隧道施工機械選型技術(shù)分析

劉瑞波

（中交第二公路工程局有限公司 陜西 西安 710065）

0 前言

我國是一個多山的國家， 隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，自然隧道修建項目就較多。 隧道基本都處于高山巖體深處的地層中，坑道穩(wěn)定，巖體堅固穩(wěn)定，圍巖壓力小，不存在偏壓受力的問題。 從國內(nèi)外隧道施工技術(shù)的實際經(jīng)驗來看，目前來說，主要有鉆爆法和隧道掘進機施工法兩種。 鉆爆法在近期及以后較長一段時間都是隧道掘進的主要手段，特別適合于大量短隧道、破碎巖石隧道和堅硬巖石隧道的施工中，開挖成本低，對地質(zhì)條件適應(yīng)性強。 而隧道掘進機施工法就是采用隧道掘進機來進行施工，這是一種專門用于開挖地下隧道的施工設(shè)備，有利于降低勞動強度和環(huán)境保護，具有經(jīng)濟、安全、優(yōu)質(zhì)、開挖快的優(yōu)點[1]。

1 隧道施工方法的選擇

1.1 從工程技術(shù)的角度來看，隧道圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，是影響施工方法選擇的最關(guān)鍵因素。 針對具體的隧道工程，采用何種施工方法，不僅取決于圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，也必然受到隧道工程結(jié)構(gòu)條件和工程施工條件的影響。 圍巖工程地質(zhì)條件，即隧道所處的地下津筑環(huán)境條件，主要表現(xiàn)為圍巖的自穩(wěn)能力和抗擾動能力、被挖除巖體的抗破壞能力、地下水儲藏條件、地應(yīng)力大小、地溫、易燃易爆有害物質(zhì)以及這些條件的變化情況[2]。 隧道工程結(jié)構(gòu)條件主要表現(xiàn)為隧道長度、隧道斷面大小、形狀、調(diào)空的組合形式以及支護結(jié)構(gòu)類型等饋況。 菠道工程施工條件主要表現(xiàn)為施工對圍巖的擾動‘支護對周巖提供幫助或限制的有效性、施工作業(yè)對空間的要求、提簡施工速度的要求、控制施工成本的要求、保證工程質(zhì)量的要求、保證施工安全的要求、減少環(huán)境污染的要求、施工隊伍技術(shù)水平、施工人員素質(zhì)、施工隊伍的管理水平。

1.2 隧道施工方法的選擇原則是：應(yīng)根據(jù)實際隧道工程上述3 個方面的條件，尤其是圍巖工程地質(zhì)條件，充分研究、綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒?，并根?jù)各方面條件的變化及時調(diào)整和改變施工方法。 所選施工方法必須與圍巖的自穩(wěn)能力相適應(yīng)，必須與被挖除巖體的堅硬程度相適應(yīng)，必須與工程地質(zhì)條件的變化相適應(yīng)。 所選施工方法必須與隧道斷面大小、形狀，以及洞室的組合情況相適應(yīng)。 所選施工方法必須與施工技術(shù)水平相適應(yīng)。 所選施工方法必須盡量減少對圍巖的擾動，必須盡量保持圍巖的自穩(wěn)能力不顯著降低，必須盡量利用其自穩(wěn)能力，必須能有效保證圍巖穩(wěn)定，必須能夠滿足作業(yè)空間的要求。 所選施工方法必須能滿足施工組織和管理方面的要求，必須能夠滿足施工速度的要求，必須能滿足施工成本控制的要求，必須能滿足工程質(zhì)量的要求，必須能滿足施工安全的要求，必須能滿足環(huán)境保護的要求[3]。

1.3 應(yīng)當(dāng)指出的是，隧道工程施工是在應(yīng)力巖體中開拓地下空間。 由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，以及地質(zhì)勘探、施工技術(shù)和人們對工程問題認(rèn)識的局限性，使得人們在隧道施工過程中不可避免的會遇到預(yù)料之外的地質(zhì)條件的突然變化，甚至發(fā)生如流變、坍方、流沙、突泥、涌水、巖爆等工程事故。所以，隧道施工人員，一方面，應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道工程各方面的具體條件加以綜合考慮、反復(fù)比較，選擇最經(jīng)濟、最合理的施工方法，甚至是多種方法、多種技術(shù)的綜合應(yīng)用；另一方面，應(yīng)密切關(guān)注施工過程中的各種變化，及時根據(jù)實際情況調(diào)整施工方案、施工方法、施工技術(shù)和施工進度等各項計劃。 這是一個受多種因素影響的動態(tài)的擇優(yōu)過程。

2 隧道施工機械選型的重要性

在隧道施工中,常用的機械設(shè)備主要有通風(fēng)設(shè)備（如射流風(fēng)機、軸流式通風(fēng)機、軸流式通風(fēng)機,等），裝運設(shè)備（如隧道挖裝機、電瓶車、立爪裝巖機、自卸汽車、翻車機、礦斗車、裝載機等），鉆爆設(shè)備（如螺桿空壓機、內(nèi)燃空壓機、電動空壓機、風(fēng)動鑿巖機等），噴錨襯砌設(shè)備（如抗水壓模板臺車、單線模板臺車、砼輸送泵、濕噴機、注漿機/軌行式砼輸送車、砼攪拌機、砂漿拌合機、砼組合攪拌機、管棚鉆機、雙液注漿泵等），以及其他設(shè)備（如制暖設(shè)備、制氧設(shè)備、照明設(shè)備、電力變壓器等）?？晒┧淼朗┕し竭x擇的機械設(shè)備數(shù)量眾多，性能各異。 如果在保證隧道施工的經(jīng)濟性、 安全性及進度的基本前提下，選擇最優(yōu)化的設(shè)備組合和機械設(shè)備， 對于提高隧道施工質(zhì)量，節(jié)約隧道施工成本，縮短施工周期極為重要。 與此同時,如果施工方?jīng)]有明確的機械設(shè)備選型方案, 那么無法安全控制進入隧道施工現(xiàn)場的多種設(shè)備。總之,有效的隧道施工機械選型技術(shù),可以有效保證順利進行施工方案，又能夠確保機械設(shè)備在整個隧道的施工期間都具有有效性、連續(xù)性。

3 隧道施工機械選型的基本原則

為了使隧道施工機械可以更好地發(fā)揮出經(jīng)濟效益，隧道施工機械選型應(yīng)該綜合考慮經(jīng)濟條件和技術(shù)條件，經(jīng)濟條件主要包括易損件的儲備量、機械設(shè)備的利用率、使用時間、購置費用等方面。 技術(shù)條件主要包括設(shè)備的靈活性、耐久性、通用性、易操作性及維修的難易性，勞力資源，能源消耗，工作效率，工作量等[4]。

3.1 機械選型原則

①所選機械技術(shù)性能必須要有效滿足現(xiàn)代施工的需求，具體表現(xiàn)在:機械設(shè)備機動性好、安全舒適、易于檢修、生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)先進、環(huán)保性好、構(gòu)造簡單、操作可靠。

②所選機械的生產(chǎn)能力應(yīng)適合運輸遠(yuǎn)近、 施工強度、場地大小、施工土質(zhì)、工作性質(zhì)等施工條件，能夠最大程度地充分發(fā)揮出機械的效率。

③所選機械從經(jīng)濟效益上來看，應(yīng)根據(jù)施工工程的具體情況而定，低性能的機械設(shè)備價格便宜，但作業(yè)能力低；高性能的機械設(shè)備價格昂貴,但作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)能力都較強。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，優(yōu)選出單位產(chǎn)品費用低、生產(chǎn)率高的機械設(shè)備。

3.2 設(shè)備機群的組合配套原則

①在組合設(shè)備進行機械化施工的過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)一臺設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致整個施工過程都停止，要盡可能地組織幾條施工生產(chǎn)線進行并列施工。

②在每一條并列進行流水作業(yè)的施工生產(chǎn)線上，應(yīng)盡量減少組合機械的機種，組合機種越多，那么停工概率就越大，作業(yè)效率越低。

③在組合機械中，為了便于維修管理和調(diào)度使用，應(yīng)該盡量去選擇那些性能、型號相同的機械設(shè)備。

我們以隧道施工盾構(gòu)機為例，影響盾構(gòu)機選型的要素主要有覆蓋層厚度、施工作業(yè)環(huán)境、隧道線形和長度、地下水的水壓及含量、盾構(gòu)機與后續(xù)設(shè)備的配套能力、有無輔助工法，還有地層條件（是否含有大卵石和砂礫、石英的含量、巖土體的顆粒級配、軟硬程度、強度等）。 對盾構(gòu)機進行合理選型，必須要結(jié)合襯砌的類型防止出現(xiàn)坍塌和滲漏的現(xiàn)象, 要具有性能良好的掘進能力,確保開挖面的穩(wěn)定性等，所以從這些因素來看，盾構(gòu)機的選型技術(shù)不是一個單一的問題，而是一個應(yīng)該綜合考慮各種因素的系統(tǒng)問題，尤其是要考慮到整個施工系統(tǒng)的經(jīng)濟性[5-8]。 圖1 表示了以盾構(gòu)選型為核心的各因素的影響及其相互作用關(guān)系。

圖1 盾構(gòu)機選型關(guān)系圖

4 某隧道選型實例

4.1 某隧道概況

該隧道施工每月有效施工時間25 天， 巖石類型為花崗巖， 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜， 施工難度較大。 進度指標(biāo)為: Ⅱ級圍巖120m/月，每循環(huán)進尺為2.4m;Ⅲ級圍巖100m/月，每循環(huán)進尺為2.0m;Ⅳ級圍巖70m/月，每循環(huán)進尺1.6m。

4.2 施工設(shè)備選型

該隧道施工方本著“裝渣能力要低于運輸能力，鉆爆能力要低于裝渣能力， 施工組織要求能力要低于開挖能力”的機械選型原則，配備了先進、合理的裝渣開挖運輸、錨噴支護作業(yè)線等施工設(shè)備。

（1）運輸機械選型

要充分考慮到具體的隧道施工環(huán)境、經(jīng)濟條件和技術(shù)條件這三個因素來選擇合適的運輸設(shè)備型號。 考慮到裝渣運輸量大，運輸設(shè)備應(yīng)該選擇運輸方量較大的型號，同時由于工期緊，在數(shù)量選擇上不能出現(xiàn)裝碴設(shè)備等車的情況，要保證裝碴設(shè)備隨時都可以保持裝碴作業(yè)。 本項目采用無軌運輸方式來進行洞內(nèi)出碴的方式，6 輛型號為VOLVO FM7/12 的自卸汽車、3 輛型號為TAMROCK-T10 的三臂液壓臺車、3 輛型號為ZL50C 的裝載機、1 輛型號為SK115SR-1E 的挖掘機。

（2）錨噴支護作業(yè)線施工機械

對于錨噴支護作業(yè)而言， 只有采用性能良好的混凝土、優(yōu)質(zhì)錨桿、先進的配射設(shè)備、先進的噴射工藝才可以有效地確保支護的質(zhì)量。本項目采用3 輛瑞士MEYCO Potenza 混凝土噴射機，生產(chǎn)率為30m3/h，最大噴射寬度為20m，最大噴射骨料粒徑為22mm， 可噴射面積約240m2， 最大噴射高度為14m。 與此同時，選用4 輛型號為ZJB-30 的高壓灌漿泵，4 輛型號為PLD1200-56m3/h 的自動配料機，2 輛型號為JSY500-25m3/h 的強制式拌合機，8 輛國產(chǎn)混凝土攪拌輸送車，這些選用設(shè)備完全可以有效滿足3 輛瑞士MEYCO Potenza 混凝土噴射機連續(xù)噴射作業(yè)的要求。

（3）襯砌路面作業(yè)線施工機械

圖2 機械選型與配套

因為該隧道圍巖較好， 路面混凝土施工沒有特殊要求，只需要安裝正常要求處理即可，我們基于維修量小、操作可靠、加工簡單的原則，選用了2 輛型號為HBT60C-14/1m3的混凝土輸送泵，1 輛型號為YZ12 的壓路機，2 輛型號為AH5261GJB/8m3的混凝土攪拌輸送車，3 輛自制的液壓襯砌臺車，如圖2 所示。

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