論高原凍土區(qū)接觸網(wǎng)基坑施工方法

田振武 楊浩 葉玉鵬

中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 湖北武漢 430017

高原地區(qū)鐵路工程在施工方法及施工安全等方面均具有特殊性，以世界平均海拔最高的線路青藏鐵路為例，青藏鐵路沿線自然環(huán)境惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，地質(zhì)條件復(fù)雜，存在多年凍土、地震、風(fēng)沙等地質(zhì)災(zāi)害，具有“高寒缺氧、多年凍土、生態(tài)脆弱”等特征。青藏鐵路電氣化改造工程正線1134km，平均海拔4438．4m，全線涉及新增接觸網(wǎng)基礎(chǔ)25390處，基坑直徑700mm，深度范圍為4至12m，因作業(yè)空間小、深度大，坑內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生人員缺氧及坑內(nèi)塌陷等風(fēng)險，高原鐵路基坑施工不易采用人力施工的方式。綜合以上因素，討論一種高原基坑機械施工方法為高原鐵路電氣化建設(shè)的前期必要條件。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

通過現(xiàn)場調(diào)研，青藏鐵路沿線路基分布主要有：多年凍土地區(qū)路基、季節(jié)性凍土地區(qū)路基、片石氣冷路基、碎石護坡路基、熱管路基，綜合考慮鐵路天窗作業(yè)點3小時施工時長，且為保護鐵路路基不受到結(jié)構(gòu)性的破壞，單個天窗點內(nèi)接觸網(wǎng)基坑成型后必須完成基坑內(nèi)基礎(chǔ)預(yù)制管樁的預(yù)埋及回填的作業(yè)。因此，考慮到天窗作業(yè)點開始后作業(yè)車輛的收發(fā)車、管樁的預(yù)埋及回填等工作的用時，接觸網(wǎng)基坑開挖的有效作業(yè)時長須控制在一小時以內(nèi)。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的型式根據(jù)支柱類型、線路地質(zhì)、施工條件等因素，一般采用現(xiàn)澆混凝土或鋼筋混凝土基礎(chǔ)、整體式直埋基礎(chǔ)或杯型基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)等幾種型式。國內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工時，除用于高速鐵路的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)多采用機械鉆孔、現(xiàn)澆混凝土施工方式外，其它接觸網(wǎng)基礎(chǔ)類型一般采用人工開挖基坑、現(xiàn)場澆注混凝土或直接埋設(shè)支柱的方式。鉆孔灌注樁、鉆孔植入樁基礎(chǔ)具有抗凍拔穩(wěn)定性高、施工機械化程度高和降低勞動人員的作業(yè)時間、勞動強度等特點。綜合考慮海拔高、路基現(xiàn)狀、凍土特征、地質(zhì)條件、低溫缺氧環(huán)境等因素，為盡可能地減輕高海拔地區(qū)現(xiàn)場施工人員的勞動強度，目前青藏鐵路格拉段電氣化工程接觸網(wǎng)基礎(chǔ)擬采用鉆孔灌注樁和鉆孔植入預(yù)制樁兩種方案。目前國內(nèi)外尚無高海拔地區(qū)此類工況下接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工的研究。

2 機械設(shè)備研發(fā)制造

為設(shè)計研發(fā)出我國首臺具備高原高寒施工能力的軌道旋挖鉆設(shè)備，滿足青藏線格拉段電氣化改造工程需求，小組積極聯(lián)系具備相應(yīng)生產(chǎn)資質(zhì)的旋挖鉆及軌道機車廠家，針對現(xiàn)場需求，擬定研發(fā)路線。研發(fā)小組確定以16t軌道吊機車平板作為此次旋挖設(shè)備的和基礎(chǔ)載體后，同旋挖鉆廠家針對生產(chǎn)目標(biāo)、生產(chǎn)周期、注意事項等進(jìn)行多次研討，對旋挖鉆鉆探效率、深度，鐵路運輸限界及機車平衡性等提出生產(chǎn)控制目標(biāo)。為確保軌道機車載旋挖鉆實驗階段數(shù)據(jù)的可靠性，軌道旋挖設(shè)備研發(fā)完成后將于格拉線五道梁車站進(jìn)行性能測試。

旋挖鉆本體主要由底部回轉(zhuǎn)支撐平臺、操作平臺、發(fā)動機、油箱、油泵、油散、油管絞盤、鉆桿、鉆桿立柱、支撐油缸、動力頭及鉆頭組成。旋挖鉆的工作原理為發(fā)動機驅(qū)動油泵將油箱內(nèi)的液壓油通過進(jìn)油管泵入集成控制系統(tǒng)內(nèi)，再通過油管經(jīng)過油散回到油箱內(nèi)構(gòu)成閉合回路。液壓系統(tǒng)的額定工作壓力為16Mpa，同集成控制系統(tǒng)“并聯(lián)”設(shè)置溢流管，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致壓力過大時，溢流管啟動，保護整個液壓系統(tǒng)。集成控制系統(tǒng)通過操作平臺的控制可分別與動力頭、支撐油缸等單獨構(gòu)成液壓回路以驅(qū)動其運行。其中集成控制系統(tǒng)共控制6處油缸（縱向位移平臺、橫向位移平臺、支撐油缸1、支撐油缸2、鉆桿驅(qū)動油缸1、鉆桿驅(qū)動油缸2）及2處油馬達(dá)（動力頭、回轉(zhuǎn)支撐平臺）。

為保證接觸網(wǎng)基坑的開挖深度，鉆桿設(shè)計為3層，內(nèi)兩層可在鉆桿驅(qū)動油缸的控制下進(jìn)行伸縮，最大伸長行程為單根鉆桿6m，以滿足最深開挖深度12m的要求。支撐油缸1可控制鉆杠的揚起及落下，主要配合鉆機工作過程中棄土的收集工作。支撐油缸2控制鉆桿立柱的起降，配合支撐油缸1的工作，以完成鉆機整體的工作及收車狀態(tài)的切換調(diào)整。橫、縱向位移平臺由2個油缸分別控制，以實現(xiàn)對鉆探孔位的精確控制，以基準(zhǔn)中心為準(zhǔn)，利用位移平臺的可實現(xiàn) 前后左右各500mm的鉆探精度調(diào)整?；剞D(zhuǎn)支撐通過內(nèi)部液壓油馬達(dá)的驅(qū)動可實現(xiàn)工作平臺360°旋轉(zhuǎn)工作。動力頭油馬達(dá)在液壓驅(qū)動下，可穩(wěn)定輸出約15r/min的作業(yè)效率，帶動鉆頭實現(xiàn)鉆探工作。

圖1 軌道旋挖鉆設(shè)計示意圖

3 設(shè)備試驗

研發(fā)完成的軌道鉆最寬部分尺寸3110mm，最高處4250mm，符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)運輸限界。鉆機部分地板重量2t，鉆機本體重量8t，整車38t。為驗證軌道鉆工作時的平衡性能及軌道鉆鉆探效率，小組于五道梁車站進(jìn)行設(shè)備試驗，五道梁車站貨場填方段地質(zhì)情況以沙石及片石填方為主，鉆探過程分別使用螺旋鉆、筒鉆及空壓機鉆頭，鉆頭直徑700mm，在該地質(zhì)條件下最終成孔直徑900mm。經(jīng)調(diào)試，鉆機開挖效率最終可達(dá)8m/h，滿足最終使用需求。成坑直徑700mm，股道側(cè)的坑邊限界3350mm。

圖2 軌道旋挖鉆現(xiàn)場試驗圖

4 鐵路軌道旋挖設(shè)備應(yīng)用前景

考慮到國內(nèi)外暫無成熟的軌道旋挖設(shè)備，本次小組研發(fā)的自帶走行動力的軌道旋挖鉆在一定程度上彌補了此行業(yè)的空白，為青藏鐵路格拉段電氣化改造接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工提出一種可行的施工方案，同時也可作為鐵路行業(yè)應(yīng)急施工車輛推廣使用。

5 結(jié)語

機械化代替人工作業(yè)是當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢，施工機械的投入使用在很大程度上彌補了人工作業(yè)的局限性。本文通過分析目前鐵路行業(yè)接觸網(wǎng)基坑施工現(xiàn)狀，提出一種自帶走行動力的軌道旋挖鉆設(shè)備，以此來實現(xiàn)對鐵路接觸網(wǎng)基坑機械化作業(yè)施工方法，對鐵路建設(shè)具有指導(dǎo)性意義。