鐵路隧道機(jī)械化施工設(shè)備配套技術(shù)

林翠軍

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，武漢430014）

1 引言

我國鐵路隧道機(jī)械化施工經(jīng)歷了3個階段，現(xiàn)階段已完成從小型設(shè)備鉆爆分部開挖，到大型設(shè)備鉆爆配套無軌運(yùn)渣方式，再到非鉆爆方式的掘進(jìn)機(jī)（TBM）配套有軌運(yùn)渣方式的飛躍式發(fā)展。但在國際上，我國鐵路隧道施工技術(shù)還有很多方面需要向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)，要在施工過程中注重改進(jìn)多線程機(jī)械化施工管理系統(tǒng)，提升機(jī)械化施工效率、施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)和環(huán)保水平[1]。

2 施工設(shè)備選型原則與設(shè)備配套方案

鐵路隧道施工機(jī)械設(shè)備的規(guī)格型號、設(shè)備性能與生產(chǎn)廠家的選擇以及各類設(shè)備的配套方案，主要取決于所建設(shè)隧道的規(guī)模、地質(zhì)地勢條件、工期要求等，還取決于施工成本、各項(xiàng)工序的銜接配套、各類設(shè)備的協(xié)同、整體效益匹配情況、施工現(xiàn)場運(yùn)輸條件等。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鐵路隧道施工機(jī)械化成套設(shè)備的選型與配置原則主要有以下4點(diǎn)。

1）設(shè)備選型要從施工組織設(shè)計(jì)出發(fā)滿足進(jìn)度要求，圍繞開挖、出渣、襯砌這條施工主線考慮各項(xiàng)細(xì)致工作，按地質(zhì)超前預(yù)報(bào)→開挖→裝渣→運(yùn)輸→噴錨→襯砌→防排水→通風(fēng)等工序流程來合理配置各類機(jī)械設(shè)備，最終構(gòu)建各工序機(jī)械化流水生產(chǎn)作業(yè)線。

2）施工機(jī)械設(shè)備選型首先要協(xié)調(diào)好技術(shù)先進(jìn)性（從效率、質(zhì)量考慮）和經(jīng)濟(jì)合理性（從成本造價考慮）的矛盾，還要滿足施工方案的要求，保證技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。具體要綜合考慮生產(chǎn)效率、能耗水平、耐用性、安全性、廠家信譽(yù)等多方面因素，禁止選擇性能指標(biāo)嚴(yán)重落后、能源消耗巨大、廢氣排放超標(biāo)的陳舊設(shè)備[2]。

3）中小型設(shè)備的應(yīng)用頻次高，需在采購時留有余量，保證有一定數(shù)量的備用設(shè)備。這樣出現(xiàn)設(shè)備故障時既能及時替換，又能在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)做必要的補(bǔ)充。對于用途相同或相似、可以功能互補(bǔ)的多臺機(jī)械設(shè)備應(yīng)盡量在同一生產(chǎn)廠家采購，確保規(guī)格、型號一致，方便后期維修保養(yǎng)、備品備件的補(bǔ)充更換。

4）機(jī)械設(shè)備的配套方案要緊密配合施工方案的籌劃，制定設(shè)備管、用、養(yǎng)、修規(guī)章制度，構(gòu)建合理科學(xué)的管理系統(tǒng)，按工序劃分機(jī)組。實(shí)行精細(xì)化精準(zhǔn)管理，保證主要作業(yè)線設(shè)備，包括鑿巖機(jī)、鉆爆機(jī)、挖裝機(jī)組、重載運(yùn)輸機(jī)組、噴射機(jī)組、裝載機(jī)組、襯砌模板臺車、自行式仰拱棧橋等大型機(jī)械設(shè)備按作業(yè)線合理配套機(jī)組，實(shí)現(xiàn)各機(jī)械化作業(yè)線的有機(jī)配合。

3 隧道掘進(jìn)的機(jī)械化施工配套技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了避免隧道掘進(jìn)前方不良地質(zhì)條件對施工產(chǎn)生的不利影響，可以運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)探測出隧道前方的巖溶、涌水等不利地質(zhì)條件[3]。目前，常用的探測手段有鑿巖臺車超前加深炮孔、水平超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆機(jī)、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可分別探測掌子面3～7 m、30～35 m、100～200 m區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是目前較為先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，其工作原理是依據(jù)地震波在不同地層中的反射波特性來對地質(zhì)情況進(jìn)行探測，可進(jìn)行長距離預(yù)報(bào)。此外，對于中短距離的地質(zhì)預(yù)測可以使用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備和紅外線探測設(shè)備。

3.2 隧道開挖作業(yè)線設(shè)備

目前，我國鐵路隧道開挖掘進(jìn)主要采用2種方式，即鉆爆法施工與TBM掘進(jìn)機(jī)全斷面施工方法。鉆爆法常用的設(shè)備有風(fēng)動鑿巖機(jī)、三臂鑿巖車。前者鉆孔精度低，后者能夠依靠電氣液壓自動控制調(diào)整，使鉆孔定位更精準(zhǔn)。相較風(fēng)動鑿巖機(jī)而言，三臂鑿巖車不僅可實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，還具有長距離鉆探注漿的優(yōu)勢，能與現(xiàn)場情況有機(jī)結(jié)合完成爆破支護(hù)方案。在黔張常鐵路隧道掘進(jìn)的實(shí)際工程中，將三臂鑿巖車作業(yè)與傳統(tǒng)人工鉆爆風(fēng)槍作業(yè)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 三臂鑿巖臺車與傳統(tǒng)人工鉆爆風(fēng)槍作業(yè)對比表

由工程實(shí)際可知，相較于人工爆破，使用三臂鑿巖臺車進(jìn)行開挖施工作業(yè)有效解決了傳統(tǒng)人工鉆爆施工中施工人員安全風(fēng)險大、施工作業(yè)時間長、一次性進(jìn)場操作的人員多、能耗大、單次作業(yè)進(jìn)尺短、噪聲大、粉塵多等缺點(diǎn)。三臂鑿巖車具備效率、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境價值，更值得推廣使用。

TBM掘進(jìn)機(jī)有開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)2種類型，前者適用于穩(wěn)定地層和硬性巖層的掘進(jìn)作業(yè)，后者可用于較為破碎的地層中。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)又分為單護(hù)盾式與雙護(hù)盾式，單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)支反力由安裝在整體襯砌或管片上的推進(jìn)缸提供。因?yàn)殡p護(hù)盾式TBM設(shè)置了前后2個護(hù)盾，且后面的護(hù)盾配置了支撐靴，可支撐在巖層上，雙護(hù)盾式TBM更適用于不良地質(zhì)情況。即便遇到十分惡劣的地質(zhì)條件，雙護(hù)盾式TBM仍可以同時掘進(jìn)和安裝管片，支反力由安裝完畢的管片提供，類似于采用單護(hù)盾的原理推進(jìn)。近年來，雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)憑借較快的掘進(jìn)速度和更好的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性，在長大隧道的掘進(jìn)作業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，分部開挖逐步向全斷面開挖方法發(fā)展[4]。

3.3 出渣作業(yè)線設(shè)備

出渣后即將隧道掘進(jìn)開挖出的土石渣運(yùn)輸?shù)綏壴鼒觯@是制約工程進(jìn)度的重要因素。出渣作業(yè)線主要作業(yè)內(nèi)容包括挖掘機(jī)扒渣→裝載機(jī)裝渣→有軌或無軌運(yùn)輸車運(yùn)渣→卸渣這一過程。無軌式出渣方式使用自卸汽車開入隧道內(nèi)，由裝載機(jī)裝渣運(yùn)走，此種方式較為機(jī)動靈活，但汽車廢氣和噪聲污染嚴(yán)重。有軌式出渣作業(yè)方式需要在隧道內(nèi)鋪設(shè)軌道，采用拖斗車進(jìn)行出渣作業(yè)無廢氣和噪聲污染，鋪設(shè)的軌道可用于二次襯砌施工，但造價高、施工管理更復(fù)雜。一般考慮隧道輪廓大小、隧道長度、棄渣場位置等因素來確定采取哪一種出渣方式。

4 隧道噴錨與支護(hù)的機(jī)械化施工技術(shù)

4.1 噴錨作業(yè)線設(shè)備

噴錨支護(hù)是通過打入巖層的高強(qiáng)金屬錨桿、系上鋼筋網(wǎng)架、高壓噴射混凝土來保證隧道初期支護(hù)質(zhì)量的主要技術(shù)手段，選擇合理的噴錨支護(hù)機(jī)械設(shè)備是保證噴錨工藝質(zhì)量的關(guān)鍵。噴錨支護(hù)機(jī)械設(shè)備主要包括混凝土噴射機(jī)、混凝土泵送車、空氣壓縮機(jī)等。干式混凝土噴射機(jī)因?yàn)榇嬖诘姆蹓m污染較大且回彈較多，已逐漸被淘汰使用。濕式混凝土噴射機(jī)有空氣壓縮的氣動型和液體壓縮的泵送型機(jī)械設(shè)備[5]。隨著人工噴射逐漸被機(jī)械手噴射所取代，集機(jī)械手噴射與混凝土行走泵送系統(tǒng)等多功能大型噴射機(jī)組在越來越多的工程中被使用。

4.2 二次襯砌作業(yè)線設(shè)備

在隧道初期支護(hù)成型后，需要對圍巖進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，以保證隧道的美觀和長期安全。一般需對圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測來確定二次襯砌的時間。具體施工流程為：混凝土拌和系統(tǒng)→混凝土泵送系統(tǒng)→二次襯砌臺車→臺車脫?！B(yǎng)護(hù)。襯砌模板臺車是用于二次襯砌的主要機(jī)械設(shè)備，包括簡易襯砌臺車、網(wǎng)架式襯砌車、液壓自動行走式襯砌車。若出渣階段使用的有軌出渣方式，則行走式襯砌車還可重復(fù)應(yīng)用導(dǎo)軌。

5 結(jié)語

鐵路隧道施工環(huán)境惡劣、安全隱患大，所以投入大量機(jī)械設(shè)備十分必要。一方面，未來我國鐵路隧道的機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)有望通過構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)、創(chuàng)新智能機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程操作，甚至向無人操作、自動化、無人智能流水作業(yè)發(fā)展；另一方面，現(xiàn)有重型機(jī)械設(shè)備普遍存在能耗大、廢氣排放大、噪聲污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，生產(chǎn)制造出綠色節(jié)能的機(jī)械設(shè)備也是環(huán)境友好型社會的應(yīng)有之義。