鐵路隧道開挖作業機械化與施工技術研究

趙前進

（中國鐵路昆明局集團有限公司，昆明650000）

1 引言

20 世紀80～90 年代，大瑤山隧道的鉆爆機械化施工與西康鐵路秦嶺隧道的全斷面隧道掘進機施工，是我國鐵路隧道開挖作業向機械化發展的標志，對我國的隧道建設以及施工技術的發展有重要的影響。

2 鐵路隧道開挖概述

在隧道開挖工程中，鉆爆法由于其適用性強、高效的特點成為最主要的隧道施工方法[1]。傳統鉆爆法通常為人工手持風動鉆工設備和簡易開挖臺架配合實施鉆爆，雖然操作難度小，但由于人工操作的原因，對施工環境與人員安全的保障無法得到滿足，并且人工操作效率低，施工質量難以保證，超挖、欠挖現象時常發生。近年來，隨著隧道建設數量的增加，人們對工程質量的要求不斷提高，鐵路建設單位面臨著諸多困境，如不斷提升的建設難度、逐漸上漲的勞動力成本、不斷提高的技術要求以及隧道建設的機械化快速施工等。傳統人工鉆爆無法滿足當前施工需求，機械化設備與技術的配套迫在眉睫。

隧道鑿巖套車是為了解決隧道施工開挖作業機械化而誕生的產物，我國在20 世紀60 年代開始研發和應用。在之后的30 年中，隨著鐵路隧道建設的不斷推進，對鑿巖臺車技術的研發，逐漸實現了全電腦導向以及全自動控制。但與國際先進公司的研發成果相比，還有一定的差距。

3 工程概況

某鐵路隧道全長6 563m，起止里程為DK365+150～DK371+713，采用進、出口雙向掘進，最大深埋316m。隧道圍巖成分主要由粉質黏土、頁巖及灰巖構成，巖性復雜。灰巖地區有巖溶地質發育，頁巖地層橫穿灰質頁巖夾煤線，碳質頁巖層巖體易破碎，施工過程容易造成突水突泥、瓦斯泄漏以及巖體塌方。隧道風險等級Ⅱ。

4 機械化設備選型

通過將鐵建重工ZYS113 全電腦三臂鑿巖臺車與德國阿特拉斯全電腦鑿巖臺車各項數據的對比分析（見表1），結合隧道工程單洞單線雙向掘進的施工要求，以及隧道的實際地質情況，選用2 臺鐵建重工ZYS113 全電腦鑿巖臺車。

表1 鐵建重工與阿特拉斯全電腦鑿巖臺車數據對比

5 機械化施工配套技術

5.1 機械化配套原則

施工機械與施工方法配套；單線鐵路長隧道斷面較小，無軌運輸阻礙通風，因此，采用有軌運輸；動力選型以電-液為主；充分考慮機械可靠性、經濟性、生產能力；考慮引進設備的國產化，易損件、零配件供應方便。

5.2 成本要求

鐵路隧道施工機械設備配套，不必盲目追求性能、技術和產量，從整機性能出發，單機性能與生產力匹配即可；保證在規定作業條件和作業時間下保持穩定功率和機械性能，從施工質量、機械穩定性、時間損失中取得平衡；機械運行對操作人員及周邊施工人員有安全保障機制，如防護裝置、過載保護、自動手動切換控制等；機械壽命與設計相符，耐用性達標；維修、檢查和保養方便，易損件、配件采購渠道通暢；充分考慮經濟成本，優先選擇節能型設備；兼容性強，能滿足多地形、地質作業；優先選擇低噪音、低污染、弱震動、防潮性能好的設備。

6 鑿巖臺車超欠挖控制方法

隧道超欠挖控制是隧道施工的主控項目，欠挖會導致后期襯砌厚度不足，提高運營過程中的安全風險，超挖會導致初支混凝土數量增加，增加施工成本，所以，利用開挖機械有效控制隧道超欠挖有極為重要的意義[2]。

初支超欠挖的線行控制能有效減少爆破后超挖所造成的空洞、圍巖擾動。可在三臂鑿巖臺車上配備全站儀，對圍巖進行線行掃描，獲取超欠挖數據并分析，以便于及時調整爆破參數。

6.1 鑿巖臺車開挖施工流程

整個開挖流程按定位、鉆爆設計導入、自動鉆孔、裝藥、爆破、排險出渣的順序進行。施工過程中需注意以下幾點問題：鉆爆設計，通過超前地質預報與全站儀掃描結果相結合取得圍巖數據，經過綜合分析后調整鉆爆參數，導入鑿巖臺車電腦；鐵建重工ZYS113 型鑿巖臺車可實現全自動鉆孔作業，需在作業前將鉆孔位置、孔位、角度、深度輸入車載電腦即可實現全自動作業；鐵建重工ZYS113 型鑿巖臺車自配工作吊籃，為施工人員提供安全的裝藥環境。

6.2 長短眼爆破控制超欠挖

全斷面開挖采用鐵建重工ZYS113 型三臂鑿巖臺車進行全斷面鉆研爆破，遭遇軟弱圍巖無法垂直開挖輪廓線時，會造成鉆研過程出現外插角，可采用長眼爆破對開挖進尺短進行有效超挖控制。抬高常眼起眼高度，外插短眼能有效控制全斷面隧道遂底超挖、欠挖。使用鑿巖臺車鑿孔更加精準，減少了超欠挖量，這樣也減少了因為處理超欠挖造成的費用。

6.3 爆破效果

結合施工地的地質情況，實時調整爆破參數，通過縮小眼間距、減少裝藥量、局部縮小開挖輪廓等措施減少超欠挖，保證周邊圍巖穩定性。

7 鑿巖臺車裝藥作業平臺數量優化

鑿巖臺車的裝藥作業采用人工完成，鉆爆臺架可實現全斷面同時裝藥。但是鐵建重工ZYS113 型三臂鑿巖臺車操作筐數量有限，僅有的2 個操作筐作業面較少，裝藥速度不能滿足施工需求。可通過加裝快速作業筐在鉆臂前端，通過2部臺車共6 個作業臂同時進行裝藥作業，提高鑿巖臺車施工效率。鐵建重工ZYS113 型三臂鑿巖臺車沒有快速裝藥的功能，可通過增加吊籃的方式改善裝藥效率，吊籃裝藥試驗數據（見表2），吊籃尺寸以及數量要根據實際裝藥需求定制，承重量需超過150kg。

表2 裝藥分布與時間對比

8 結語

單線鐵路長隧道作業范圍小、工程環境較差，隧道開挖機械化施工的關鍵還是在機械化配套設備的選擇以及施工技術的研究。不同長度、不同地質特點的隧道所需的機械化配套方案及施工技術不同，合理運用鑿巖臺機性能優勢，選擇最優爆破方案，能有效地實現鐵路隧道開挖作業的快速施工。在保證好設備的正常維修、保養的同時，盡量減少資金占用。機械化作業線是我國鐵路隧道建設未來發展趨勢，具有很高的研究價值。