鐵路隧道工程錨桿快速施工機械配置技術(shù)研究

劉洋

摘 要：現(xiàn)階段提高錨桿施工速度的主要手段一是提高錨孔鉆孔效率，二是縮短錨固劑凝結(jié)時間。選備機械化程度高的多功能或?qū)Ｓ缅^桿施工機械，不僅可以提高錨桿鉆孔工效，還可以保證成孔質(zhì)量。針對鐵路隧道錨桿快速施工中鑿巖及錨桿臺車的配置及選型進行深入探討，分析邊界條件及其適用性，指出國內(nèi)外應用的現(xiàn)狀及不足，旨在為同行提供錨桿快速施工鉆進機械配置方面的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鐵路;隧道;錨桿;專用機械;配置

中圖分類號：U25

近年來，國內(nèi)鐵路隧道施工機械化取得了長足發(fā)展，傳統(tǒng)作業(yè)方式正逐步被成套機械裝備所取代，使得現(xiàn)場錨桿施工進度慢、機械化自動化水平低、錨桿施工質(zhì)量無法保證等一系列問題有所改善。中國國家鐵路集團有限公司頒布了《鐵路隧道工程施工機械配置技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9226-2015）用于指導鐵路隧道施工機械的配置，但對于隧道錨桿施工機械的配置沒做具體要求。鑿巖臺車、錨桿臺車等錨桿快速施工裝備應用于鐵路隧道施工的適用性涉及因素較多，比如臺車整體性能、臺車作業(yè)方式、隧道斷面大小、施工工法等將嚴重影響鑿巖臺車及錨桿臺車的適用性。本研究通過對國內(nèi)外水工、礦山、公路、鐵路隧道錨桿快速施工技術(shù)及裝備的統(tǒng)計和分析，系統(tǒng)梳理了我國鐵路隧道設計斷面形式，以全斷面法為重點同時兼顧臺階法，重點研究鐵路隧道錨桿快速施工裝備（鑿巖臺車及錨桿臺車）在不同斷面形式及尺寸下的適用性邊界條件，提出了鐵路隧道工程錨桿快速施工機械裝備配置方案，將為國內(nèi)鐵路隧道及相關(guān)行業(yè)提供鑿巖臺車及錨桿臺車選用及配置方面的借鑒和參考。

1 臺車適用性分析及邊界條件

隧道開挖方法是臺車適用性的優(yōu)先考慮因素。鐵路隧道采用鉆爆法施工時，應根據(jù)圍巖級別及斷面大小等因素，優(yōu)先選用全斷面法或臺階法開挖。隧道全斷面法的施工斷面與作業(yè)空間大、干擾小，有條件充分使用機械設備[1]。單、雙線鐵路隧道施工采用臺階法時，宜優(yōu)先采用適用機械設備施工。分部開挖法一般用于雙線隧道淺埋段，由于隧道施工工序多，開挖斷面與作業(yè)空間小，故不利于大型機械設備施工[2]。

其次，臺車整體性能也至關(guān)重要。鑿巖臺車及錨桿臺車整體性能包括鉆臂設計參數(shù)、推進梁設計參數(shù)、鑿巖機設計參數(shù)、臺車作業(yè)整體穩(wěn)定性等。實際應用中臺車的鉆臂及推進梁設計參數(shù)決定了臺車鉆孔作業(yè)面積或空間。另外，臺車鉆臂、推進梁及鑿巖機的配置選型對臺車作業(yè)的整體穩(wěn)定性影響也較大，推進梁的型號應在臺車推薦允許范圍內(nèi)，否則選配的推進梁不利于臺車作業(yè)的整體穩(wěn)定性。

開挖凈空高度及支護內(nèi)凈空是決定臺車配置方案的邊界條件。對速度為350 km/h的客運專線鐵路單雙線（雙塊式、板式無砟軌道）隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖斷面高度、初期支護的內(nèi)凈空尺寸進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

1.1 鑿巖臺車適用性

鑿巖臺車作為一種鉆孔工效高、機械化程度高的多功能施工機械，廣泛用于隧道（隧洞、巷道）施工掘進和錨桿支護。鑿巖臺車應用于鐵路隧道施工的適用性，包括掘進鉆孔適用性和錨桿鉆孔適用性2方面，主要通過隧道開挖斷面大小及施工工法適應性進行評價。鑿巖臺車掘進鉆孔和錨桿鉆孔的適用性通常由推進梁、鉆臂設計參數(shù)及鉆臂安裝鉸接點高度決定。目前鑿巖臺車的制造商主要有瑞典阿特拉斯 · 科普柯、山特維克、挪威Andersens Mek.VerkstedA.S等，各主要制造商生產(chǎn)的臺車在全國范圍內(nèi)均有應用，其中以阿特拉斯 · 科普柯公司生產(chǎn)的鑿巖臺車應用最為廣泛，常用型號有Boomer L2D/XL2D/XL3D等[3]，均配有1雙鷹式高臂座，大大增加了斷面作業(yè)面積。COP 1238K系列液壓鑿巖機適用于快速隧道掘進鉆孔，鉆孔范圍為38 ～89mm，該鑿巖機的主要功能和特點有：①內(nèi)置反射減震器，有助于提高鉆桿的經(jīng)濟性并降低鑿巖機、推進梁和鉆臂的磨損;②動力強大，無級變速可雙向轉(zhuǎn)動的電機具有高扭矩和出色的速度控制功能;③與鉆桿匹配的細長活塞，在不損壞鉆桿的情況下提供最佳的沖擊功率。以Boomer L2D雙臂鑿巖臺車為例，分析其在鐵路隧道錨桿快速施工中的適用性，如圖1所示。

Boomer L2D鑿巖臺車鉆孔作業(yè)時，BUT 35重型鉆臂的安裝鉸接點高度為2.175 m，BUT 35鉆臂設計長度為4.031m，可延伸1.60 m，即鉆臂總伸長為5.631m。BUT 35鉆臂可左右搖擺，最大搖擺角為±45°。BUT 35鉆臂的最大舉升角為+70°/ -45°，當鉆臂舉升+70°時鉆臂前端升高5.291 m。鑿巖臺車鉆孔作業(yè)時，推進梁的推進補償為1.80 m。當鑿巖臺車用于隧道掘進鉆孔，且臺車不移位時，臺車掘進鉆孔作業(yè)覆蓋最大寬度為12.40m，覆蓋最大高度為8.650 m，覆蓋面積為104m2，如圖2所示。

由表1可知，Boomer L2D鑿巖臺車鉆臂作業(yè)能覆蓋速度160 km/h及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工開挖斷面，不能覆蓋速度200～350 km/h的單線、速度350 km/h及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ 級圍巖全斷面法施工開挖斷面。

Boomer L2D鑿巖臺車可選配BMH 6812、BMH 6814、BMH 6816或BMH 6818型推進梁，BMH 6800系列推進梁一次鉆孔作業(yè)，能滿足單雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ 級圍巖全斷面法施工開挖循環(huán)進尺要求。技術(shù)參數(shù)如表2所示。

經(jīng)計算分析，Boomer L2D鑿巖臺車錨桿鉆孔作業(yè)的隧道凈空尺寸應滿足表3的要求。從表1可知，Boomer L2D鑿巖臺車配置BMH 6800系列推進梁，錨桿鉆孔的最大作業(yè)高度均大于速度350 km/h及以下的單、雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工初期支護的內(nèi)凈空高度，對隧道全斷面開挖高度及超挖等不確定性因素的適應性較好。

綜合以上分析， Boomer L2D鑿巖臺車適用于速度160 km/h及以下的單線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工掘進鉆孔作業(yè);選配BMHT 6800系列推進梁，適用于速度350km/h及以下的單、雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿鉆孔作業(yè)[4]，但是在速度140 km/h及以下的單線鐵路隧道內(nèi)不能充分發(fā)揮雙臂同時作業(yè)的優(yōu)勢。

1.2 錨桿臺車適用性

阿特拉斯 · 科普柯錨桿臺車用于礦山巷道和隧道錨桿支護，具有錨固劑自動注漿、錨桿鉆進導向等功能，同時可選配安裝鋼筋網(wǎng)的掛網(wǎng)臂、吹孔裝置、鑿巖機潤滑監(jiān)控裝置等。錨桿臺車配置COP 1132/1435液壓鑿巖機，該機為短小輕型鑿巖機，帶有雙緩沖減震裝置，配有動力強大、無級變速并可雙向轉(zhuǎn)動的電機，其沖擊功率為11 kW / 14 kW，沖擊頻率為100 Hz / 80 Hz。錨桿臺車鉆臂及推進梁設計參數(shù)往往決定了錨桿臺車作業(yè)覆蓋斷面或有效作業(yè)空間。配有的BUT35HBE或BUT 45M重型液壓鉆臂具有定位直接、快速、準確的特點。

Boltec EC是一款全機械化錨桿臺車，配有計算機臺車控制系統(tǒng)（RCS）、BUT 45M鉆臂、COP 1132/1435液壓鑿巖機，錨桿臺車的最大作業(yè)高度達13.0 m，選配BMH 6821型推進梁，推進梁鉆孔深度達到6.14 m，可安裝錨桿長度為1.5～6.0 m;若選配BMH 6816型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為12.263 m，推進梁鉆孔深度達到4.668 m，可安裝錨桿長度為1.5～4.5 m;若選配BMH 6814型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為11.953 m，推進梁鉆孔深度達到4.043 m，可安裝錨桿長度為1.5～3.9 m;若選配BMH 6812型推進梁，錨桿臺車的最大作業(yè)高度為11.655 m，推進梁鉆孔深度達到3.443 m，可安裝錨桿長度為1.5～3.3 m，如圖3所示。

錨桿臺車可作業(yè)的隧道開挖斷面寬度及高度應大于推進梁的總長度，同時隧道開挖斷面高度應小于或等于錨桿臺車的最大作業(yè)高度。Boltec EC錨桿臺車錨桿作業(yè)的凈空尺寸應滿足表4的要求。

綜上，Boltec EC錨桿臺車適用于速度160～350km/h的單線、速度350 km/h及以下的雙線鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面法施工錨桿支護作業(yè)，同時，其對隧道全斷面開挖高度及超挖等不確定性因素的適應性較強。

2 配置方案選擇

鐵路隧道工程施工前應進行錨桿施工機械配置方案設計，錨桿支護施工質(zhì)量和速度取決于施工機械與施工工藝[5]。合理配置施工機械與施工人員，安排錨桿支護各工序的順序和時間，并與隧道掘進、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)相配套，實現(xiàn)施工工藝的優(yōu)化，是提高錨桿支護施工速度的重要途徑。方案設計應考慮以下幾項原則：①施工機械配置應與主要施工方法相配套，與施工工期相適應;②施工機械配置的生產(chǎn)能力應大于施工進度指標要求;③充分考慮將圍巖地質(zhì)條件及工程特性與施工機械的適應性相匹配，注重科學發(fā)揮機械的總體效率;④選用設備必須保證有可靠的可維修性，以確保施工設備的正常運轉(zhuǎn);⑤瓦斯隧道錨桿施工機械的配置應符合現(xiàn)行《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB 10120-2019）的有關(guān)規(guī)定[6]。

隧道全斷面法錨桿施工機械選型應進行技術(shù)經(jīng)濟論證。隧道全斷面法施工的開挖斷面與作業(yè)空間大、干擾小，有條件充分使用機械設備[7]。鑿巖臺車是一種多功能施工機械[8]，其功能主要體現(xiàn)在掘進鉆孔作業(yè)、錨桿鉆孔作業(yè)、工作籃輔助安裝爆破炸藥及錨桿作業(yè)。錨桿臺車是一種專用錨桿施工機械，集鉆孔、錨桿安裝及注漿等工序于一身。隧道全斷面法錨桿施工機械選型通常有2種方式：①選配多功能施工機械，比如鑿巖臺車既滿足隧道全斷面法施工掘進鉆孔作業(yè)，又滿足錨桿鉆孔作業(yè);②選配錨桿專用施工機械，比如錨桿臺車、鑿巖臺車（但不一定適用于隧道全斷面法施工掘進鉆孔作業(yè)）。隧道全斷面法錨桿快速施工多功能施工機械配置方案（樣例）如表5所示。

綜合實際研究，隧道錨桿施工機械選型宜優(yōu)先選配多功能施工機械，其次考慮選配錨桿專用施工機械。另外，鑿巖及錨桿臺車不適用于雙線隧道三臺階預留核心土法掘進施工和錨桿鉆孔施工，同時也不適用于雙線鐵路隧道中隔壁法和雙側(cè)壁導坑法錨桿施工。

3 應用案例及效用

3.1 水工洞室

錦屏二級電站引水隧洞礦山法施工（部分），采用26臺Boomer XL3D鑿巖臺車和7臺FlexiROC T35鉆機。引水隧洞開挖分2個階段，首先用Boomer XL3D鑿巖臺車開挖上部高7.5 m的部分，再用FlexiROC T35鉆機以臺階式鉆孔方法開挖下臺階。該工程平均每天掘進9.0～12.0 m，分2個工班施工，每個工班12 h;每個機組配備4名操作手，極大地減少了施工人數(shù)，而如果采用傳統(tǒng)方法鉆孔，至少需要30名工人。由于錦屏水電站的巖石是脆性大理巖，極容易發(fā)生巖爆。鑿巖臺車BUT35鉆臂的長度能讓工人遠離掌子面，提高工人作業(yè)安全度。

3.2 鐵路隧道

成蘭鐵路躍龍門隧道和柿子園隧道，為了提高隧道施工的效率和安全性，施工單位采用Boomer L2D和Boomer XL3D鑿巖臺車用于正線隧道和輔助坑道掘進施工及錨桿鉆孔作業(yè)?，F(xiàn)場地層為Ⅳ級灰?guī)r夾板巖，隧道全斷面開挖，采用Boomer L2D鑿巖臺車進行錨桿鉆孔及輔助安裝錨桿，鑿巖臺車鉆孔進尺約1m/min，施工效率較高。

4 結(jié)語

我國鐵路隧道工程施工主要采用鑿巖臺車進行掘進鉆孔，少數(shù)工程采用鑿巖臺車進行錨桿鉆孔，多數(shù)情況下錨桿鉆孔施工采用人工風鉆鉆孔，也有的工程采用錨桿鉆機鉆孔。鐵路隧道工程地質(zhì)復雜，斷面類型較多，施工工法復雜多變，不同圍巖級別錨桿支護長短不一，大型施工機械不適用于小斷面錨桿施工，多種因素致使鐵路隧道實施錨桿機械化施工困難重重。外資鑿巖臺車在產(chǎn)品可靠性、可維護性、生產(chǎn)效率及安全性保障等各方面都有優(yōu)秀表現(xiàn)，但市場售價動輒幾百萬至上千萬，高昂的售價致使外資鑿巖臺車在國內(nèi)隧道工程施工中的推廣應用并不理想。由于國內(nèi)目前人工成本與機械化施工成本相比，人工成本仍存在明顯的優(yōu)勢，以至成為鐵路隧道推行施工機械化的一大阻力，但施工機械化是提高工效的有效途徑[10]。此外，國內(nèi)缺少大型鑿巖臺車操作熟練技工，個別施工單位購買的鑿巖臺車在施工現(xiàn)場成為擺設[11]。歐洲發(fā)達國家租賃市場發(fā)達，維修配套及時，承包商較少擁有施工機械，各生產(chǎn)線都利用較為發(fā)達的租賃市場[12]，因此，我國的隧道施工裝備化、自動化還需要一定的發(fā)展時間，需要建設、施工單位和裝備研發(fā)單位共同努力，提高重視，降低采購成本，實現(xiàn)成套施工裝備國產(chǎn)化，并使其早日為我國隧道建設事業(yè)發(fā)揮作用。

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收稿日期 2019-09-12

責任編輯 孫銳嬌