隧道工程機械化施工的現狀和發展趨勢

馮世春

（云南建設基礎設施投資股份有限公司，昆明 650000）

1 研究背景

在路橋施工中，機械化作業已基本代替了人力勞動，尤其是在隧道工程中，其逐漸被用于具有危險性的高強度工作中，成為社會生產生活必不可少的工具。與此同時，人工費也在逐年增加。在這一背景下，新科技、新工藝、新材料的應用，讓我國工程機械化施工發展成為趨勢，不僅很大限度地實現機械自動化和智能化，還在提高施工效率的同時，有效地降低了成本[1，2]。

在工程實踐中工法、工藝不斷提升和不斷運維的前提下，隧道工程越來越長、越來越寬，且工程技術越來越難、越來越復雜。目前，我國隧道工程施工技術如圍巖監控量測反饋分析技術、圍巖穩定技術、支護及襯砌結構技術等已發展成熟，其中大部分技術已處于國內領先水平，甚至一些技術已達到國際先進水平。但必須意識到的是，現階段我國隧道工程新型機械裝備大面積應用還有很多不足，故而本文主要針對該情況對隧道工程施工機械進行了分析。

2 隧道工程施工方法及機械現狀

2.1 隧道開挖

在隧道開挖工序中，主要工法有鉆爆法、非鉆爆法。在施工過程中，主要的施工流程為開挖、鑿孔及爆破；在工作過程中要注意支護、通風照明、防塵等。目前，隧道工程施工主要采用新奧法，普遍采用的機械有鑿巖機械、裝渣及運輸機械，非爆破法主要有盾構法、TBM 法。

在鑿巖機械方面，主流采用的工程機械為氣動鑿巖機，而最多的是風鉆。風鉆采用氣水聯動、氣腿快速退回、氣壓調節等機構，其控制手柄集中于柄體，機構新穎、操作方便，且配備的消音罩能降低噪聲和隨意改變排氣方向，能夠改善現場作業條件；此外，風鉆炮口直鉆孔深度可達5 m。在高速公路隧道施工中，通常一個全斷面掌子面需要配備風鉆15～18 臺，人工20 人，一個開挖循環時間4 h，市場水平工人人工費8 000 元/（月/ 人）。

在高速公路特長隧道施工中，采用全智能三臂鑿巖臺車適用于二臺階或全斷面開挖等施工方法（見圖1）。目前，國內先進的全智能三臂鑿巖臺車配置有超前地質鉆探功能，可以快速探明前方溶洞、瓦斯等，并根據鉆孔信息形成地質報告[3]。一般來說，全智能三臂鑿巖臺車能夠自動加桿鉆探φ45 mm～φ142 mm 的探孔，鉆孔深度可達30～50 m。全智能三臂鑿巖臺車WMD 地質分析軟件通過對鉆孔信息的收集形成地質云圖，直觀反應掌子面前方地質情況。通過綜合分析掌子面前方情況，不僅能夠更科學地判定前方地質情況，而且還能對掌子面穩定性進行分類，從而為現場施工提供準確的依據。根據超前地質鉆探結果，可確定下一步開挖方案，以保障在安全可控的前提下進行開挖作業。

圖1 全智能三臂鑿巖臺車

全智能三臂鑿巖臺車配套有爆破設計軟件，通過機械自帶的軟件將隧道各項參數導入后，可以建立隧道輪廓斷面并設計炮孔。施工時，通過分析器可進行掌子面炮孔定位，并自動生成炮孔點位、深度及角度等。通常情況下，操作手完全按照電腦顯示控制炮孔的角度和深度，如圖2 所示。

圖2 全智能三臂鑿巖臺車控制室

通過電腦控制炮孔的角度和深度，可以最大化地提高鉆孔質量，并有效提升循環進尺和爆破效果。循環進尺能夠達到4.5 m/ 循環，超欠挖能控制在15 cm 內。全智能三臂鑿巖臺車配置高效液壓鑿巖機，沖擊功率達31.9 kW，且能夠自動控制鑿巖機開孔、防卡釬、防空打功能。現場鉆5 m 炮孔成孔時間在1.5～2 min，一個開挖循環時間1.5 h，1 臺全智能三臂鑿巖臺車只需2 名操作手，人工費15 000 元/（月/ 人）。

根據2 種開挖機械設備進行成本分析對比，見表1。

由表1 可知：（1）全智能三臂鑿巖臺車開挖工作效率是傳統風鉆人工開挖的2.7 倍；（2）在安全上，采用全智能三臂鑿巖臺車開挖減少了施工掌子面的作業人員數量，僅需2 人操作，而采用人工開挖需要20 人左右。

表1 隧道開挖機械設備選型對比

采用全智能三臂鑿巖臺車開挖時，操作人員基本上在已經支護好的段落進行作業，且在封閉的駕駛室內操作，因此，施工安全系數大幅度提升。此外，由于全智能三臂鑿巖臺車采用封閉駕駛室，因此，可以把噪聲降低到75dB 以下，以防止工作人員患塵肺病、聽力喪失等職業病。在成本方面，全智能三臂鑿巖臺車可以多個工地周轉使用，按機械5 年折舊計算，雖然采用全智能三臂鑿巖臺車成本較高，但對于工期在2 a 以上的隧道施工成本相差不大，即工期越長成本增加越不明顯。

但是，全智能三臂鑿巖臺車體形巨大，不適用三臺階法、CD 法及CRD 法等軟巖開挖工法。所以，對不同的圍巖應針對性地采取相應機械設備，設備的制造還需與工程技術學科相結合更深入地開發，或者從工法上更深入地研究，以適用隧道工程施工。

2.2 裝渣及運輸機械

在隧道工程施工中，出渣作業占了整個掘進作業循環時間的40%，因此，對裝渣及運輸機械的研究是提高掘進工作的重點。

為了滿足隧道工程的施工要求，并適應大斷面和全斷面開挖的需要，裝渣機械正發展高效連續裝碴和無軌運輸設備。目前，舊式的有軌運輸設備已基本被淘汰，當下國內主要有正裝側卸式裝載機裝渣、自卸運輸車運輸的方式。

然而，就裝渣及運輸機械現狀而言，其還沒有更好的機械設備，同時國內對該道工序研究還處于空白，因此，機械設備還需要進一步研發。

2.3 隧道初支及噴錨

隧道初期支護在隧道施工中是最危險的一道工序。目前，國內已開始采用多功能立架臺車和濕噴機械臂進行施工，多功能立架臺車由于采用機械替代人力，1 個立架班由原來的8人減少到4 人。其主要意義體現在：

1）大大降低人工投入，降低工人勞動強度，減少安全風險；

2） 濕噴機械臂由原來的1 個噴漿班6 人減少到2 人，工效提高、用電量減少、噴射回彈量減少，從而大大降低了施工成本與粉塵，使整體施工環境得以提升，隧道施工更加安全。

2.4 盾構掘進

盾構掘進機有1 個可以移動的鋼結構外殼（盾殼），內裝有開挖刀盤、排土、拼裝襯砌和推進等機械裝置，并采用了液壓、機電控制、測控等技術，實現了開挖、支護、襯砌等多種作業的一體化施工，在歐美等國被廣泛使用。其中，以美國、德國、日本的盾構掘進機械最先進。

在我國，盾構掘進機已實現國產，這大大降低了盾構機成本。但受鋼材、機械制造技術等限制，國內生產的盾構機刀盤往往斷面較小，主要應用在地鐵隧道、水利工程引水洞等小斷面隧道施工中，高速公路隧道應用極少。但可以預見的是，隨著國內材料學的發展、機械制造技術的提高，發展大斷面盾構機將成為未來趨勢。

2.5 TBM掘進

TBM 掘進機是集機、電、液、光和信息等多項技術于一體的隧道機械設備，一次完成隧道開挖、排碴與襯砌，實現安全、可靠、高效、快速、智能化、自動化施工。因此，其又稱工程機械的“航空母艦”。

隨著20 世紀90 年代初國內隧道建設工程引入盾構法和TBM 法，盾構和TBM 法不斷應用于公路隧道、鐵路隧道、水利隧洞、煤礦巷道、核工業地下空間、國防隧道等工程，施工工法創新成果不斷涌現，有力推動了我國地下空間開發技術的不斷進步。目前，國內掘進機使用數量超過1 000 臺套。

高速公路、鐵路隧道多位于山區，地質條件復雜多樣。該問題對于TBM 選型難度極高，所以也是制約推廣的主要原因之一。另外，TMB 掘進機雖然工作效率極高，但一次性投入很大，一臺直徑為13 m 單護盾設備價格約為2 億元，資金占用率極高，而項目結束后當機械處于閑置時，保養費用觀，約為800 萬元/a。

3 隧道工程機械發展趨勢

3.1 工程機械的自動化與智能化

隨著材料技術、工程制造技術及計算機通信技術的發展，利用機械車載計算機輔助土方作業系統技術，主要指通過研究土方機械動力學控制系統，對工程機械的各工作參數進行監測。其中，該技術主要利用電子計算機技術，對土方機械的作業工況、作業介質和機器狀況進行分析并反饋給操作人員，從而讓工作人員能夠及時了解施工狀況并進行處理。可以說，工程機械中自帶的分析和決策程序，是工程機械自動化和智能化實現的關鍵。

3.2 工程機械的成套化與系統化

成套化和系統化是工程機械發展的主要趨勢和必然趨勢。國外許多著名大公司已逐步實現了其產品系列化進程，形成了從微型到特大型不同規格的產品。與此同時，產品能夠通過中央控制室的控制實現機械各個部分的有機結合和施工工序的協調配合。

4 結語

我國各個企業的隧道工程機械裝備水平參差不齊，與國外發達國家有很大距離。目前國內人工成本雖然直線上升，還未達到頂峰，但人工成本一定會不斷增長，而由于人工費水平還未達到一定水平，且新型機械不能得到大面積推廣、價格虛高、機械裝備也存在一些缺點，因此當人工費超過一定水平時，機械化自動化施工必然會是工程發展趨勢。

技術是企業的核心競爭力。對于新技術、新工藝、新設備的推廣研發來說，并不是施工單位一方能做到的，同時大型機械設備自動化、智能化、成套化、系統化并不是純粹的施工問題，也是一個企業的管理問題，需多學科聯合攻關難題。對此，施工企業要在裝備制造業上加大投入研發或聯合大型機械設備制造商戰略合作進行研發，并與先進的云計算技術、大數據等結合，走在技術前沿，讓工程行業與裝備制造業互相融入，以共同解決我國隧道施工中的安全管理、成本管理等問題，從而進一步促進我國隧道施工的發展。