山嶺隧道工裝的配備研究

孟慶龍

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山東 青島 266000）

1 山嶺隧道鉆爆法施工技術(shù)概述

由于我國(guó)領(lǐng)土內(nèi)山脈比較多，所以隧道建設(shè)工程的數(shù)量也比較多。隧道選址要求堅(jiān)固性強(qiáng)、穩(wěn)定度高，所以通常設(shè)置在巖體深處地層中，且該位置還應(yīng)當(dāng)滿足圍巖負(fù)荷小、坑道穩(wěn)固、沒有偏壓受力等要求。在這種區(qū)域建設(shè)隧道的優(yōu)勢(shì)是安全性高，并不需要太過復(fù)雜的支護(hù)體系[1]。當(dāng)前，山嶺隧道應(yīng)用最為廣泛的施工方式有隧道掘進(jìn)機(jī)施工法與鉆爆法兩種。其中前者主要適用于地下通道工程挖掘?qū)Ｓ檬┕ぴO(shè)備，其挖掘速度快、安全性能高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且不會(huì)危害生態(tài)環(huán)境。而鉆爆法則是借助鉆孔、裝藥、爆破等形式對(duì)巖石進(jìn)行挖掘，其具備地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、開挖費(fèi)用少，最適用較為堅(jiān)硬的巖石隧道、破碎巖石隧道或者多個(gè)短隧道工程的施工，且兩者對(duì)比，鉆爆法的優(yōu)勢(shì)更為明顯，比如：適用范圍寬泛、設(shè)備投資少、施工準(zhǔn)備時(shí)間短、遇到地質(zhì)條件變動(dòng)可以及時(shí)修改施工方案等。這也是鉆爆法在山嶺隧道施工中得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

2 山嶺隧道鉆爆法施工機(jī)械設(shè)備配套簡(jiǎn)介

2.1 硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）

硬巖掘進(jìn)機(jī)主要包含三種結(jié)構(gòu)形式，分別是為開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)、單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)、雙護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)。

2.1.1 開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)

最為經(jīng)典的機(jī)型是德國(guó)Wirth公司的雙排支撐靴結(jié)構(gòu)方式與美國(guó)Robbins公司的單排支撐靴結(jié)構(gòu)方式兩種，適應(yīng)用于難坍塌巖石隧道或者穩(wěn)定性較強(qiáng)的地層隧道中。需要注意的是，在實(shí)際掘進(jìn)過程中遇到破碎地層時(shí)，應(yīng)當(dāng)在護(hù)盾之后即刻予以噴錨支護(hù)，山嶺隧道最終的支護(hù)形式為混凝土襯砌。

2.1.2 單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)

跟開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)相比，單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)帶有較為系統(tǒng)的圓形護(hù)盾，推進(jìn)時(shí)主要憑借推進(jìn)缸在組拼完畢的管片上得到支反力。但是單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)的缺陷是管片安裝和掘進(jìn)操作無法在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，且施工速度比較慢，所以對(duì)其的運(yùn)用偏少。

2.1.3 雙護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)

該設(shè)備的掘進(jìn)原理跟單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)一致，只是配置略有不同，雙護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)前后各有一個(gè)護(hù)盾，且兩個(gè)護(hù)盾之間帶有伸縮護(hù)盾，而后護(hù)盾部位安裝了一套支撐靴。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件比較惡劣時(shí)，會(huì)選擇雙單護(hù)盾形式予以推進(jìn)。

2.2 鑿巖設(shè)備

鑿巖設(shè)備是山嶺隧道鉆爆法施工中的龍頭設(shè)備，其配置是否科學(xué)、合理、規(guī)范對(duì)山嶺隧道工程的施工進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)[2]。比較常見的鑿巖設(shè)備有以下三種：

2.2.1 液壓鑿巖機(jī)

對(duì)液壓鑿巖機(jī)而言，液壓馬達(dá)是提供動(dòng)力的主要部件，但是該設(shè)備只能在臺(tái)車上應(yīng)用。其中液壓鑿巖臺(tái)車根據(jù)結(jié)構(gòu)形式差異可分為實(shí)腹式與門架式，根據(jù)行走方法不同分為軌形式、輪胎式以及履帶式。其中門架式液壓鑿巖臺(tái)車的腹部能夠?yàn)檫\(yùn)送碴的車輛提供通行道路，大大提升了山嶺隧道中橫斷面空間的利用率，且每個(gè)施工程序所應(yīng)用的設(shè)備都具備一定獨(dú)立性，該設(shè)備在單線鐵路隧道中的應(yīng)用最為廣泛。液壓鑿巖臺(tái)車在開挖環(huán)節(jié)與鉆孔環(huán)節(jié)的工作效率比較高，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度不大，勞動(dòng)環(huán)境較好，但是其前期投資相對(duì)而言較大。

2.2.2 多功能開挖臺(tái)架

早在1990年，我國(guó)隧道施工企業(yè)就已經(jīng)研發(fā)出風(fēng)鉆多功能臺(tái)架配套法，主要是其能夠節(jié)省成本，其優(yōu)勢(shì)眾多，比如：制作簡(jiǎn)單、成本造價(jià)低、容易推廣；具備較強(qiáng)的靈活性，適用范圍比較廣；應(yīng)用成本極低，同時(shí)對(duì)全斷面大楔形斜眼掏槽爆破技術(shù)的運(yùn)用有很大幫助，爆破質(zhì)量?jī)?yōu)良，施工速度快，而且有基本保障；與我國(guó)國(guó)情十分相符，即勞動(dòng)資源充足且廉價(jià)。此配套形式在某個(gè)時(shí)間段憑借其自身諸多優(yōu)勢(shì)得到了有效應(yīng)用，然而其也存在較多問題，如科技含量過低、施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大、勞動(dòng)環(huán)境條件惡劣，比如作業(yè)面窄小、粉塵多、噪音大，對(duì)施工人員的身體健康帶來了極大的隱患，因此無法充分滿足當(dāng)下新時(shí)代的發(fā)展需求等。

2.2.3 手持液壓鉆及液壓站

手持液壓鑿巖機(jī)主要是依靠液壓油提供動(dòng)力，主要是因?yàn)橐簤河秃馁M(fèi)量小、能源利用率高。跟其他鑿巖機(jī)相比，液壓鑿巖機(jī)所耗費(fèi)的動(dòng)能只是1/3移動(dòng)空壓機(jī)能耗～1/4固定空壓機(jī)能耗，而且液壓鑿巖機(jī)還具備工作效率高、不污染環(huán)境、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。但是，液壓鑿巖機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這對(duì)后期的維修工作帶來了極大的困難，同時(shí)也對(duì)維修工作人員提出了嚴(yán)格要求。

2.3 運(yùn)輸方式

隧道運(yùn)輸一共包含3種方法，分別是無軌運(yùn)輸、有軌運(yùn)輸和皮帶運(yùn)輸。其中前兩種運(yùn)輸方式應(yīng)用比較廣泛，皮帶運(yùn)輸則是極少在隧道工程中應(yīng)用，因此此處不對(duì)其進(jìn)行過多闡述。

2.3.1 無軌運(yùn)輸

該方式的主要輸送工具是自卸車輛，經(jīng)常在大斷面隧道以及短距離隧道中應(yīng)用。主要優(yōu)勢(shì)為機(jī)動(dòng)靈活，棄碴時(shí)能夠一次運(yùn)送到棄碴場(chǎng)所，不用二次倒運(yùn)。不足是其所生成的廢氣、噪音容易對(duì)環(huán)境造成危害，尤其是長(zhǎng)距離隧道施工階段，通風(fēng)無法解決，直接致使隧道底部嚴(yán)重受損，輪胎損耗也比較大，這在小斷面隧道工程中極易受到制約。

2.3.2 有軌運(yùn)輸

在隧道中鋪裝軌道，通過電瓶車設(shè)備牽引碴車與進(jìn)料車予以運(yùn)輸。優(yōu)勢(shì)為不會(huì)產(chǎn)生廢氣、噪音等污染，施工通風(fēng)也十分簡(jiǎn)單，不會(huì)傷害隧底，比較適合在長(zhǎng)大隧道與小斷面隧道施工中運(yùn)用。缺陷為機(jī)動(dòng)性能差、一次性投入較大、施工管理難度較高，如果棄碴場(chǎng)地距離比較遠(yuǎn)，還需要在洞外設(shè)置二次棄碴倒運(yùn)站。

通過上述對(duì)無軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸兩種方式的對(duì)比分析，建議：如果該山嶺隧道為獨(dú)頭掘進(jìn)且不超過1 000 m的短距離隧道，同時(shí)斷面條件符合，那么應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選取無軌運(yùn)輸形式；如果該山嶺隧道為獨(dú)頭掘進(jìn)且超過1 000 m的長(zhǎng)距離隧道，那么應(yīng)當(dāng)有限選取有軌運(yùn)輸方式。

2.4 支護(hù)襯砌設(shè)備

2.4.1 初期支護(hù)設(shè)備

在山嶺隧道施工準(zhǔn)備階段，應(yīng)對(duì)噴射混凝土、錨桿、掛網(wǎng)以及鋼拱架予以有效應(yīng)用，組成臨時(shí)性的支護(hù)體系。其中混凝土噴射機(jī)分為干噴和濕噴兩種，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同又分為活塞式混凝土噴射機(jī)和轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)。兩者對(duì)比，轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本偏低，而活塞式混凝土噴射機(jī)則是濕噴時(shí)多采用，并且噴射效果極佳，還可以在鋼纖維噴射中予以應(yīng)用，但是成本比較高。

2.4.2 二次支護(hù)設(shè)備

在山嶺隧道施工環(huán)節(jié)，二次支護(hù)主要采用混凝土砌筑，混凝土澆筑襯砌所選取的機(jī)械設(shè)備，按施工技藝不同，配置形式眾多，較為常用的有混凝土拌合站、混凝土輸送車輛、混凝土輸送泵、襯砌模板臺(tái)車等。

3 山嶺隧道機(jī)械配套中需要注意的問題

3.1 提升操作人員、維修人員以及管理人員的素養(yǎng)

山嶺隧道施工效率的高低不但跟其機(jī)械化施工的程度以及配套機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效能有很大關(guān)系，而且還與配套設(shè)備的養(yǎng)護(hù)管理有很大關(guān)系[3]。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)注重并培養(yǎng)操作人員、維修人員、管理人員的道德素養(yǎng)與專業(yè)技能，讓施工更加科學(xué)、合理、規(guī)范，讓設(shè)備得到良好保養(yǎng)，減少維修頻次，同時(shí)也能夠讓維修效果得到顯著提升，借此避免設(shè)備因故障而出現(xiàn)停機(jī)的情況，為隧道施工的順利、穩(wěn)定、安全進(jìn)行奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 準(zhǔn)備充足配件

在山嶺隧道工程中，為了使零配件和整機(jī)的使用期限匹配，需要對(duì)配件更加妥善有效地管理，加強(qiáng)預(yù)見性，同時(shí)預(yù)備好充足的配件量。

3.3 優(yōu)化洞內(nèi)調(diào)車軌線布置

為有效處理施工器械設(shè)備和土木專業(yè)技術(shù)的配套銜接不嚴(yán)密等問題，當(dāng)有軌運(yùn)輸大型器械設(shè)備進(jìn)入隧道時(shí)，應(yīng)鋪裝科學(xué)合理的中、重型運(yùn)輸軌道，并對(duì)洞中調(diào)車軌線的布局予以改善優(yōu)化，該措施可大幅度減少會(huì)車、調(diào)車的時(shí)間。

3.4 將隧道中通風(fēng)防塵與防排水機(jī)械納入機(jī)械化配套中

在山嶺隧道施工環(huán)節(jié)，有軌運(yùn)輸往往會(huì)產(chǎn)生較多有毒有害氣體和粉塵等污染物，不僅對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境帶來了極大的危害，同時(shí)對(duì)施工人員的身體健康也有很大威脅，主要污染源是爆破操作所產(chǎn)生的有害氣體，以及噴射混凝土操作所產(chǎn)生的粉塵。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)在山嶺隧道機(jī)械化施工配套中加入通風(fēng)設(shè)施和防排水機(jī)械，以此減少對(duì)工人的傷害。

3.5 合理調(diào)整三條作業(yè)線的施工順序與間距

結(jié)合山嶺隧道實(shí)際施工進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)三條作業(yè)線的工序、間距進(jìn)行科學(xué)有效的調(diào)整，盡量避免在施工過程中出現(xiàn)沖突或碰撞。此外，對(duì)于無平導(dǎo)獨(dú)頭施工、掘進(jìn)工作面挖掘和仰拱檢底平行操作等問題，采取規(guī)范合理的措施予以解決處理。

3.6 機(jī)械選擇

山嶺隧道施工在選擇需要用到的機(jī)械時(shí)，不僅要跟合同中所提出的要求相符，還要對(duì)其成本、生產(chǎn)效能以及技術(shù)工藝方面的條件予以全面考慮。比如購(gòu)置成本、利用率、運(yùn)行效率以及其他消耗和施工周期要求等；技術(shù)則主要是指工作量、靈活性、耐用性、可操作性以及維修是否容易等。除此之外，在對(duì)山嶺隧道施工機(jī)械設(shè)備的配套進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)將機(jī)械完成配套之后的綜合能力為核心，讓這些單機(jī)的機(jī)械能力和生產(chǎn)能力達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)且合理的目標(biāo)。同時(shí)也要對(duì)機(jī)械的安全性能予以考慮。

4 結(jié)語

對(duì)山嶺隧道而言，其工裝配備并不是以先進(jìn)為主，最重要還是配套的合理性，即社會(huì)環(huán)境、施工安全、技術(shù)條件以及投入成本等。所以我們更應(yīng)該根據(jù)施工的地質(zhì)條件，研究開發(fā)適合本工程的工裝設(shè)備。