丁軍彥

（中鐵隧道局集團(tuán)建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，我國鐵路隧道施工技術(shù)水平不斷提升，但隧道機(jī)械化程度仍處于早期發(fā)展階段，存在較大的發(fā)展空間。需要從發(fā)達(dá)國家中吸取優(yōu)秀技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，整合各種技術(shù)資料，在施工作業(yè)過程中進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，提高機(jī)械化施工效率和建筑工程質(zhì)量，為我國的鐵路隧道施工提供支持。

1 我國鐵路隧道機(jī)械化施工現(xiàn)階段存在的問題

1.1 快速施工技術(shù)體系問題

在鐵路隧道工程中最基礎(chǔ)的機(jī)械化施工方法便是鉆爆法，但這種方法仍然存在著許多問題，例如：變形處理、施工安全等。對(duì)于不同鐵路隧道工程，在施工進(jìn)度方面也會(huì)存在一定差異，若是施工隊(duì)采取的施工方式不當(dāng)，就會(huì)在施工中造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞問題，不利于后續(xù)施工作業(yè)的順利開展。

1.2 設(shè)備生產(chǎn)體系不成熟

在鐵路隧道的建設(shè)過程中，需要做好機(jī)械化設(shè)備的相關(guān)配套，提高鐵路隧道的施工水平，但是機(jī)械化設(shè)備應(yīng)用也存在許多的問題。機(jī)械設(shè)備大多數(shù)作業(yè)環(huán)境位于巖石相對(duì)穩(wěn)定的位置，對(duì)施工環(huán)境和地形地質(zhì)要求較高。我國的機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)體系還未建立一套完善的體系，一旦施工設(shè)備出現(xiàn)問題，會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致施工的整體進(jìn)度延后，不利于隧道工程的正常開展[1]。

2 鐵路隧道機(jī)械化施工設(shè)備配套技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

對(duì)于隧道工程的施工來說，機(jī)械化施工設(shè)備主要應(yīng)用在巖石比較穩(wěn)定的施工環(huán)境，如果機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)在不良的地質(zhì)環(huán)境條件下，就會(huì)對(duì)施工質(zhì)量和施工效率產(chǎn)生影響，因此必須借助超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道的地質(zhì)情況進(jìn)行檢測，包括巖溶、涌水等。在實(shí)際檢測過程中最常用的幾個(gè)手段為：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)等，主要探測的區(qū)域?yàn)?0±5 m 的范圍，或者位于[100，200]m 間的范圍，詳細(xì)了解這些區(qū)域的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)報(bào)劃分兩種系統(tǒng)：長距離預(yù)報(bào)和中短距離預(yù)測，其中前者主要為TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通過先進(jìn)技術(shù)對(duì)不同地層地震波產(chǎn)生的反射特性來判斷地質(zhì)情況；地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備可以通過高頻電磁波技術(shù)探測地質(zhì)環(huán)境的水文地質(zhì)情況[2]。

2.2 隧道開挖作業(yè)線

2.2.1 鉆爆法施工

鉆爆法中使用頻率較高的設(shè)備主要有三臂鑿巖車、風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)兩種，前者主要通過電氣液壓進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，能保證定位數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；后者在鉆孔方面有較低的精度。與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)相比，三臂鑿巖車有較大的自動(dòng)化性能，還能長距離鉆探施工，可以與下一道工序支護(hù)共同結(jié)合完成作業(yè)。與傳統(tǒng)的人工鉆爆風(fēng)槍作業(yè)相比，三臂鑿巖臺(tái)車在功能性、安全、進(jìn)度等方面具有較大的優(yōu)勢，如表1 所示。三臂鑿巖臺(tái)車能實(shí)現(xiàn)超前水平鉆孔以及快速錨桿等功能，與傳統(tǒng)人工作業(yè)方式相比，在進(jìn)度上達(dá)到每循環(huán)1.5～2 h。傳統(tǒng)人工方式需要的作業(yè)人員為24人，需要佩戴安全帽；三臂鑿巖臺(tái)車僅僅需要3～6人，操作位置位于駕駛室，后者的能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)人工方式，僅為400 kW。相比產(chǎn)生較大粉塵和噪聲的傳統(tǒng)手段，三壁鑿巖臺(tái)車更加環(huán)保。這種方案有效解決了傳統(tǒng)人工作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了作業(yè)時(shí)間并減少操作人員的數(shù)量，大大降低能源消耗。三臂鑿巖車有較高的效率以及較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于鐵路隧道施工開挖中。施工單位在開展工作時(shí)，分配、記錄相關(guān)工程使用的具體設(shè)備時(shí)，剔除鑿巖設(shè)備，并將自制式、多功能的臺(tái)車應(yīng)用到該工程項(xiàng)目中，作業(yè)平臺(tái)主要分為三層，對(duì)于鉆眼、光面爆破開發(fā)施工，需要根據(jù)圍巖的實(shí)際情況選擇合適的數(shù)量的鑿巖機(jī)進(jìn)行施工[3]。

表1 三臂鑿巖臺(tái)車與傳統(tǒng)人工鉆爆風(fēng)槍對(duì)比

某隧道工程的實(shí)際情況如下：該隧道地址較遠(yuǎn)，與周邊公路相距甚遠(yuǎn)，進(jìn)出口施工難度較大，須修建施工便道，以該隧道的某段為例，右線里程總長為2 966 m，包含明洞6 m；左線里程3 015 m，包含明洞8 m，其中右線和左線均含有大量Ⅲ級(jí)以上的圍巖，在隧道進(jìn)出口規(guī)劃的形式為端墻式洞門，進(jìn)出口線間距設(shè)置為32 m、30 m。該隧道工程采用的機(jī)械設(shè)備為全電腦SYS113 型三臂鑿巖車，為了提高施工效率和保障施工安全，采取聯(lián)合作業(yè)的方案，再輔助錨桿鉆孔設(shè)備。在三臂鑿巖車的設(shè)備上安裝相應(yīng)數(shù)量的工作籃，可以滿足對(duì)于裝填炸藥的需求，安排2 位作業(yè)人員進(jìn)行輪流操作施工，避免疲勞駕駛發(fā)生安全事故，保證施工人員的安全。在實(shí)際施工作業(yè)中，鉆進(jìn)單孔的時(shí)間為2 min，鉆進(jìn)深度為4.5 m，根據(jù)作業(yè)需要，總共需要鉆取的孔洞數(shù)量大約為200 個(gè)，消耗18 箱炸藥，為了做好施工人員的安全保護(hù)措施，提高施工的整體效率，還需要安裝相應(yīng)的錨桿系統(tǒng)，如：超前錨桿、系統(tǒng)錨桿等。

2.2.2 全斷面硬巖掘進(jìn)施工

全斷面硬巖掘進(jìn)施工主要分為護(hù)盾式掘進(jìn)和開敞式硬巖掘進(jìn)兩種施工方式，前者大多數(shù)應(yīng)用于地層比較破碎的施工作業(yè)環(huán)境；后者大多數(shù)應(yīng)用于地層比較穩(wěn)定以及有著硬巖的環(huán)境。護(hù)盾式掘進(jìn)的設(shè)備主要分為單護(hù)盾式和雙護(hù)盾式，前者的護(hù)盾方式主要由設(shè)備管片的推進(jìn)缸提供掘進(jìn)行動(dòng)的支反力。雙盾式的掘進(jìn)機(jī)主要在前后的裝置上安裝了2 個(gè)護(hù)盾，支撐靴安裝在護(hù)盾上，支撐著環(huán)境中的巖層，在不良的施工環(huán)境中發(fā)揮較高的作用。在水文地質(zhì)情況較為惡劣的環(huán)境，采用雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)高效作業(yè)，相比于單護(hù)盾式掘進(jìn)速度較快，能適應(yīng)不良的作業(yè)環(huán)境。主要是護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)安裝了管片，與單護(hù)盾式作業(yè)方式相同，由管片提供支反力，同時(shí)掘進(jìn)作業(yè)，被廣泛應(yīng)用于鐵路隧道的掘進(jìn)作業(yè)中[4]。

2.3 隧道出渣作業(yè)線

出渣作業(yè)的主要作業(yè)工序包括扒渣、裝渣、運(yùn)渣和卸渣等，在實(shí)際作業(yè)過程中，施工人員操作挖掘機(jī)在施工現(xiàn)場進(jìn)行扒渣施工，配備三臺(tái)的ZLC50E 側(cè)卸式機(jī)在工業(yè)區(qū)中進(jìn)行裝渣，一臺(tái)用以備用方案，以防裝渣機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)損壞，一臺(tái)用以輔助作業(yè)。對(duì)于運(yùn)渣這一過程，主要采用有軌和無軌的運(yùn)輸車進(jìn)行廢渣的運(yùn)輸，有軌式出渣的方式主要在隧道內(nèi)部安裝相應(yīng)的軌道，采用拖斗車進(jìn)行出渣作業(yè)，這種方式較為環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染和廢氣，鋪設(shè)的軌道也可用以二次襯砌施工，但施工成本較高、管理工序比較復(fù)雜，無軌式出渣方式主要采用自卸汽車開進(jìn)隧道，一般為大噸位的汽車，開進(jìn)隧道的自卸汽車直接帶走廢渣，根據(jù)隧道工程的開挖情況合理安排足夠數(shù)量的自卸車，當(dāng)運(yùn)輸距離逐漸增加時(shí)，管理人員需要增加裝卸車數(shù)量，這種方式有靈活性，但產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲污染和廢氣。不同的隧道長度不一、輪廓大小也不相同，需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇適合的出渣方式。

2.4 噴錨作業(yè)線

噴錨支護(hù)主要采用高強(qiáng)金屬錨桿鉆進(jìn)巖層中，并安裝上相應(yīng)的鋼筋網(wǎng)架，采用高壓噴射混凝土的方式以提高隧道工程的初期階段的支護(hù)質(zhì)量，根據(jù)工程的情況合理選擇噴錨支護(hù)設(shè)備，保障噴錨工藝質(zhì)量。噴錨支護(hù)施工主要設(shè)備分為混凝土噴射機(jī)、混凝土泵送機(jī)和空氣壓縮機(jī)等，傳統(tǒng)的混凝土噴射機(jī)施工產(chǎn)生較大的粉塵污染，已經(jīng)不符合當(dāng)下的施工要求，已逐漸被其他混凝土噴射機(jī)取代。新型的機(jī)械混凝土噴射機(jī)主要分為空氣壓縮的氣動(dòng)型和液體壓縮的泵送型機(jī)械設(shè)備[5]。

在實(shí)際的作業(yè)過程中，噴錨作業(yè)環(huán)節(jié)分為前期準(zhǔn)備、初噴、錨桿孔放樣、鉆孔、安裝、掛設(shè)、二次噴、養(yǎng)護(hù)等工序。施工流程主要采用機(jī)械方式和人工方式相結(jié)合，采用機(jī)械鑿巖鉆機(jī)對(duì)隧道進(jìn)行錨桿孔的鉆取，并以人工的方式開展安裝和注漿工作。在混凝土的噴射過程中，施工人員主要采用PM500 型噴漿機(jī)械手開展混凝土噴射工作，按照具體的施工要求噴射一定厚度的混凝土，在安全距離內(nèi)進(jìn)行噴射作業(yè)，保證施工人員的安全，通過遙控手柄對(duì)噴射機(jī)進(jìn)行操縱，全方位旋轉(zhuǎn)能保證噴射寬度為15 m 左右，回彈率控制范圍應(yīng)低于10%，相比普通的濕噴機(jī)效率較高。在隧道噴錨作業(yè)施工中，采用濕噴機(jī)械手作業(yè)，一方面可以提高施工效率，減少施工成本，另一方面可避免安全事故的發(fā)生，有效解決圍巖偏差或者淺埋偏壓的問題。

2.5 二次襯砌作業(yè)線

2.5.1 拱墻襯砌施工

在襯砌作業(yè)的施工過程中，施工人員需要安排相應(yīng)的施工設(shè)備為混凝土輸送泵、罐車和二襯模板臺(tái)車等。由表2 可知，拱墻襯砌施工主要采用長度為12 m 的液壓式整體鋼模襯砌臺(tái)車進(jìn)行施工作業(yè)，在進(jìn)出口區(qū)各配置1臺(tái)，選擇混凝土輸送車則需要安排進(jìn)、出口區(qū)各4 臺(tái)，自動(dòng)計(jì)量攪拌機(jī)、混凝土輸送泵則配置各區(qū)2 臺(tái)。以往的二襯施工作業(yè)大多采用傳統(tǒng)木模板對(duì)二襯端頭進(jìn)行支模的方式，為了提高施工效率，并保證施工質(zhì)量，采用組合鋼模板端頭代替木模板端頭后，在兩塊模板之間安裝止水帶，露出一半止水帶在外面，另一半埋于其中。這種方式安裝方式較為簡單，也便于拆卸，只要拆除掉組合鋼模板和相應(yīng)的螺栓，便可完成拆除工作，且成型的混凝土外觀質(zhì)量高。實(shí)際襯砌作業(yè)還會(huì)受到其他因素的影響，可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)移動(dòng)組合鋼模板端頭，通常距離為5 cm，對(duì)于可以加厚的襯砌位置，還可以采用其他的鋼端頭進(jìn)行替換。

表2 進(jìn)、出口工區(qū)的施工設(shè)備配套表

2.5.2 綜合洞室施工

為了順利在隧道工程中開展機(jī)械化施工，必須提高綜合洞室的施工水平，傳統(tǒng)的鋼拱架背貼鋼模板襯砌施工方式已經(jīng)不符合機(jī)械化施工要求，采用整體式襯砌方案取代傳統(tǒng)的方式，并根據(jù)洞室的具體形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。這種方式操作方式更為簡單，有一定的安裝精度和定位速度，有效避免施工出現(xiàn)跑模，相比傳統(tǒng)的施工手段，這種方式也盡量避免了二次修補(bǔ)的問題。當(dāng)完成洞室混凝土澆筑環(huán)節(jié)后，獲得表面較為平整、密實(shí)的效果。

2.5.3 水溝電纜槽施工

在隧道水溝電纜槽的施工作業(yè)過程中，采用整體式水溝電纜槽臺(tái)車，將大面積的大塊定型鋼模應(yīng)用于隧道作業(yè)過程中，降低模板作業(yè)的任務(wù)量。出于對(duì)人為因素引起施工質(zhì)量問題的考慮，通過液壓系統(tǒng)固定鋼模板，以免影響模板的施工質(zhì)量。完成好鋼模板的固定工序后，可進(jìn)行澆筑作業(yè)，一次成型。此外，采用液壓方式進(jìn)行整體脫模、就位，可減少傳統(tǒng)拆裝的次數(shù)，提高了施工效率，減少了人力物力的消耗。這種操作方式也簡單高效，有一定的環(huán)保價(jià)值，與傳統(tǒng)方法相比，可有效降低施工成本。

2.6 隧道輔助施工

在鐵路隧道的施工作業(yè)過程中，輔助作業(yè)作為機(jī)械設(shè)備配套的主要內(nèi)容，對(duì)施工質(zhì)量起著重要的保障作用，尤其是解決通風(fēng)、供風(fēng)問題，如果無法合理配置，會(huì)影響施工作業(yè)的效果。

根據(jù)施工人員的測量數(shù)據(jù)得知，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的耗風(fēng)量約為3.5 m3/min，22 臺(tái)鑿巖機(jī)組合在一起將耗費(fèi)大約為77 m3/min 的風(fēng)量，需要解決高壓風(fēng)產(chǎn)生的問題。為了滿足作業(yè)的施工要求，隨著耗風(fēng)量的不斷增加，隧道內(nèi)部的管道也需要不斷加長，每個(gè)工區(qū)需要配備適當(dāng)半徑的主風(fēng)管（如：219 mm），并根據(jù)工程情況合理安排數(shù)量的壓空機(jī)。

對(duì)隧道內(nèi)部的實(shí)際情況進(jìn)行測算，計(jì)算得出工程總需風(fēng)量為77 m3/min，但在實(shí)際施工環(huán)節(jié)中，總需風(fēng)量當(dāng)作最大值對(duì)風(fēng)量進(jìn)行有效控制，并針對(duì)漏風(fēng)情況、管道距離、壓力損失等情況進(jìn)行估算，距離掌子面1 000 m 范圍內(nèi)，估算設(shè)備所供的風(fēng)量約為115.5 m3/min，風(fēng)壓維持在0.6 MPa 左右。因此，在施工過程中，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果選取合適型號(hào)的通風(fēng)機(jī)。

3 結(jié)束語

鐵路隧道的施工環(huán)境大多數(shù)較惡劣，存在較大的安全隱患，因此需要配備大量的機(jī)械設(shè)備，提高施工效率和施工質(zhì)量。隨著我國技術(shù)水平的不斷提升，新型的機(jī)械化設(shè)備必將取代傳統(tǒng)的人工方式，加強(qiáng)對(duì)鐵路隧道機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)的研究，構(gòu)建一套完整的機(jī)械化施工體系，實(shí)現(xiàn)便捷、自動(dòng)化、智能化的操作，有效提升作業(yè)效率，縮短作業(yè)工期，保障鐵路隧道施工的整體質(zhì)量。