小斷面鐵路隧道機械化配套優(yōu)化研究

焦義，張姚兵

（中鐵隧道集團四處有限公司，廣西 南寧 530000）

1 工程概況

麗江-香格里拉鐵路全長161公里，是我國“進藏路線”中滇藏鐵路云南段的一段。麗香鐵路為I級單線鐵路，設(shè)計時速120km/h。中義隧道為全線控制性工程，以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，隧道全長14745。該隧道施工任務重，圍巖復雜多變，特別是斷面小，前期施工各工序相互干擾大，工效低。因此中義隧道設(shè)備機械化配套是中義隧道施工能否按期、安全施工生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2 隧道斷面設(shè)計及初期主要設(shè)備配置情況

2.1 隧道斷面設(shè)計

III級圍巖初支后軌面以上最小寬度為5．04m；IV級圍巖為5．42m；V級圍巖為5．70m。

2.2 初期主要設(shè)備配置

隧道施工機械化配套優(yōu)化前主要設(shè)備配置為 50C 裝 載 機（8300×2950×3440）、40B裝載 機（7261×2790×3337）、HBT60砼 輸 送泵（6575×2200×2100）、P950E電 動 空 壓 機（4100×1900×1950）、砼運輸車（9300×2500×3900）。

3 設(shè)備配置選型原則及優(yōu)化前存在的問題

3.1 設(shè)備配置選型原則

單線小斷面隧道施工過程中，設(shè)備尺寸要滿足平行施工需求，同時在不增加成本或成本增加很少的情況下，采用效率大、能效高的設(shè)備，功率、功效均能滿足施工生產(chǎn)，減少對施工工序的干擾，提高工序循環(huán)，提高施工效率。

3.2 優(yōu)化前存在的問題

3.2.1 出碴問題

在Ⅲ級圍巖不進行擴挖的情況下，全斷面開挖時，初支后最小寬度僅為5．04米，施工過程中既不能滿足出碴車與裝載機并排裝碴，又不能滿足兩臺出碴車交錯通行。

3.2.2 二襯問題

二襯施工時，HBT60輸送泵停放在設(shè)計間隔距離為210米避車洞內(nèi)，造成最遠泵送距離達150米，易造成堵管，影響二襯施工進度及質(zhì)量；同時砼運輸車放料時，占用隧道空間，阻斷洞內(nèi)其它車輛通行。

3.2.3 其它問題

傳統(tǒng)濕噴機作業(yè)效率不高；出碴時，現(xiàn)有50C裝載機動力足夠但寬度較大，40B型寬度適應但動力不足；傳統(tǒng)仰拱棧橋移動不便，效率低下；現(xiàn)有空壓機控制方式耗能較高；高壓進洞成本較高、壓降大等。

4 小斷面鐵路隧道施工機械化配套優(yōu)化

4.1 開挖設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)作業(yè)面尺寸情況，研制多功能液壓式自動伸縮作業(yè)臺架，合理規(guī)劃鉆爆開挖人員作業(yè)位置布局，使用YT28風動鑿巖機鉆孔的傳統(tǒng)開挖方式；同時，通過不斷優(yōu)化，嚴格控制隧道周邊眼間距、裝藥量及外插角，最終達到了良好的光爆效果。

4.2 初期支護設(shè)備優(yōu)化

傳統(tǒng)濕噴機的噴漿效率實測為4m3/h，噴射效果受操作手熟練度的影響，噴后初支面不夠密實，外觀質(zhì)量較差，且移動困難，整體作業(yè)效率低下。

通過對比，采用進口PM500噴漿機械手進行噴漿作業(yè)，其效率實測為25m3/h，為普通濕噴機的6倍多。經(jīng)測試，噴后初支面的密實度和平整度大幅上升，有效的提高了初期支護的實體、外觀質(zhì)量，同時大大提高了施工工效。以每循環(huán)3m初期支護量20m3計，使用噴漿機械手時間為145min，較普通濕噴機的240min節(jié)約95min。

4.3 裝、運碴設(shè)備優(yōu)化

成本方面，因中義隧道初支后最小斷面僅為5．04米，采用50C裝載機和自卸車配合作業(yè)需擴挖斷面達2．24方/米。據(jù)測算，采用傳統(tǒng)出碴方式，需增加開挖量及回填C30混凝土各33000立方米，增加成本投入2425萬元。采用40B裝載機出碴方式，可以有效減少擴挖，但也需增加投入1100萬元，較50C裝載機出碴模式節(jié)約1300多萬元。

在工效方面，每循環(huán)2．5米碴量約為150立方米，50C較40B裝載機節(jié)約40分鐘。中義隧道全長14745米，約5900循環(huán)。即50C較40B裝載機可以節(jié)約近4000小時，即節(jié)約5．46個月工期。

通過對比，急需一種兼具50C動力、40B尺寸的新型裝碴設(shè)備來解決出碴機械配套問題。為此，聯(lián)合裝載機廠家研發(fā)窄體50CN裝載機，其具有50C的動力，40B的尺寸。該新型裝載機的主要創(chuàng)新之處在于其鏟斗設(shè)計，經(jīng)多次研討，我們發(fā)明了一種適用于單線鐵路隧道的窄體裝載機多功能側(cè)卸鏟斗，現(xiàn)已申請了國家發(fā)明專利（公開號：CN107083970A），并實際投入使用。以每循環(huán)2．5米碴量約為150立方米計算，窄體50CN裝載機裝碴時間為240min，50C為230min，40B為270min。

4.4 拱施工設(shè)備優(yōu)化

為解決傳統(tǒng)拱架式棧橋效率低下，支護長度短等問題，設(shè)計開發(fā)了全液壓隧道仰拱整體配套移動棧橋（國家專利局已于2017年8月22進行實用新型專利權(quán)授予），減少了其他工序干擾，提高了施工效率，同時混凝土外觀質(zhì)量好，止水帶安裝居中順直，安全性能高，節(jié)約了勞動力和機械費用。如圖1所示。

圖1 隧道仰拱整體配套移動棧橋工作示意圖

4.5 砼二襯施工設(shè)備優(yōu)化

因襯砌后寬4．6米，常規(guī)的HBT60輸送泵、砼運輸車兩者寬度相加4．7m，無法并排放置。當輸送泵放置一側(cè)時，導致交通中斷，阻斷掌子面施工，嚴重影響施工進度。砼泵送時，出碴車與砼輸送泵相互影響，無法通行，導致出碴與二次襯砌作業(yè)無法同步平行施工作業(yè)。

為解決上述問題，經(jīng)過反復論證，我們聯(lián)合廠家協(xié)作研發(fā)出了一種適應于單線鐵路隧道的雙缸混凝土輸送泵（已申請國家發(fā)明專利，公開（公告號）CN106949031A）。該泵保證了常規(guī)60型輸送泵的作業(yè)工效，同時將外形尺寸減小為6200mm×1400mm×2100mm(長×寬×高），有效解決了二襯施工與出碴作業(yè)的同步平行施工作業(yè)的需求，確保了中義隧道的快速施工。

4.6 電動空壓機控制方式優(yōu)化

因隧道開挖時多臺空氣壓縮機無聯(lián)動設(shè)施，造成了不能根據(jù)洞內(nèi)用風量自動調(diào)節(jié)而造成電能浪費。通過不斷嘗試，利用變頻、PLC、傳感等技術(shù)對空氣壓縮機進行節(jié)能改造，設(shè)計了一套“電動空壓機節(jié)能控制系統(tǒng)”。通過對變頻、PLC和傳感器等技術(shù)的綜合應用，結(jié)合電動空壓機的控制原理，對數(shù)臺空壓機進行智能聯(lián)合控制，能夠根據(jù)施工現(xiàn)場實際需要的風量進行自動控制，實現(xiàn)自動開啟、關(guān)閉、調(diào)壓、變頻等動作。經(jīng)統(tǒng)計優(yōu)化后現(xiàn)場空氣壓縮機的節(jié)能效果達到了20%。

4.7 變壓器配置優(yōu)化

常規(guī)隧道施工作業(yè)面需配置2臺630kVA電力變壓器，且長距離電力輸送，壓降較大，這既增加了施工投入，又存在高壓電力輸送的安全隱患。

為解決此問題，采用數(shù)控全自動型動態(tài)同步增流增壓補償柜的方法確保洞內(nèi)施工用電。該補償柜與傳統(tǒng)變壓器高壓進洞方式相比有著諸多優(yōu)點，一是利用既有低壓動力線路進行電力輸送，無需增加10kV高壓電纜，不僅降低了工作強度，而且節(jié)約成本；二是補償柜的安裝可以利用隧道原有設(shè)計施工的洞室進行安裝，無需設(shè)置專門的變壓場所；三是補償柜可根據(jù)施工進度及時跟進，移動方便、安裝快捷，減少對現(xiàn)場影響。

5 機械化配套優(yōu)化成效

經(jīng)過優(yōu)化，有效解決了洞內(nèi)施工平行生產(chǎn)問題，降低了各工序間的干擾，特別是窄體裝載機、窄體輸送泵等專用設(shè)備的運用，確保了襯砌與開挖同步，工效與成本匹配，加快了中義隧道的快速施工掘進，在業(yè)主方組織的各種評比中一直處于前列，并屢次奪得第一名的好成績，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。