鐵路長大隧道的機械化配套施工探討

福州至平潭鐵路有限責任公司 張 斌

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鐵路長大隧道的機械化配套施工探討

福州至平潭鐵路有限責任公司 張 斌

在我國鐵路建設中，特長隧道、穿江過河隧道、穿越地質復雜區域隧道占有一定比例，解決好隧道的建設問題是搞好鐵路建設的關鍵問題之一。但隨著建筑市場規模的迅速擴大，面對復雜的地質條件和建設標準的不斷提高，過去那種粗放型施工管理模式，與鐵路大規模建設的形勢不相適應。正是在這樣的背景下，一種新的管理模式——機械化配套作業成為大規模客專建設行業新的選擇和契機。該文通過介紹渝利鐵路長洪嶺隧道采用機械化配套施工的成功案例，為今后鐵路長大隧道工程的機械化配套施工提供借鑒和參考。

隧道施工 機械化 設備配套

按照《中長期鐵路網規劃》和《鐵路“十二五”規劃》，到2015年，中國鐵路營業里程將達到120000公里左右，其中快速客運網總規模達到45000公里左右。今后幾年，我國還將要修建約5000公里的鐵路隧道，其中特長隧道、穿江過河隧道、穿越地質復雜區域隧道占有一定比例，解決好隧道的建設問題是搞好鐵路建設的關鍵問題之一。長期以來，出于成本等考慮，我國建筑施工企業在隧道施工中大量使用農民工施工，這為廣大農村勞動者提供了大量就業機會，同時推動了建筑業的發展。但是，隨著建筑市場規模的迅速擴大、地質條件的復雜和建設標準的不斷提高，大量使用農民工的弊端就逐漸顯露出來：廣大農民工專項施工技術水平普遍不高，雖然施工企業對他們進行了系統的技術培訓，但農民工專業技術還是不能滿足高質量建筑的要求。隨著和諧鐵路建設深入展開，這種粗放型的施工管理模式與鐵路大規模建設的形勢不相適應。正是在這樣的背景下，一種新的管理模式——機械化配套作業成為大規模客專建設行業新的選擇和契機。截至2009年底，我國建成的鐵路隧道總長度已經超過7000公里，在建鐵路隧道總長度已超過5000公里，即將開工和規劃建設的隧道總長度超過5000公里，到2012年，我國建成通車的鐵路隧道總數量將突破1萬座，總長度將突破12000公里。我國鐵路隧道建設的總量已經遠遠超過世界其他國家。但是我國鐵路軟巖隧道施工的快速修建設備配套技術水平、施工裝備及國產化仍處于隧道施工機械化初期，整體技術仍較落后。主要表現在：

——以鉆爆法為基礎的機械化快速施工技術體系尚未完成，在機械化作業線設備配套技術、環境控制、施工安全與風險控制、巖溶高壓水、大變形治理等方面，許多設備配套關鍵技術難題尚未取得突破，施工進度差別很大，事故隱患較多，工后環境影響較大。

——以鉆爆法為基礎的機械化設備配套在硬巖或圍巖穩定性較好的條件下才能實現快速施工，而且作業線的主要設備大多從國外引進，自主開發的品種少、質量較差、故障較多，主要技術性能參數與鐵路隧道現有施工條件不匹配。設備國產化程度低，因而影響作業效率，難以形成先進的機械化作業線。特別是開挖出砟、噴錨、支護、二次混凝土襯砌等工序，設備國產化程度低，制約了全行業整體技術的全面發展和進步。

——對于軟巖和土質隧道，大多數仍采用人工作業，工序循環時間長，圍巖擾動大，安全風險高，支護困難，進度緩慢，造成軟巖隧道既不能快速施工，也不能形成機械化作業。

本文結合渝利鐵路長洪嶺隧道采用機械化配套施工的成功案例，為今后鐵路長大隧道工程的機械化配套施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

長洪嶺隧道是渝利鐵路全線的第二長隧，全長13294m，為單洞雙線隧道，洞門為臺階式洞門。隧道進口里程DK170+300，位于龍河鎮柏木園村，洞口位于省道江馬路附近，交通條件較好。隧道進口段位于直線上，洞內縱坡為單面上坡，DK170+300～DK171+500坡度為4‰，DK171+ 500～DK175坡度為15.5‰。隧道圍巖以Ⅲ級為主，洞口淺埋段為Ⅴ級、Ⅳ級圍巖。

2 機械化配套施工情況

一是根據施工總體計劃和施工要求，確定機械設備需求計劃；二是在滿足總進度計劃前提下，充分合理利用施工機械，對設備資源進行調整和優化；三是合理選擇主導機械，力求組合機械施工最佳匹配。在隧道施工前期，我們引進水平地質鉆機和三臂鑿巖臺車，陸續進場混凝土機械手、自行式移動棧橋、自卸汽車及挖掘機、裝載機、液壓模板臺車、混凝土輸送車等，形成施工設備重點配置，地質預報、超前支護及圍巖注漿等輔助設備最佳配置，實現平行作業。其中采用機械化配套作業計劃施工段長度約4700m，為保證工程總工期，項目部將機械化配套工作作為施工重點來組織，隧道開挖配備2臺先進的湯姆洛克鑿巖臺車進行全斷面開挖施工，裝載機配合自卸汽車進行出碴；初期支護采用砼機械手濕噴工藝，對開挖的掌子面及時進行封閉；仰拱作業采用液壓移動棧橋進行全斷面開挖施工；隧道襯砌作業采用12米長液壓模板臺車、砼運輸車以及砼輸送泵進行全斷面襯砌。

2.1 熟練運用鑿巖臺車進行開挖

2.1.1改善工人作業環境，體現以人為本

在機械化配套方案中，隧道開挖使用鑿巖臺車代替了傳統的人工風鉆，人工開挖采用高壓風作動力，作業時，風鉆數量投入多達20～30把，對開挖面周圍的空氣污染很大，開挖面周圍的空氣狀態越來越差，同時風鉆產生高分貝的噪音，對施工人員的身體健康和施工安全造成極大的威脅，可能導致矽肺病、耳朵聽力下降等疾病；鑿巖臺車開挖采用電力作動力，不產生粉塵，對空氣狀況改變不大，清潔無污染，僅有一定量的噪音，與風鉆相比，噪音比較小，同時操作人員可戴上防噪音彈性耳塞，可大大減少噪音對人體的傷害。

2.1.2提高工人作業安全系數，體現生命至上

采用人工風鉆開挖，司鉆工離掌子面只有幾米遠，風鉆開挖時沖擊振動巖面，如果隧道掌子面巖層自穩性較差，易造成隧道拱部產生落石，人員逃脫不及時極易受到傷害；在機械化配套中，采用鑿巖臺車開挖，操作人員在固定的操作臺上操作鉆機，離掌子面有十幾米遠，且操作平臺上面有安全頂棚保證人員安全，可防止落石傷人，安全性能較高。

2.1.3加快循環施工進度，體現效率至上

采用人工風鉆開挖，除噪音高、粉塵大等缺點外，循環作業時間長也是制約施工進度的重要原因，人工風鉆開挖從測量、打鉆到響炮一個循環需要4.5個小時；采用鑿巖臺車開挖，鉆一個孔的時間為1～2分鐘，隧道整個斷面打眼一般在2個小時內完成，從測量、打眼、裝藥到響炮一個循環需要大約3個小時，每個開挖循環可以節省1.5個小時，從而有效縮短工序時間，大大提高隧道開挖施工進度。

2.2 成功運用砼機械手進行濕噴

長洪嶺隧道進口在施工初期采用小型濕噴機具進行噴混凝土施工，但在施工過程中發現采用小型濕噴機施工存在環境污染指數高、外加劑摻量不準、存在施工盲區、施工進度緩慢等問題，無法滿足渝利鐵路施工的要求。

根據以往工程的施工經驗，同時借鑒國外隧道噴射施工的先進經驗，在長洪嶺隧道進口引進Sika-PM500PC濕噴機械手，該濕噴機械手為西班牙制造，機械造價約400萬元（人民幣）。

Sika-PM500PC濕噴機在長洪嶺隧道應用中的成果有：

(1)施工安全方面

采用Sika-PM500PC濕噴機進行噴錨施工，保證施工人員與機械處于已經完成初期支護的地段。

采用普通濕噴機進行施工時，人員與濕噴機械均要在尚未進行支護的圍巖下面進行施工，施工人員安全難以保證。

采用Sika-PM500PC濕噴機施工時，作業人員對濕噴機進行遙控控制，作業人員可站在已完成初期支護的位置，相比普通濕噴機的安全性有很大的提高；

Sika-PM500PC濕噴機采用機械手伸縮到掌子面進行施工，機器本身停留在已經完成初期支護的地段，即使掌子面出現塌方也不會威脅到機器本身。

(2)施工質量方面

采用Sika-PM500PC濕噴機施工的混凝土內實外美。Sika-PM500PC濕噴機施工的噴混凝土表面平整，無明顯坑洼；噴混凝土能夠實現無間斷連續施工，混凝土強度能夠保證；Sika-PM500PC濕噴機配有液態添加劑計量輸送裝置AL-403.5，能夠精確添加速凝劑用量，能有效保證噴射混凝土早期強度和施工質量，同時還可以減少噴射砼回彈量，節約材料。

(3)施工進度方面

采用Sika-PM500PC濕噴機施工是高機械化程度的作業，施工過程中只需要兩個人便可以控制整個施工過程，而且Sika-PM500PC濕噴機的施工效率是普通濕噴機的3～5倍。從理論上講，按照每開挖循環進尺3m來計算，采用Sika- PM500PC濕噴機施工的效率等同于5～6臺普通濕噴機同時作業，但是每臺普通濕噴機的操作人員需要4～5人，那么同樣的工作效率，Sika-PM500PC濕噴機便可以節省出至少20個勞動力。但是從實際施工情況來看，普通濕噴機的效率并不能達到理論上的數值，而Sika-PM500PC濕噴機的實際工作效率卻能到達理論效率的90％以上。因此采用Sika- PM500PC濕噴機施工后，每個開挖循環至少能提前3個小時。

2.3 研制開發使用液壓式移動仰拱棧橋

為減少施工干擾、加快施工進度，我們對鐵路隧道仰拱施工進行了深入研究，同時以不間段、循環施工為目的，設計并制造出了38m可移動式仰拱棧橋，仰拱棧橋的最大有效施工長度為20m，能夠根據仰拱實際開挖情況改變仰拱棧橋長度。與普通簡易仰拱棧橋相比，采用可移動仰拱棧橋具有安全性能高、施工工效快、移動快速方便等優點。

2.3.1液壓移動棧橋的特點

(1) 跨度大。該棧橋主橋長38m，支點間跨度23m，一個循環最大施工長度20m。同時能夠根據仰拱實際開挖情況改變仰拱棧橋長度。

(2) 結構設計等級高，載重大。設計最大載重量45t，滿足施工中作業機械、出碴機械的通行需要。

(3) 可自行移動。棧橋工作時，油缸提升，前后支撐著地，前后行走裝置不承載；當棧橋移動時，油缸頂升，前后行走裝置著地，然后前后支撐離開地面，由輪子承擔棧橋自重載荷；行走由電機帶動減速機驅動前進。

(4) 設計合理，工藝先進。主梁和橋面采用桁架式結構，減少了自重和結構高度，滿足了通行和橋下作業凈空要求，實現了仰拱全斷面作業。

(5) 操作簡單，安全可靠。棧橋操作無特殊作業，基本上是工程中常用的機械、液壓、電氣作業，普通技術工稍作培訓就可完成全部工作內容，安全保證程度高。

(6) 移動就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移動就位僅需要2h，提高了仰拱混凝土的施工速度。

2.3.2工作原理

采用帶有行走設施的仰拱棧橋，棧橋上各種車輛設備正常通行不影響掌子面施工，橋下同時進行隧道的仰拱初期支護、鋼筋綁扎、砼澆注、填充施工、混凝土養生以及洞內開挖出碴車輛運輸的平行作業，及時解決掌子面和仰拱施工之間的干擾，大大提高隧道整體施工進度。

2.3.3安全及質量要求

(1) 仰拱棧橋就位時，要注意安設的平整及寬度符合設計要求，保證車輛形成安全及不同輪距的車輛均能通過仰拱棧橋。

(2) 仰拱棧橋上部的泥水及殘余混凝土雜物等應及時清除，以保證棧橋上部的清潔。

(3) 車輛通過棧橋時限速5km/h，保證施工安全。

(4) 棧橋上用紅燈等設置明顯示寬、示高標識，以確保車輛通過安全。

(5) 棧橋基礎必須處理到位，確認滿足行車所需承載力后方可通行車輛，并且嚴禁超過設計荷載的車輛機械通行。

2.3.4施工工期對比

普通仰拱棧橋兩個循環作業時間新型可移動仰拱棧橋可完成三個循環，所以采用新型仰拱棧橋加快了施工進度，節省了整個工程的施工工期,同時節省了間接費用。

(1)簡易抑拱棧橋（按一個口計劃施工任務計算）：

平均生產能力：12米/3天 =4米/天

工期：4700米/4米/天=1175天/30=39.2個月

(2)新型抑拱棧橋：

平均生產能力：12米/2天=6米/天

工期：4700米/6米/天=783天/30=26.1個月

2.4 投入安全監控系統

為了對隧道內作業人員以及地面相關場地的人員進行有效的監控，全面提高項目施工生產和安全管理的綜合水平，對現場施工情況實行遠程動態控制，我們引進安全定位系統，懸掛于隧道洞口上方，能夠及時、準確掌握隧道內施工的動態情況，該系統操作簡單，便于管理，為今后隧道現場施工的辦公自動化奠定了基礎。安全定位系統可以自動統計隧道內作業人員的上下班時間，有效防止偷懶早退現象；可以實時反映隧道內人員的作業情況和地點，對隧道施工安全生產各個崗位的人員進行有效監督，能夠有效提高安全生產防范能力，有效減少“三違”，促進安全生產。同時，在發生隧道內發生瓦斯爆炸、大面積塌方、突泥涌水等災害時，可以實時顯示作業區內人員的數量、身份、位置等數據，為迅速展開搶險救災提供確切的決策依據。

3 隧道機械化配套施工的主要經驗

隨著建筑領域施工技術的不斷提高，傳統的隧道施工工藝已難以滿足國家對環保、低耗、經濟性和安全質量方面的要求，而實行先進的機械化配套施工則是隧道施工的必然趨勢。從長洪嶺隧道機械配套施工看，經過近兩年的機械化配套施工實踐，順利實現了機械化配套所期望的目標，提升了標準化作業水平。主要經驗是：

3.1 立足項目施工特點，合理配備施工資源

我們結合隧道工期緊、工程量大、區域性斷層破碎帶多、巖溶富水發育等特點，對施工組織進行認真策劃，組織專家多次論證機械化配套施工方案，形成了隧道鉆爆作業、裝砟運輸、錨噴支護、仰拱鋪底及混凝土襯砌5條機械化配套作業生產線。同時，根據施工實際進行地質預報、超前支護及圍巖注漿輔助作業線配套，精心組織隧道施工。一是根據施工總體計劃和施工要求，確定機械設備需求計劃；二是在滿足總進度計劃前提下，充分合理利用施工機械，對設備資源進行調整和優化；三是合理選擇主導機械，力求組合機械施工最佳匹配。在隧道施工前期，我們引進水平地質鉆機和三臂鑿巖臺車，混凝土機械手、自行式移動棧橋、自卸汽車及挖掘機、裝載機、液壓模板臺車、混凝土輸送車等陸續進場，形成施工設備重點配置，地質預報、超前支護及圍巖注漿等輔助設備最佳配置，實現平行作業。

3.2 制定配套目標，做好人員培訓

我們依托機械化施工支撐，提升標準化作業水平，對機械操作人員開展多種形式的教育培訓。一是邀請廠家授課，在設備進場同時，設備廠家工程師到現場講解設備操作和理論知識；二是開展崗前培訓，在隧道開工前，組織機管員、設備操作人員進行崗位培訓，做好上崗前取證工作；三是編寫機械操作教程，根據實際為每臺機械設備編寫《操作手冊》；四是開展相互交流，為機械操作、維修、管理人員搭建平臺，加強交流，熟悉機械設備性能，充分發揮機械施工優勢。

3.3 降低施工風險，推進安全生產標準化

針對長洪嶺隧道高風險的施工特點，我們采用TSP超前地質預報系統、地質雷達、紅外探水、水平超前鉆孔等手段綜合探測。配備意大利產C6多功能地質鉆機1臺，該機最大水平鉆進深度為200m，鉆孔直徑為64～194mm，與國產CM458地質鉆機相比，其鉆孔效率提高1倍以上；在隧道開挖和噴漿時，三臂鑿巖臺車只需6名操作人員，濕噴機械手只需2名操作人員，且所有操作人員均在有防護的設備內，有效減少了掌子面氣霧和巖塵侵害，為作業人員營造了良好的施工環境。

3.4 降低勞動強度，實現人員配備標準化

根據各工序機械化配套情況，我們對隧道作業人員進行優化組織，確定了“以機定班、按班設崗、以崗定責、以責促為”的人員設置原則，達到了“以機代人，降低勞動強度、精簡作業人員、提高作業效率”的人力優化目標。在隧道開挖中，為2臺鑿巖臺車配置了2個作業班組，每班3人，設有操作主司機、副司機各1人，旁站指揮人員1人；在噴漿作業中，1臺機械手配置2名作業人員；在出砟作業中，根據裝運設備數量也進行定額配置人員。

3.5 加快施工進度，達到作業時間標準化

我們引入“工序標準化作業時間管理法”，根據機械設備正常作業工效，通過理論計算，確定進度數據指標，明確5米深的炮孔成孔時間控制在5分鐘，4.5米全斷面單循環進尺時間控制在3.5～4小時；機械手完成4.5米全斷面噴射任務時間控制在1小時；單車裝砟時間控制在2分鐘，單循環出砟時間控制在3～4小時；仰供模架就位時間控制在3小時。以指標參數為考核依據，兌現進度指標獎罰，實現了單工序作業時間標準化管理。

3.6 提高工程質量，促進工藝流程標準化

我們采用“熟悉一項，凝固一項，推廣一項”的機械操作辦法，形成穩定的工序作業支撐體系。地質預報實現鉆灌一體化，改變傳統軟弱圍巖開挖方式，提升軟弱圍巖的掘進速度；通過控制鉆孔角度、精度，提升斷面光爆成型質量，利用臺車施作錨桿和超前小導管，施作質量比傳統工藝有較大提升；機械手濕噴實現240度擺動和360度回轉，最大噴射寬度可達30m，混凝土的回彈率控制在12%以內，并通過人機對話，準確了解噴射情況，提高了噴射質量和效果。

3.7 實施單機核算，提升成本控制標準化

將機械施工的總體成本核算分解成為油料核算、修理費核算、配件核算、輪胎核算、工資核算、操作司機保管費等分項費用核算，并按分項成本進行管控。將單臺機械施工中所發生的燃料動力費、經常維修費及人工費等可控費用包干到人，把操作人員的收益與單臺機械所發生的成本緊緊捆綁在一起，將考核機械設備經濟指標作為操作人員工資發放的重要依據，有效調動機械操作人員積極性，實現了項目總成本的穩定可控。

3.8 實現技術創新，滿足現場適用性

一是成立了仰拱移動模架QC攻關小組，研制出整體式仰拱移動模架，弧形模板及鋼結構桁架一次加工成型，較普通仰拱模板增加配重小車，保證了模板穩定性，提高了澆筑混凝土質量；二是開展鉆孔與裝藥平行作業研究，針對裝藥與鉆孔存在的時間差，采用乳化炸藥和非電毫秒雷管，選用針起爆方式，保證了鉆爆作業安全；三是積極開展《長大隧道鉆爆法快速施工關鍵技術與裝備研究》相關課題攻關，以提升鐵路長大隧道修建理論技術水平。

[1] 肖廣智. 加強鐵路隧道機械化施工，保證隧道施工質量和安全[A]//中國土木工程學會第十三屆年會暨隧道及地下工程分會第十五屆年會論文集[C], 2008.

[2] 關寶樹. 隧道施工的技術特性、理念及其發展(上)[J]. 鐵道建筑技術, 2003(3).

[3] 齊夢學. 雙護盾掘進機在不良地質洞段的施工方法探討[J].現代隧道技術, 2007(4):9-15.