鐵路隧道機械化施工設備配套技術

丁軍彥

（中鐵隧道局集團建設有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著科學技術的高速發展，我國鐵路隧道施工技術水平不斷提升，但隧道機械化程度仍處于早期發展階段，存在較大的發展空間。需要從發達國家中吸取優秀技術經驗，整合各種技術資料，在施工作業過程中進行適當改進，提高機械化施工效率和建筑工程質量，為我國的鐵路隧道施工提供支持。

1 我國鐵路隧道機械化施工現階段存在的問題

1.1 快速施工技術體系問題

在鐵路隧道工程中最基礎的機械化施工方法便是鉆爆法，但這種方法仍然存在著許多問題，例如：變形處理、施工安全等。對于不同鐵路隧道工程，在施工進度方面也會存在一定差異，若是施工隊采取的施工方式不當，就會在施工中造成嚴重的環境破壞問題，不利于后續施工作業的順利開展。

1.2 設備生產體系不成熟

在鐵路隧道的建設過程中，需要做好機械化設備的相關配套，提高鐵路隧道的施工水平，但是機械化設備應用也存在許多的問題。機械設備大多數作業環境位于巖石相對穩定的位置，對施工環境和地形地質要求較高。我國的機械設備生產體系還未建立一套完善的體系，一旦施工設備出現問題，會耗費大量的人力、物力進行維修養護，導致施工的整體進度延后，不利于隧道工程的正常開展[1]。

2 鐵路隧道機械化施工設備配套技術

2.1 超前地質預報

對于隧道工程的施工來說，機械化施工設備主要應用在巖石比較穩定的施工環境，如果機械設備出現在不良的地質環境條件下，就會對施工質量和施工效率產生影響，因此必須借助超前地質預報對隧道的地質情況進行檢測，包括巖溶、涌水等。在實際檢測過程中最常用的幾個手段為：水平超前地質預報鉆機、TSP 超前地質預報系統等，主要探測的區域為30±5 m 的范圍，或者位于[100，200]m 間的范圍，詳細了解這些區域的水文地質數據。根據預報劃分兩種系統：長距離預報和中短距離預測，其中前者主要為TSP 超前地質預報系統，這種系統通過先進技術對不同地層地震波產生的反射特性來判斷地質情況；地質雷達設備可以通過高頻電磁波技術探測地質環境的水文地質情況[2]。

2.2 隧道開挖作業線

2.2.1 鉆爆法施工

鉆爆法中使用頻率較高的設備主要有三臂鑿巖車、風動鑿巖機兩種，前者主要通過電氣液壓進行自動化調整，能保證定位數據的精準性；后者在鉆孔方面有較低的精度。與風動鑿巖機相比，三臂鑿巖車有較大的自動化性能，還能長距離鉆探施工，可以與下一道工序支護共同結合完成作業。與傳統的人工鉆爆風槍作業相比，三臂鑿巖臺車在功能性、安全、進度等方面具有較大的優勢，如表1 所示。三臂鑿巖臺車能實現超前水平鉆孔以及快速錨桿等功能，與傳統人工作業方式相比，在進度上達到每循環1.5～2 h。傳統人工方式需要的作業人員為24人，需要佩戴安全帽；三臂鑿巖臺車僅僅需要3～6人，操作位置位于駕駛室，后者的能耗遠低于傳統人工方式，僅為400 kW。相比產生較大粉塵和噪聲的傳統手段，三壁鑿巖臺車更加環保。這種方案有效解決了傳統人工作業的安全風險，縮短了作業時間并減少操作人員的數量，大大降低能源消耗。三臂鑿巖車有較高的效率以及較大的經濟價值和環境價值，被廣泛應用于鐵路隧道施工開挖中。施工單位在開展工作時，分配、記錄相關工程使用的具體設備時，剔除鑿巖設備，并將自制式、多功能的臺車應用到該工程項目中，作業平臺主要分為三層，對于鉆眼、光面爆破開發施工，需要根據圍巖的實際情況選擇合適的數量的鑿巖機進行施工[3]。

表1 三臂鑿巖臺車與傳統人工鉆爆風槍對比

某隧道工程的實際情況如下：該隧道地址較遠，與周邊公路相距甚遠，進出口施工難度較大，須修建施工便道，以該隧道的某段為例，右線里程總長為2 966 m，包含明洞6 m；左線里程3 015 m，包含明洞8 m，其中右線和左線均含有大量Ⅲ級以上的圍巖，在隧道進出口規劃的形式為端墻式洞門，進出口線間距設置為32 m、30 m。該隧道工程采用的機械設備為全電腦SYS113 型三臂鑿巖車，為了提高施工效率和保障施工安全，采取聯合作業的方案，再輔助錨桿鉆孔設備。在三臂鑿巖車的設備上安裝相應數量的工作籃，可以滿足對于裝填炸藥的需求，安排2 位作業人員進行輪流操作施工，避免疲勞駕駛發生安全事故，保證施工人員的安全。在實際施工作業中，鉆進單孔的時間為2 min，鉆進深度為4.5 m，根據作業需要，總共需要鉆取的孔洞數量大約為200 個，消耗18 箱炸藥，為了做好施工人員的安全保護措施，提高施工的整體效率，還需要安裝相應的錨桿系統，如：超前錨桿、系統錨桿等。

2.2.2 全斷面硬巖掘進施工

全斷面硬巖掘進施工主要分為護盾式掘進和開敞式硬巖掘進兩種施工方式，前者大多數應用于地層比較破碎的施工作業環境；后者大多數應用于地層比較穩定以及有著硬巖的環境。護盾式掘進的設備主要分為單護盾式和雙護盾式，前者的護盾方式主要由設備管片的推進缸提供掘進行動的支反力。雙盾式的掘進機主要在前后的裝置上安裝了2 個護盾，支撐靴安裝在護盾上，支撐著環境中的巖層，在不良的施工環境中發揮較高的作用。在水文地質情況較為惡劣的環境，采用雙護盾式掘進機高效作業，相比于單護盾式掘進速度較快，能適應不良的作業環境。主要是護盾式掘進機安裝了管片，與單護盾式作業方式相同，由管片提供支反力，同時掘進作業，被廣泛應用于鐵路隧道的掘進作業中[4]。

2.3 隧道出渣作業線

出渣作業的主要作業工序包括扒渣、裝渣、運渣和卸渣等，在實際作業過程中，施工人員操作挖掘機在施工現場進行扒渣施工，配備三臺的ZLC50E 側卸式機在工業區中進行裝渣，一臺用以備用方案，以防裝渣機械設備出現損壞，一臺用以輔助作業。對于運渣這一過程，主要采用有軌和無軌的運輸車進行廢渣的運輸，有軌式出渣的方式主要在隧道內部安裝相應的軌道，采用拖斗車進行出渣作業，這種方式較為環保，不會產生嚴重的噪聲污染和廢氣，鋪設的軌道也可用以二次襯砌施工，但施工成本較高、管理工序比較復雜，無軌式出渣方式主要采用自卸汽車開進隧道，一般為大噸位的汽車，開進隧道的自卸汽車直接帶走廢渣，根據隧道工程的開挖情況合理安排足夠數量的自卸車，當運輸距離逐漸增加時，管理人員需要增加裝卸車數量，這種方式有靈活性，但產生較為嚴重的噪聲污染和廢氣。不同的隧道長度不一、輪廓大小也不相同，需要根據實際情況合理選擇適合的出渣方式。

2.4 噴錨作業線

噴錨支護主要采用高強金屬錨桿鉆進巖層中，并安裝上相應的鋼筋網架，采用高壓噴射混凝土的方式以提高隧道工程的初期階段的支護質量，根據工程的情況合理選擇噴錨支護設備，保障噴錨工藝質量。噴錨支護施工主要設備分為混凝土噴射機、混凝土泵送機和空氣壓縮機等，傳統的混凝土噴射機施工產生較大的粉塵污染，已經不符合當下的施工要求，已逐漸被其他混凝土噴射機取代。新型的機械混凝土噴射機主要分為空氣壓縮的氣動型和液體壓縮的泵送型機械設備[5]。

在實際的作業過程中，噴錨作業環節分為前期準備、初噴、錨桿孔放樣、鉆孔、安裝、掛設、二次噴、養護等工序。施工流程主要采用機械方式和人工方式相結合，采用機械鑿巖鉆機對隧道進行錨桿孔的鉆取，并以人工的方式開展安裝和注漿工作。在混凝土的噴射過程中，施工人員主要采用PM500 型噴漿機械手開展混凝土噴射工作，按照具體的施工要求噴射一定厚度的混凝土，在安全距離內進行噴射作業，保證施工人員的安全，通過遙控手柄對噴射機進行操縱，全方位旋轉能保證噴射寬度為15 m 左右，回彈率控制范圍應低于10%，相比普通的濕噴機效率較高。在隧道噴錨作業施工中，采用濕噴機械手作業，一方面可以提高施工效率，減少施工成本，另一方面可避免安全事故的發生，有效解決圍巖偏差或者淺埋偏壓的問題。

2.5 二次襯砌作業線

2.5.1 拱墻襯砌施工

在襯砌作業的施工過程中，施工人員需要安排相應的施工設備為混凝土輸送泵、罐車和二襯模板臺車等。由表2 可知，拱墻襯砌施工主要采用長度為12 m 的液壓式整體鋼模襯砌臺車進行施工作業，在進出口區各配置1臺，選擇混凝土輸送車則需要安排進、出口區各4 臺，自動計量攪拌機、混凝土輸送泵則配置各區2 臺。以往的二襯施工作業大多采用傳統木模板對二襯端頭進行支模的方式，為了提高施工效率，并保證施工質量，采用組合鋼模板端頭代替木模板端頭后，在兩塊模板之間安裝止水帶，露出一半止水帶在外面，另一半埋于其中。這種方式安裝方式較為簡單，也便于拆卸，只要拆除掉組合鋼模板和相應的螺栓，便可完成拆除工作，且成型的混凝土外觀質量高。實際襯砌作業還會受到其他因素的影響，可以根據實際情況適當移動組合鋼模板端頭，通常距離為5 cm，對于可以加厚的襯砌位置，還可以采用其他的鋼端頭進行替換。

表2 進、出口工區的施工設備配套表

2.5.2 綜合洞室施工

為了順利在隧道工程中開展機械化施工，必須提高綜合洞室的施工水平，傳統的鋼拱架背貼鋼模板襯砌施工方式已經不符合機械化施工要求，采用整體式襯砌方案取代傳統的方式，并根據洞室的具體形狀進行合理設計。這種方式操作方式更為簡單，有一定的安裝精度和定位速度，有效避免施工出現跑模，相比傳統的施工手段，這種方式也盡量避免了二次修補的問題。當完成洞室混凝土澆筑環節后，獲得表面較為平整、密實的效果。

2.5.3 水溝電纜槽施工

在隧道水溝電纜槽的施工作業過程中，采用整體式水溝電纜槽臺車，將大面積的大塊定型鋼模應用于隧道作業過程中，降低模板作業的任務量。出于對人為因素引起施工質量問題的考慮，通過液壓系統固定鋼模板，以免影響模板的施工質量。完成好鋼模板的固定工序后，可進行澆筑作業，一次成型。此外，采用液壓方式進行整體脫模、就位，可減少傳統拆裝的次數，提高了施工效率，減少了人力物力的消耗。這種操作方式也簡單高效，有一定的環保價值，與傳統方法相比，可有效降低施工成本。

2.6 隧道輔助施工

在鐵路隧道的施工作業過程中，輔助作業作為機械設備配套的主要內容，對施工質量起著重要的保障作用，尤其是解決通風、供風問題，如果無法合理配置，會影響施工作業的效果。

根據施工人員的測量數據得知，風動鑿巖機的耗風量約為3.5 m3/min，22 臺鑿巖機組合在一起將耗費大約為77 m3/min 的風量，需要解決高壓風產生的問題。為了滿足作業的施工要求，隨著耗風量的不斷增加，隧道內部的管道也需要不斷加長，每個工區需要配備適當半徑的主風管（如：219 mm），并根據工程情況合理安排數量的壓空機。

對隧道內部的實際情況進行測算，計算得出工程總需風量為77 m3/min，但在實際施工環節中，總需風量當作最大值對風量進行有效控制，并針對漏風情況、管道距離、壓力損失等情況進行估算，距離掌子面1 000 m 范圍內，估算設備所供的風量約為115.5 m3/min，風壓維持在0.6 MPa 左右。因此，在施工過程中，根據計算的結果選取合適型號的通風機。

3 結束語

鐵路隧道的施工環境大多數較惡劣，存在較大的安全隱患，因此需要配備大量的機械設備，提高施工效率和施工質量。隨著我國技術水平的不斷提升，新型的機械化設備必將取代傳統的人工方式，加強對鐵路隧道機械設備配套技術的研究，構建一套完整的機械化施工體系，實現便捷、自動化、智能化的操作，有效提升作業效率，縮短作業工期，保障鐵路隧道施工的整體質量。