川藏鐵路隧道鉆爆法機械化配套探究

陶偉明,曹 彧,匡 亮,周路軍,蔣 立,陳錫武

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

川藏鐵路起于成都，經雅安、甘孜、昌都、林芝，終至拉薩。川藏鐵路的建設能夠加快川西及西藏地區經濟的發展，促進城鄉一體化建設，對提高我國鐵路建造及運維水平具有重大意義[1]。川藏鐵路隧線比極高，其中隧道工程具有長大隧道眾多、高海拔、地質條件極為復雜、施工輔助坑道設置難等特點，除少部分隧道采用TBM施工外，大多數隧道擬采用鉆爆法施工[2-3]。傳統的人工鉆爆法具有投入人員多、勞動強度高、作業環境差、能源消耗高、綜合進度慢等缺點，隨著我國人口紅利逐漸淡化，人力成本逐漸升高，傳統的人工鉆爆施工模式與鐵路隧道大規模建設的形勢不相適應，以傳統人工鉆爆施工方法難以按期完成川藏鐵路隧道工程的建設。由此，本著以人為本，改善作業環境、降低勞動強度和提高施工效率的原則，推行大型機械化配套施工技術勢在必行。

機械化施工配套技術對于鐵路隧道施工方面，具有一定的優越性。國內外學者在機械化配套施工方面的研究主要集中在機械化選型、機械化施工設備配套技術、隧道鉆爆開挖設備配置優化等方面。張建周[4]、湯憲高[5]兩位工程建設管理者從經濟效應角度，論述了鐵路隧道鉆爆法施工采用大型機械化配套對投資的影響。于麗[6]、王志堅[7]等以鄭萬高鐵大斷面隧道為工程依托，從支護結構參數優化、機械化施工工法及施工工藝參數等方面，建立了基于施工動態管理的隧道作業面分類管理方法，進而提高了鐵路隧道機械化施工水平。朱科[8]結合黔張常鐵路桑植隧道，從機械化施工工序方面對九條機械化作業線施工技術控制要點進行闡述。韓賀庚[9]以蒙華鐵路隧道工程實踐為依托，闡述了全線路隧道施工技術管理方法，為提高隧道施工機械化水平提供了技術支撐。在隧道鉆爆開挖設備配置優化方面，周榮[10]以黔張常鐵路武陵山隧道、懷邵衡鐵路南雪峰山隧道為示范點，對鉆爆開挖設備配置進行了優化，達到了安全、優質、環保、經濟、高效的預期效果。徐穩超[11]以貴廣鐵路雙線隧道機械化配套的施工資源配置情況為例，從進度、安全、質量和經濟指標等要素入手，采用定量與定性相結合的方式，對雙線隧道機械化配套進行系統地優化分析。

在充分研究國內外鐵路隧道機械化施工的基礎上，針對川藏鐵路隧道施工的特點及難點，研究提出了川藏鐵路隧道機械化配套施工技術的優越性及建議方案。

1 工程概況

川藏鐵路雅安至林芝段線路長約1 011 km，為設計時速200 km的雙線鐵路。新建隧道長約838 km，占線路總長83%，隧道占比極高。其中，10 km以上的隧道共35座，長約730 km，占隧道總長87%；海拔3 000 m以上隧道共49座，長約634 km，占隧道總長76%。埋深1 000～1 500 m的段落長約149 km；隧道最大埋深達2123m。

線路穿越橫斷山脈，隧道多處通過長大越嶺地段，輔助坑道設置困難。雅安至林芝段隧道穿越地層主要以砂巖、板巖、花崗巖、閃長巖、灰巖、片麻巖為主，構造運動導致內外動力地質作用均十分強烈，隧道主要不良地質有巖爆、大變形、高烈度地震、活動斷裂、斷層破碎帶、突水、涌泥、高地溫、巖溶、有害氣體等。沿線地質構造見圖1。

川藏鐵路隧道具有“一長、二強、三高、四多、五難”的特點。一長：隧道總長長；二強：強烈的板塊活動、強烈的地震活動；三高：海拔高、地應力高、巖溫高；四多：活動斷裂多、巖爆多、軟巖大變形多、地震多；五難：工程勘察難、輔助坑道難、大臨工程難、棄渣難、物資保障難。

圖1 川藏鐵路沿線地質構造

2 鐵路隧道機械化施工研究

2.1 國內外鐵路隧道機械化施工現狀

近20年來，因我國勞動力資源豐富，勞動力成本低，國內鐵路隧道機械化施工的整體水平不高，隧道的施工以人工鉆爆法為主，尤其在高原、高寒隧道的施工實踐中[12]。隧道機械化配套整體水平與發達國家還有較大差距。表1為近年國內外鐵路隧道機械化配套施工典型案例。

在鄭萬高鐵大斷面隧道[7]施工中，從支護結構參數優化、機械化施工工法及施工工藝參數等方面，建立了基于施工動態管理的隧道作業面分類管理方法，這些研究成果已經成功推廣到鄭萬高鐵湖北段36個隧道工區，極大提高了鄭萬高鐵湖北段隧道建設的機械化水平；在黔張常鐵路桑植隧道[8]施工中，施工機械化配置9條作業線施工技術的成功應用，為今后隧道工程高標準、高要求、機械化配套施工積累了豐富的經驗；蘭武二線鐵路隧道施工中，在裝運設備上進行了研究并選型配置。其中，挖裝機采用了德產ITC312，比普通挖掘機在工效等方面更具優勢。作為當時國內最長的鐵路隧道—青藏鐵路隧道在地質條件、機械設備選型等方面并沒有過多的涉及，但是對內燃機械動力作了較為深入的研究，而對電力驅動的隧道施工機械缺少相關分析。川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道屬施工通過高地溫段，最高炮孔溫度達89.9 ℃，洞內采取通風、冰塊等措施降溫，并配置了挖掘機、裝載機、20 t以上汽車、卡薩C6鉆機等。

表1 鐵路隧道機械化配套施工典型案例

對國外機械化配套施工的發展，國外經濟發達國家隧道的建設比國內率先開始，對隧道施工技術和設備的研究起步時間也較早些，如在洞身初期支護方面，由于受到各國施工生產安全、勞動保護規定的限制和追求更高的噴射質量，經濟發達國家如芬蘭、英國、德國、瑞典、美國和日本的公路隧道洞身初期支護普遍采用濕噴技術。

2.2 隧道各作業工序常見機械配置

目前，國內鐵路隧道機械化施工作業工序主要有超前地質預報、開挖、裝運、支護、檢鋪底、防排水、襯砌澆筑及養護和溝槽。通過常見的隧道配套施工工序和機械設備類別，可以將鐵路隧道機械化配套施工的機械配套大致分為3類，依次為Ⅰ型機械化配套、Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套[1]。表2為鐵路隧道機械化配套施工主要設備。

由表2可以看出，Ⅰ型機械化配套在開挖作業工序方面主要配有鑿巖臺車和裝藥臺車，Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套在開挖作業工序方面的配置相同，主要配有風動鑿巖機、多功能臺架，鑿巖臺車和裝藥臺車的工作效率明顯比風動鑿巖機、多功能臺架的效率高，可見，在開挖作業工序方面，Ⅰ型機械化配套的機械化程度更高；在裝運渣作業工序環節，Ⅰ型機械化配套、Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套的設備配套相同，主要配有挖掘機、裝載機和自卸汽車；在支護作業工序方面，Ⅰ型機械化配套設備主要有鑿巖臺車、注漿臺車、混凝土噴射臺車、鋼架安裝臺車，Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套的設備配套相同，主要配有多功能鉆機、注漿泵、混凝土噴射臺車、多功能臺架；Ⅰ型機械化配套、Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套的最主要區別是：Ⅰ型機械化配套的是鑿巖臺車和注漿臺車，其余兩類設備配套采用的是多功能鉆機與注漿泵，可見，在支護作業工序方面，Ⅰ型機械化配套的機械化效率更高；同理，在襯砌澆筑及養護作業工序方面，Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套相對Ⅰ型機械化配套的機械化配備程度相對較低。綜上所述，目前鐵路隧道中Ⅰ型機械化配套是機械化程度相對較高的，但是，機械化配套類型的選擇應根據工期要求、作業工區長度、地質條件等因素綜合確定，充分發揮機械設備的最大效率。

表2 鐵路隧道機械化配套施工主要設備

2.2.1 開挖作業

鐵路隧道開挖作業中，鑿巖臺車作為開挖作業的核心設備，其中以三臂鑿巖臺車最為特殊，這是由于它所需的鉆孔時間較短，并且具備一次成孔、精準定位等特性，可以提升開挖成洞效率，鉆爆精度也可以得到良好的控制，進一步減少超欠挖現象，所需的工程成本也相對更少。因此，三臂鑿巖臺車是隧道機械化配套施工的核心設備。如圖2所示。

圖2 三臂鑿巖臺車

2.2.2 裝運渣作業

鐵路隧道裝運渣作業主要采用帶有儲礦箱和鏟斗的輪胎式裝、運、卸機械出碴。由于川藏線處于高海拔地區，應考慮高海拔對內燃設備的影響，主要是高海拔對非增壓型柴油機的影響。

2.2.3 支護作業

依據隧道施工支護作業的要求，結合隧道機械化配套施工方法，目前隧道支護作業大多配置鑿巖臺車、注漿臺車、混凝土噴射臺車、鋼架安裝臺車。鑿巖臺車采用鑿巖機施作，代表型號MT55；采用型號為HPS3016S的混凝土濕噴臺車取代傳統的小型濕噴機；鋼架安裝臺車分為2臂單籃、2臂2籃和3臂3籃鋼架安裝臺車，代表型號分別有新筑XZGT311、鐵建重工SCD112和鐵建重工GJ3系列。

2.2.4 防排水作業

隧道防排水作業主要選用防水板、鋼筋作業臺車，防排水施工作業系指在隧道初期支護完成。防水板施工是防排水結構的核心組成部分， 目前隧道防水板主要采用分離式，先鋪設緩沖層，再鋪設防水板。

2.3 鉆爆法施工隧道新設備

在鉆爆法隧道施工中，國外及國內涌現出一批新設備，對與川藏鐵路隧道特點相關的新設備進行了調研。

2.3.1 混裝炸藥設備

混裝炸藥車主要運用于礦山開發，適用于孔徑較大且一次性裝藥量多的爆破施工，該設備僅在礦山開發等領域使用，尚無在隧道施工中使用先例。采用該設備裝藥可大幅提高勞動效率，降低勞動強度，同時也要考慮對圍巖的擾動及損傷問題，建議在混裝炸藥車上安裝先進的微機計量控制系統，通過準確的物料配比計算，確保誤差在±2%之內，保證裝藥質量和爆破效果，從而避免因人工裝藥誤差大而導致的圍巖的擾動及損傷等問題。混裝炸藥車見圖3。

圖3 混裝炸藥車

混裝炸藥單元是一種不含行走動力、靠外力進行移動的設備，既可裝填散裝混裝炸藥，也能裝填乳膠基質，包括乳膠基質儲存箱、敏華劑儲存箱、泵送系統、計量系統和控制系統等。其具有結構簡單、適用范圍廣、造價低、使用方便等特點。根據不同底盤形式，可放置于皮卡車之上也可做成拖掛式、一體式及分體式等多種結構形式。因單次裝藥量較小，在隧道施工中建議采用混裝炸藥單元。

2.3.2 除塵設備

隧道爆破施工后傳統施工依靠洞外向掌子面通風除塵的方式，需30 min以上。采用除塵設備可加速清潔掌子面爆破后的粉塵，減少爆破后等待時間。

日本第二名神高速公路栗東隧道長2 636 m，斷面面積155 m2。采用除塵風機后，除塵基礎效果達到86%；國內新京張鐵路八達嶺隧道及延崇高速佛裕口隧道及松山隧道中，采用某除塵凈化設備，15 min后空氣粉塵含量可低至0.1 mg/m3。

2.3.3 破碎機+皮帶機出渣系統

皮帶機連續出渣系統的出渣流程：爆破石渣→裝載機裝渣→履帶式破碎站破碎→移動皮帶機運輸→連續皮帶機運輸→洞外棄渣場。

在美國、以及歐洲日本、澳大利亞等地的隧道施工中已有數十項工程采用了皮帶運輸機出渣方案。在歐美國家皮帶運輸機出渣技術已趨于成熟，美國80%工程項目采用皮帶運輸機出渣，近年來歐洲長大隧道也大都采用皮帶運輸機出渣；中國香港西部鐵路隧道長約4.8 km，隧道開挖斷面約110 m2，圍巖為花崗巖，采用了洞內破碎+連續皮帶機出渣方式，破碎后石料直徑0～200 mm；關角隧道在斜井內設置皮帶機，采用“正洞無軌+斜井皮帶機+洞外汽車轉運”方案，現場運行良好，取得了較好的進度、環境、安全效益，為山嶺隧道提供了新的施工模式。

2.3.4 兩臂濕噴機械手(圖4)

圖4 兩臂濕噴機械手

安九鐵路某隧道試用了兩臂濕噴機械手，噴射效果與單臂機械手相同，但其效率約為常規單臂機械手的1.5倍。

2.3.5 錨桿鉆注一體機(圖5)

圖5 錨桿鉆注一體機

鄭萬高鐵、玉磨鐵路等項目應用并推廣了錨桿鉆注一體機，該設備集成鉆孔工作臂、錨桿庫、錨桿推進裝置、錨桿鎖緊裝置及注漿系統于一身，施工時提前把錨桿存放在錨桿庫上，通過鉆孔工作臂成孔以后，錨桿庫把錨桿旋轉到對應孔口位置，通過錨桿推進裝置安裝錨桿并進行鎖緊，隨后進行注漿。可施工以砂漿錨桿為代表的“先注后錨式錨桿”和以中空注漿錨桿為代表的“先錨后注式錨桿”。

3 川藏鐵路隧道機械化配套方案建議

3.1 影響機械化配套施工的因素

通過資料調研分析，認為影響機械化配套施工的主要因素如下。

(1)機械設備與施工方法不匹配，造成施工空間不足，大型機械效能無法完全施展，各工序之間銜接時間延長。

(2)機械設備的能力與實際需要不匹配，造成時間浪費。

(3)機械操作人員和維保人員緊缺，機械維修時間較長。

(4)由于鑿巖臺車自身構造原因，鑿巖臺車與風鉆相比，外插角較大，因而其超挖可能比人工施工大。定額與實際施工不匹配，施工成本較高，導致施工單位使用部分機械的意愿不足。

3.2 川藏鐵路隧道機械化配套施工的優越性

相比于傳統的隧道開挖，川藏鐵路如果采用機械化配套施工，將具有諸多優勢，如川藏鐵路隧道采用鑿巖臺車，鐵路開挖作業效率將顯著提高，操作人員數量相比傳統隧道開挖明顯減少，單孔炮孔成孔時間也會縮短，可以大大加快隧道的開挖速度。同時，鑿巖臺車還可以減少因隧道開挖而產生的灰塵，可以大大改善隧道內部的施工環境。掌子面穩定性也可以得到控制，降低隧道掌子面失穩的可能性，從而確保施工安全。傳統隧道的防水板設計是隧道施工的關鍵工序之一，若采用防水板、鋼筋作業臺車進行隧道的防水設計，可以在保證工程質量的同時，使工序作業時間大幅度縮減。

3.3 川藏鐵路機械化配套方案

與一般鐵路的機械配置相比，川藏鐵路的機械配置要結合川藏隧道施工現場實際和高海拔、高地應力、高低溫等極端條件下產品適應性方面進行深入研究。為了達到“提高施工工效、減小工期壓力、保證施工質量、改善作業條件、減少作業人員”的目的，川藏鐵路隧道機械化配套施工方案應遵循以下原則。

(1)以“分級配置、少人化、保證施工質量和安全必配、減輕勞動強度、有利提高功效、有利平行作業”為配套原則。

(2)從機械選型及配套的適應性出發，配套等級根據川藏鐵路的地質構造、地形地貌特征、環境惡劣情況等方面將機械化配套進一步分為“基本”、“中度”和“高度”3個級別。在一般地理環境下，采用基本機械化配套。基本機械化配套主要配置工程鉆機、多功能臺架、注漿泵、風動鑿巖機、單臂濕噴機械手、錨桿鉆注一體機、簡易仰拱棧橋、防水板鋪設臺架、智能化模板臺車、養護作業臺車、溝槽臺車等設備。中度相比基本機械化配套主要區別為：改用全斷面多功能鉆機、鑿巖臺車、混裝炸藥設備、鋼架拼裝機、自行式仰拱棧橋、防水板自動鋪設臺車。在極端惡劣環境條件下，選用高度機械化配套方案，如強巖爆、斷層破碎帶等條件下。高度相比中度機械化配套主要區別為：改用超長距離取芯鉆機(僅正洞與服務隧道)、兩臂濕噴機械手、長大斜井采用皮帶運輸系統。

(3)從經濟性出發，考慮到高原機械工效降低，富余系數不宜過大，以避免設備能力不足或浪費，用最低的投入換取最大的經濟效益。

(4)從施工質量出發，考慮到川藏鐵路地處高寒地區，應對川藏鐵路的機械配置進行針對性設計，減少通用性設備數量。隧道以電動機械為主，減少圍巖因受熱而產生的融化現象，確保圍巖強度穩定。

由設計資料可知，川藏鐵路大部分洞身處于高海拔、高地應力、高低溫等極端環境條件下，針對高海拔的地形以及地質構造變化無常、缺氧的氣候特殊條件，在川藏鐵路隧道施工中，結合表2分析，采用Ⅰ型配套設備。I型機械化配套在開挖作業工序方面主要配有鑿巖臺車和裝藥臺車；在裝運渣作業方面主要配置挖掘機、裝載機、自卸汽車；在支護作業方面，主要配置鑿巖臺車、注漿臺車、混凝土噴射臺車、鋼架安裝臺車；在襯砌澆筑及養護作業方面，主要配置襯砌臺車、混凝土攪拌站、混凝土輸送車、混凝土輸送泵、自行式仰供棧橋、自動養護臺車；在水溝電纜槽作業方面配置溝槽模板臺車，采用Ⅰ型配套設備可以形成機械化配套作業生產線，同時，也能形成穩定的工裝作業標準。

4 結論

(1)根據鐵路隧道收集的基本信息，考慮設備的使用年限和重復利用率，介紹了國內外鐵路隧道機械化配套施工的典型案例，這對即將全面開工的川藏鐵路施工有較好的參考和借鑒作用。

(2)鐵路隧道機械化配套施工的機械配套大致分為3類，依次為Ⅰ型機械化配套、Ⅱ型機械化配套和常規機械化配套。目前，Ⅰ型機械化配套在鐵路隧道中機械化程度相對較高，建議川藏鐵路隧道工程采用Ⅰ型機械化配套施工。

(3)在即將施工的川藏鐵路隧道中，若采用Ⅰ型配套設備，不僅可以形成機械化配套作業生產線，也能形成穩定的工裝作業標準。同時，相比于傳統的隧道開挖，若川藏鐵路采用機械化配套施工，具有諸多優勢。

(4)在極端惡劣環境條件下，建議采用超長水平鉆機、兩臂濕噴機械手、混裝炸藥車、除塵設備等，尤其針對高海拔、高地應力、高寒缺氧等特殊條件。