隧道機械化施工裝備配套及選型方案

齊慶鋒

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 401121）

1 引言

通過對施工技術、作業環境、質量要求、工期要求、成本管理等方面的綜合權衡，隧道機械化施工中需要對多種類機械設備施工方案進行優化設計，以保證不同設備作業群之間能夠協同合作。然而在實際施工過程中，經常存在設備配套不合理、選型不科學、參數不匹配等問題，導致隧道機械化施工效率并不高。

2 隧道工程主要施工方法

根據不同劃分標準，隧道可以分為不同類型，比如，以地質條件為標準，可以分為石質隧道和土質隧道；以長度為劃分標準，可以分為短隧道、中長隧道、長隧道、特長隧道；以截面形狀作為劃分標準，可以分為橢圓形、圓形、馬蹄形、雙孔形等。不同的隧道類型采用的施工方法不同，主要施工內容包括洞身開挖和洞身支護兩個方面。洞身開挖方式類型主要有鉆爆法、淺埋暗挖法、明挖法、蓋挖法、盾構法、TBM掘進機法、噴錨構筑法、沉管法等。在我國的公路隧道中，山嶺隧道占據較大的比重，這種隧道以鉆爆法開挖方式為主，因此，鉆爆法是應用相對廣泛的隧道開挖方法，洞身支護方式可以分為兩大類：（1）支架支撐，如型鋼支架；（2）以混凝土和錨桿為主的襯砌支護。圖1為主要隧道類型適用的施工方法，無論是洞身開挖，還是洞身支護方式的選擇，都要從技術角度出發，圍繞工程地質條件、工程結構條件、工程施工條件等方面進行綜合考慮，保持圍巖的穩定性，保證施工質量和作業安全，科學制訂施工方案。在施工過程中，如果出現條件變化，需要及時調整并合理處置。

圖1 主要隧道類型適用的施工方法

3 隧道工程機械化施工存在的主要問題及解決策略

3.1 施工裝備選型

鉆爆法是現階段開挖作業的主要施工方法。進行施工時，大多采用自制多功能臺架作為施工鉆孔、噴錨支護等作業的主要支撐，根據斷面高度確定臺架分層，這種作業方式需要耗費大量的人工，而且容易產生安全事故，而如果采用電腦液壓鑿巖臺車，可以更好地進行鉆孔和裝藥，能夠有效提升工作效率和安全系數。隧道開挖后，需要使用合適的出渣運輸裝備，主要包括有軌運輸和無軌運輸兩種方式，有軌運輸產生的污染較少，但是施工組織和養護維修比較復雜，無軌運輸裝備相對簡單，組織管理和養護維修更加方便，但由于采用了內燃機設備，需要排放大量尾氣，對隧道內的通風要求較高。隧道施工初期支護通常采用噴錨支護的方式，如果作業面比較小，可以使用小型濕噴機噴射混凝土，如果作業面比較大，需要配備噴射機組開展作業，在二次襯砌施工時，通常在洞外設置自動計量拌和站生產混凝土，采用有軌或無軌輸送的方式，每臺模板臺車配備1臺混凝土輸送泵和輸送管，設置簡易臺架進行防水板安裝。

3.2 施工裝備配套

不同的開挖方式，需要的裝備配套不同。在設計配套方案時，應重點關注掘進和支護設備的選擇，以保證形成高效的生產能力。在基本配置的基礎上，根據具體施工條件和技術水平，明確機械化施工目標，按要求配備相應設備。隧道機械化施工的裝備配套水平一般是以開挖和支護來劃分的，出渣設備需要與開挖設備的配置相協調，而二次襯砌施工離不開各種模板臺車，隨著隧道工程規模的不斷擴大，機械化作業水平要求越來越高，需要采用先進的液壓鑿巖臺車、電腦鑿巖臺車。積極發展能夠適應各種圍巖條件下的開挖方法，比如，分步開挖法、臺階開挖法、全斷面開挖法。建立裝備配套目標函數及建立基本配套模式，合理確定設備數量，在保證工期的情況下，選擇效率最高、最簡單的配套方案。為了保證施工速度的均衡性，應使裝備配套的生產能力超過1.2~1.3倍的施工生產均衡能力，避免重視開挖機械、輕視運輸機械的情況，合理配置運輸設備，保證運輸能力能夠大于掘進和支護能力，盡快恢復掌子面作業，充分發揮開挖設備和支護設備的能力[1]。

4 隧道工程機械化施工裝備配套及選型方案研究

4.1 基本原則

隧道工程施工裝備配套及選型方案應符合施工組織和進度要求，遵循開挖、出渣、初期支護、二次襯砌等基本工序，合理配置機械設備，提高各道工序的機械化作業水平；同時，要保證經濟上的合理性和技術上的可行性，所選擇的機械設備應能夠適應多種隧道施工方法，盡可能降低設備運行成本。這需要從企業的自身實力出發，充分利用現有機械設備的同時，并積極進行調配更新。另外，隧道工程機械化施工裝備配套及選型方案還要兼顧環保性和健康性原則，減少環境污染和生態破壞，保護職工健康。

4.2 分部開挖法機械化施工裝備配套及選型方案

4.2.1 方法介紹

分部開挖法又可以分為環形開挖預留核心土法、雙側壁導坑法、單側壁導坑法、中隔壁法、中洞法、交叉中隔壁法等。其中，應用環形開挖預留核心土法不需要配備特殊機械裝備，施工工藝相對簡單，核心土地面積約占斷面的一半以上，施工過程比較安全穩定，在土質地層及軟弱圍巖中較常應用，如果不能使用全斷面開挖或臺階開挖，而且隧道跨度超過11 m，可以采用雙側壁導坑法，即首先進行兩側導坑開挖，做好初期支護工作和邊墻襯砌，然后根據地質條件和斷面大小，開挖剩余部分，整個施工過程相對安全，能夠很好地控制地表沉陷。單側壁導坑法只需要在單側開挖導坑，在斷面跨度大、地表易沉陷等軟弱松散圍巖中比較適用。

4.2.2 裝備配套及選型方案

分部開挖法是將隧道斷面劃分成若干部分，然后分步驟進行開挖，其有利于控制開挖面，提高安全系數，但施工工序相對復雜，施工進度較緩慢。使用該方法進行機械化施工，無法使用大型機械設備，需要配備小型機械設備組合施工，并通過人工輔助的方式，才能獲得不錯的施工效果，通常可以采用2臺小型挖掘機、2臺小型裝載機、5個液壓鉆、2臺小型濕噴機、2臺微型高壓注漿機、2臺自卸車、1個混凝土攪拌站、2臺混凝土運輸車、2臺裝載機，并配備相應的人員，即可開展具體工作。小型挖掘機需要加裝機械手，以有利于安裝拱架；產品主要為1~6 t級，可以在較小空間發揮開挖、出渣作用，小型裝載機主要用于裝卸散裝物料，也可以進行輕度挖鏟作業，如果加裝輔助設備，還可以完成推土、起重等工序，具有良好的機動靈活性，速度快，效率高，操作簡便，液壓鉆需要使用4.4~8.8 kW（6~12馬力）的動力帶動，通過鉆桿、鉆頭進行鉆巖造孔，可以有效降低勞動強度，提高施工效率，微型高壓注漿機機身較輕，移動方便，結構簡單，通過機械動力能夠迅速提高工作壓力，快速、有效地進行裂縫灌漿，形成良好的防水止漏效果，是裂縫補強、止滲堵漏的重要裝備。分部開挖法機械化施工主要流程包括超前支護、開挖、出渣、安裝拱架、噴錨支護等，需要嚴格控制各道工序的施工效果。

4.3 全斷面開挖法機械化施工裝備配套及選型方案

4.3.1 方法介紹

全斷面開挖法是采用全斷面一次性開挖的方式進行施工，通常會采用大型的機械裝備，施工區段長度不能過短，否則會影響機械化施工的經濟性；必須保證設備配置的合理性，充分發揮組合裝備的作業效率。

4.3.2 裝備配套及選型方案

全斷面開挖法是按照設計開挖斷面，一次開挖到位的施工方法，工作面較大，施工工藝簡單，通過機械化施工，能夠顯著提高施工效率，尤其是配備大型機械裝備時，更能顯示機械化作業的優勢。主要裝備配套包括2臺挖掘機、4臺側翻斗裝載機、2個液壓鉆、4臺高壓注漿機、2臺全電腦鑿巖臺車、2個移動式混凝土噴射機組、8臺自卸車、2個混凝土攪拌站、4臺混凝土運輸車、2臺裝載機、2臺二襯臺車、2個混凝土輸送泵、4臺高壓風機，同樣，需要配備相應的人員完成相關工作。全電腦液壓鑿巖臺車技術含量較高，是現階段比較先進的隧道開挖裝備，是一種集圍巖數據分析、鉆孔、裝藥、安裝錨桿于一體的多功能機械裝備。全斷面開挖法具有廣闊的發展前景，在圍巖較差的施工條件下，通過科學合理的前期支護，依然可以完成施工任務。該方法工序簡單，干擾因素較少，對施工組織管理十分有利，而且安全可靠，在機械化施工方面，是最高效、最經濟的施工模式[2]。

4.4 臺階開挖法機械化施工裝備配套及選型方案

4.4.1 方法介紹

根據長度劃分，臺階開挖法又包括微臺階法、短臺階法、長臺階法。（1）嚴格意義上講，微臺階法相當于全斷面開挖法的一種變異，臺階長度一般控制在3~5 m。當長度小于3 m時，鉆孔開挖工作和噴錨支護工作不能順利進行；當長度大于5 m時，爆破石渣推到下臺階比較困難，需要人工翻渣，所以，這兩種情況都不應采用微臺階法。（2）短臺階法適用于地質條件較差的四五級圍巖結構，臺階長度一般控制在10~15 m，這樣可以有效拉開工作面，減少干擾，開挖上臺階時，通常使用較少藥量進行松動爆破，然后出渣轉運到下臺階。（3）長臺階開挖法開挖斷面較小，能夠較好地保持開挖面的穩定性。上下臺階需要分別進行開挖、運輸、支護等工作。臺階長度一般控制在50~80 m，在施工時，支護不能在一定時間內封閉成環，所以，該方法不能應用于軟弱隧道圍巖。

4.4.2 裝備配套及選型方案

運用臺階開挖法可以實現平行施工的效果，在全斷面完全開挖后，再進行襯砌，相對于全斷面開挖法，施工工藝更為復雜。在綜合考慮的情況下，機械化施工裝備配套主要包括2臺挖掘機、2臺側翻斗裝載機、10個液壓鉆、2臺高壓注漿機、1個移動式混凝土噴射機組、2臺多功能臺車、4臺自卸車、1個混凝土攪拌站、3臺混凝土運輸車、2臺裝載機、2臺二襯臺車、2個混凝土輸送泵、2臺高壓風機等。出于機械化作業的考慮，微臺階法在具體施工過程中應用較少，所以，此施工裝備配套及選型方案主要針對的是短臺階法和長臺階法。運用多功能臺車鉆孔、裝藥，運用移動式混凝土噴射機組排險和初期支護；同時要做好二次襯砌，提高圍巖的穩定性。臺階開挖法機械化施工主要流程與全斷面開挖法基本一致，同樣要做好細節處理和科學管控。

5 結語

綜上所述，隧道工程機械化施工具有諸多優勢，但也存在許多問題需要解決。采用機械化施工作業需明確主次，選擇合適的施工方法，不斷完善機械化施工裝備配套及選型方案，保證各設備作業群的作業時間和施工工藝銜接緊密，避免出現相互影響、相互干擾的情況，保持穩定的工作節奏和工作效果。