1）：

式（1）中，δ 是安全系數(shù)，本工程中取值為0.3；k 是磨損的修正系數(shù)，介于1.05～1.10；km是各海拔下的修正系數(shù)，依據(jù)本工程地質(zhì)情況，為1.14；∑Q 是風(fēng)動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)所需的耗風(fēng)量，單位m3/min，具體計(jì)算見式（2）：

式（2）中，qn 是管道漏風(fēng)系數(shù)，1.15；∑q 是總耗風(fēng)量。

當(dāng)所有風(fēng)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)，總耗風(fēng)量如式（3）所示：

式（3）中，N 是運(yùn)行設(shè)備的數(shù)量；q 是單臺(tái)設(shè)備耗風(fēng)量；K1是各設(shè)備同時(shí)工作的系數(shù)，為0.85；K2是磨損系數(shù)，為1.10。

基于上述方法求得總耗風(fēng)量，以此為基準(zhǔn)為洞口適配合適的高壓風(fēng)站，以滿足洞內(nèi)高壓用風(fēng)需求。同時(shí)考慮到斷面大小、出碴量、運(yùn)碴距離、斜井坡度，合理配置棄碴運(yùn)輸設(shè)備。

3.6 二次襯砌作業(yè)線

配置的機(jī)械設(shè)備有12 m 液壓模板臺(tái)車與砼輸送泵各1臺(tái)、9 m3砼罐車共3 臺(tái)，并設(shè)置1 座具有較高生產(chǎn)能力的攪拌站。相較于人工作業(yè)的方式而言，基于機(jī)械化的施工可顯著提升效率，但對(duì)于襯砌步距提出較高要求，需要適配合適的液壓模板臺(tái)車，使用鋼模板，從而確保施工質(zhì)量。在2 模板之間設(shè)置止水帶，要求一半埋入其中，余下部分露出，此方式的優(yōu)點(diǎn)在于提升了裝拆效率。模板沿隧道環(huán)向設(shè)置，使其呈雙塊夾板結(jié)構(gòu)，但由于施工環(huán)境復(fù)雜，襯砌開挖會(huì)對(duì)其造成影響[3]，在實(shí)際施工中需要適當(dāng)調(diào)整組合鋼模位置，將其向左右略微移動(dòng)一段距離，通常情況下為5 cm；關(guān)于襯砌加厚區(qū)域，不可采取木制模板，較為可行的是組合鋼模的方式。

3.7 多級(jí)泵站排水

采用機(jī)械排水，設(shè)置多級(jí)泵站接力排水，工作面積水采用移動(dòng)式潛水泵抽至就近系站或臨時(shí)集水坑內(nèi)，其余已施工地段隧道滲（涌）水隧道內(nèi)側(cè)溝自然匯積到泵站水池內(nèi)或臨時(shí)集水坑內(nèi)，由固定排水泵站將積水經(jīng)排水管路抽排至上一級(jí)排水泵站水池內(nèi)，如此由固定式排水泵站接力將洞內(nèi)積水抽排至洞外，經(jīng)污水處理池處理后排放；臨時(shí)集水坑則根據(jù)匯水段水量大小而定。工作水泵按每組使用1 臺(tái)、備用1 臺(tái)配備，針對(duì)隧道涌水量大時(shí)要適當(dāng)增加工作水泵。

4 結(jié)語

鐵路隧道施工技術(shù)持續(xù)提升，由原本的半機(jī)械化施工逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂鞋F(xiàn)代化特性的機(jī)械配套施工方式。以某鐵路隧道為背景，從該工程的施工狀況與設(shè)計(jì)要求出發(fā)，提出一套設(shè)備配套技術(shù)方案，廣泛覆蓋至開挖、裝運(yùn)、襯砌等多個(gè)環(huán)節(jié)，以期給類似工程提供參考，提升鐵路隧道施工的機(jī)械化水平。