鐵路隧道機械化施工設備配套技術

林翠軍

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，武漢430014）

1 引言

我國鐵路隧道機械化施工經歷了3個階段，現階段已完成從小型設備鉆爆分部開挖，到大型設備鉆爆配套無軌運渣方式，再到非鉆爆方式的掘進機（TBM）配套有軌運渣方式的飛躍式發展。但在國際上，我國鐵路隧道施工技術還有很多方面需要向發達國家學習，要在施工過程中注重改進多線程機械化施工管理系統，提升機械化施工效率、施工質量及經濟和環保水平[1]。

2 施工設備選型原則與設備配套方案

鐵路隧道施工機械設備的規格型號、設備性能與生產廠家的選擇以及各類設備的配套方案，主要取決于所建設隧道的規模、地質地勢條件、工期要求等，還取決于施工成本、各項工序的銜接配套、各類設備的協同、整體效益匹配情況、施工現場運輸條件等。根據工程實踐經驗，鐵路隧道施工機械化成套設備的選型與配置原則主要有以下4點。

1）設備選型要從施工組織設計出發滿足進度要求，圍繞開挖、出渣、襯砌這條施工主線考慮各項細致工作，按地質超前預報→開挖→裝渣→運輸→噴錨→襯砌→防排水→通風等工序流程來合理配置各類機械設備，最終構建各工序機械化流水生產作業線。

2）施工機械設備選型首先要協調好技術先進性（從效率、質量考慮）和經濟合理性（從成本造價考慮）的矛盾，還要滿足施工方案的要求，保證技術經濟合理性。具體要綜合考慮生產效率、能耗水平、耐用性、安全性、廠家信譽等多方面因素，禁止選擇性能指標嚴重落后、能源消耗巨大、廢氣排放超標的陳舊設備[2]。

3）中小型設備的應用頻次高，需在采購時留有余量，保證有一定數量的備用設備。這樣出現設備故障時既能及時替換，又能在某些生產環節做必要的補充。對于用途相同或相似、可以功能互補的多臺機械設備應盡量在同一生產廠家采購，確保規格、型號一致，方便后期維修保養、備品備件的補充更換。

4）機械設備的配套方案要緊密配合施工方案的籌劃，制定設備管、用、養、修規章制度，構建合理科學的管理系統，按工序劃分機組。實行精細化精準管理，保證主要作業線設備，包括鑿巖機、鉆爆機、挖裝機組、重載運輸機組、噴射機組、裝載機組、襯砌模板臺車、自行式仰拱棧橋等大型機械設備按作業線合理配套機組，實現各機械化作業線的有機配合。

3 隧道掘進的機械化施工配套技術

3.1 超前地質預報

為了避免隧道掘進前方不良地質條件對施工產生的不利影響，可以運用超前地質預報技術探測出隧道前方的巖溶、涌水等不利地質條件[3]。目前，常用的探測手段有鑿巖臺車超前加深炮孔、水平超前地質預報鉆機、TSP超前地質預報系統，可分別探測掌子面3～7 m、30～35 m、100～200 m區域內的水文地質情況。TSP超前地質預報系統是目前較為先進的技術產品，其工作原理是依據地震波在不同地層中的反射波特性來對地質情況進行探測，可進行長距離預報。此外，對于中短距離的地質預測可以使用地質雷達設備和紅外線探測設備。

3.2 隧道開挖作業線設備

目前，我國鐵路隧道開挖掘進主要采用2種方式，即鉆爆法施工與TBM掘進機全斷面施工方法。鉆爆法常用的設備有風動鑿巖機、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整，使鉆孔定位更精準。相較風動鑿巖機而言，三臂鑿巖車不僅可實現自動化作業，還具有長距離鉆探注漿的優勢，能與現場情況有機結合完成爆破支護方案。在黔張常鐵路隧道掘進的實際工程中，將三臂鑿巖車作業與傳統人工鉆爆風槍作業進行對比，如表1所示。

表1 三臂鑿巖臺車與傳統人工鉆爆風槍作業對比表

由工程實際可知，相較于人工爆破，使用三臂鑿巖臺車進行開挖施工作業有效解決了傳統人工鉆爆施工中施工人員安全風險大、施工作業時間長、一次性進場操作的人員多、能耗大、單次作業進尺短、噪聲大、粉塵多等缺點。三臂鑿巖車具備效率、經濟及環境價值，更值得推廣使用。

TBM掘進機有開敞式硬巖掘進機和護盾式掘進機2種類型，前者適用于穩定地層和硬性巖層的掘進作業，后者可用于較為破碎的地層中。護盾式掘進機又分為單護盾式與雙護盾式，單護盾掘進機的前進支反力由安裝在整體襯砌或管片上的推進缸提供。因為雙護盾式TBM設置了前后2個護盾，且后面的護盾配置了支撐靴，可支撐在巖層上，雙護盾式TBM更適用于不良地質情況。即便遇到十分惡劣的地質條件，雙護盾式TBM仍可以同時掘進和安裝管片，支反力由安裝完畢的管片提供，類似于采用單護盾的原理推進。近年來，雙護盾式TBM掘進憑借較快的掘進速度和更好的地質環境適應性，在長大隧道的掘進作業中應用越來越廣泛，分部開挖逐步向全斷面開挖方法發展[4]。

3.3 出渣作業線設備

出渣后即將隧道掘進開挖出的土石渣運輸到棄渣場，這是制約工程進度的重要因素。出渣作業線主要作業內容包括挖掘機扒渣→裝載機裝渣→有軌或無軌運輸車運渣→卸渣這一過程。無軌式出渣方式使用自卸汽車開入隧道內，由裝載機裝渣運走，此種方式較為機動靈活，但汽車廢氣和噪聲污染嚴重。有軌式出渣作業方式需要在隧道內鋪設軌道，采用拖斗車進行出渣作業無廢氣和噪聲污染，鋪設的軌道可用于二次襯砌施工，但造價高、施工管理更復雜。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 隧道噴錨與支護的機械化施工技術

4.1 噴錨作業線設備

噴錨支護是通過打入巖層的高強金屬錨桿、系上鋼筋網架、高壓噴射混凝土來保證隧道初期支護質量的主要技術手段，選擇合理的噴錨支護機械設備是保證噴錨工藝質量的關鍵。噴錨支護機械設備主要包括混凝土噴射機、混凝土泵送車、空氣壓縮機等。干式混凝土噴射機因為存在的粉塵污染較大且回彈較多，已逐漸被淘汰使用。濕式混凝土噴射機有空氣壓縮的氣動型和液體壓縮的泵送型機械設備[5]。隨著人工噴射逐漸被機械手噴射所取代，集機械手噴射與混凝土行走泵送系統等多功能大型噴射機組在越來越多的工程中被使用。

4.2 二次襯砌作業線設備

在隧道初期支護成型后，需要對圍巖進行二次襯砌支護，以保證隧道的美觀和長期安全。一般需對圍巖進行監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→混凝土泵送系統→二次襯砌臺車→臺車脫模→養護。襯砌模板臺車是用于二次襯砌的主要機械設備，包括簡易襯砌臺車、網架式襯砌車、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應用導軌。

5 結語

鐵路隧道施工環境惡劣、安全隱患大，所以投入大量機械設備十分必要。一方面，未來我國鐵路隧道的機械設備配套技術有望通過構建物聯網、創新智能機械設備，實現機械設備遠程操作，甚至向無人操作、自動化、無人智能流水作業發展；另一方面，現有重型機械設備普遍存在能耗大、廢氣排放大、噪聲污染嚴重等缺點，生產制造出綠色節能的機械設備也是環境友好型社會的應有之義。