鐵路隧道機械化施工探討

禹躍云

摘 要：近年來，隨著我國科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，我國鐵路隧道工程建設(shè)與日俱增同時也對施工要求越來越嚴格，要從根本上解決我國鐵路隧道施工的相關(guān)問題就必須實現(xiàn)鐵路隧道施工工程的機械化，將機械化施工技術(shù)和施工工藝科學(xué)嚴謹?shù)慕Y(jié)合在一起。文章針對我國鐵路隧道施工的發(fā)展過程和現(xiàn)狀進行分析，并對常用的鐵路隧道工程機械進行了闡述，同時對鐵路隧道的機械化施工進行了探討。

關(guān)鍵詞：隧道施工；機械化施工；鐵路施工

我國由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，已修建大量的鐵路隧道。在我國廣大隧道工作者的共同努力下，我們在基礎(chǔ)理論研究，國外資料收集、設(shè)計、施工等方面取得了可靠的成就，積累了豐富的經(jīng)驗。但是，我國的鐵路隧道施工快速建設(shè)的水平以及相應(yīng)的配套技術(shù)水平，施工設(shè)備等仍然落后與同等時期其他發(fā)達國家的建設(shè)水平。針對質(zhì)疑情況我們應(yīng)該結(jié)合我國隧道機械化建設(shè)的水平和現(xiàn)狀進行全面系統(tǒng)化的總結(jié)分析，同時找出限制我國鐵路隧道機械化施工技術(shù)水平的弊端，并進行討論進一步提高我國隧道機械化施工的水平，以形成具有我國獨特的隧道理論、設(shè)計及施工方法。

1 我國鐵路隧道施工機械化的發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀五六十年代，我國的隧道施工主要是以人工施工為主，小型機械化為輔，施工難度大，工期長，施工效率極低，到了六十年代中期，我國開始在川黔線、成昆線和貴昆線的鐵路隧道施工中借鑒煤礦和礦山的巷道快速掘進模式，運用了配以自制分風分水器的手持式鑿巖機械，以及鏟斗后卸式裝渣機、平移調(diào)車器和軌距組成裝運系統(tǒng)等，不過施工效率仍然較低。我國的鐵路隧道機械化施工大致從橫廣復(fù)線大瑤山隧道建設(shè)的20世紀80年代為起點，之后在南昆、京九、大秦、西康的鐵路建設(shè)施工中發(fā)展完善，形成多種機械和設(shè)備配套施工的配套模式，并且以鐵路隧道鉆爆法機械化施工為發(fā)展標志性技術(shù)，到了20世紀90年代的西康鐵路秦嶺段特長隧道中全斷面硬巖掘進機（TBM）的使用為又一技術(shù)發(fā)展的標志，并逐漸形成模式沿用至今。

總結(jié)我國鐵路施工的發(fā)展現(xiàn)狀，可以得到以下結(jié)論，我國鐵路隧道機械化施工分別經(jīng)歷了小型設(shè)備鉆爆法施工、大型無軌運輸鉆爆法施工和非鉆爆法施工三個階段，從部分機械化作業(yè)發(fā)展到了綜合機械化配套施工的道路，從人工開挖發(fā)展到了TBM的使用，兩次技術(shù)飛躍雖然大幅度的推進了我國鐵路隧道施工技術(shù)的發(fā)展，但是在整體技術(shù)和相關(guān)的快速修建設(shè)備配套技術(shù)水平、施工裝備以及國產(chǎn)化程度仍然存在一定程度的問題，其主要表現(xiàn)在：

1.1 快速施工技術(shù)體系尚待完善。

以鉆爆法為基礎(chǔ)的機械化快速施工體系表現(xiàn)在機械化作業(yè)線設(shè)備配套技術(shù)、施工安全與風險控制、環(huán)境控制、巖溶高壓水、變形治理等方面。目前而言，許多設(shè)備配套和關(guān)鍵性技術(shù)難題亟待解決，施工進度有較大差別，事故頻發(fā)，工程后環(huán)境治理跟不上進度。

1.2 完善機械化設(shè)備配套

機械化配套設(shè)備只能在硬巖或者圍巖穩(wěn)定性較好的條件下才能進行快速的機械化施工，作業(yè)線上的機械設(shè)備國產(chǎn)化程度較低，影響了機械的使用壽命和維修養(yǎng)護，同時就影響了作業(yè)的效率，不能形成較為完備的先進機械化作業(yè)線。特別是噴錨、支護和二次混凝土襯砌等工序的配套機械設(shè)備國產(chǎn)化程度極低，完全制約了我國鐵路隧道機械化施工的進步和全面發(fā)展。

1.3 機械化程度亟待提高

相對于軟弱圍巖和土質(zhì)隧道，多數(shù)只能進行人工作業(yè)。人工作業(yè)包含了施工時間長、工序繁復(fù)、圍巖擾動較大、安全系數(shù)低、進度緩慢。這些問題都是受制于機械化施工程度的低下。

針對這些突出問題，我國進行了相關(guān)課題的研究，鐵道部門專門設(shè)立了“隧道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)的研究”，并且由中鐵隧道集團牽頭進行了其課題重要部分“隧道施工機械化配套技術(shù)及裝備研究”的實踐實驗和研究開展。通過結(jié)合實踐來進行先進技術(shù)的研究，能對我國鐵路隧道機械化施工的不足之處提供理論基礎(chǔ)，同時也能從實質(zhì)上解決我國鐵路修建技術(shù)相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化問題，提升隧道施工裝備的實力和國產(chǎn)化水平，進而形成完善，先進的鐵路機械化配套施工技術(shù)體系。

2 鐵路隧道機械化施工探討

進行大規(guī)模的機械化作業(yè)，使隧道施工進度明顯增快，施工質(zhì)量有所保證，是今后鐵路隧道機械化施工技術(shù)的關(guān)鍵所在。較高的機械化程度，可以在短期內(nèi)進行大規(guī)模的隧道建設(shè)任務(wù)，并且要求其他各種相關(guān)的施工技術(shù)也必須在機械化的條件下進行，在提高和加快機械化建設(shè)的同時也要推進國產(chǎn)化裝備技術(shù)的建設(shè)。

2.1 鐵路隧道機械化施工中機械的配置、配套原則

配套施工以單機組組合配套后形成的生產(chǎn)作業(yè)線形成的綜合生產(chǎn)能力高低為原則，鐵路隧道的機械化施工機械設(shè)備的選擇配套要從機械配套使用的整體能力入手，單機的機械性能必須和整體性能匹配，才能達到經(jīng)濟和生產(chǎn)相協(xié)調(diào)的效果。同時，我們要求各單機在運轉(zhuǎn)過程中保持良好穩(wěn)定的技術(shù)可靠性，在規(guī)定時間和作業(yè)條件下完成工期范圍內(nèi)的額定功率；機械本身也要具有安全運轉(zhuǎn)功能所需的安全性，是施工人員和機械操作人員在機械運轉(zhuǎn)時有相應(yīng)的安全保障；其次，要在機械上裝備相關(guān)防護設(shè)備，保障機械的耐久性，配套機組中的各單機要經(jīng)久耐用；在機械的配套使用原則中要求及時的對機械進行檢查、維修和養(yǎng)護；選用的設(shè)備要以優(yōu)先選用經(jīng)濟適用的節(jié)能設(shè)備為原則；最后，選用配套的設(shè)備要能夠適應(yīng)多種地質(zhì)條件下的不同施工方法，滿足輔助施工方法的施工需要，具備一定的適應(yīng)性。

隧道鐵路施工機械設(shè)備的配套首要滿足的是施工合同中所要求的相關(guān)條件，一般保護技術(shù)條件和經(jīng)濟條件。經(jīng)濟條件主要包含工作量、能源消耗、工作效率、操作性、通用性、勞力資源、耐久性、靈活性以及維修性。經(jīng)濟性主要包含使用率、購置率、使用率、各類資源消耗和與工期要求相符合的施工進度等等。通常配套原則要與施工方法想配套，與施工組織要求的進度目標適應(yīng)，具有適應(yīng)不同圍巖的應(yīng)變能力，同時要充分考慮輔助導(dǎo)坑的作用和功能，員工的素質(zhì)和管理水平相適應(yīng)。

2.2 我國鐵路隧道機械化施工中常用的機械

我國已引進多臺大直徑全斷面掘進機機組成功地建設(shè)了多座水工、鐵路隧道，盾構(gòu)技術(shù)更是在鐵路隧道施工中得到廣泛應(yīng)用，這為非鉆爆法施工大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)自主創(chuàng)新開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。

2.2.1 TBM硬巖掘進機

開敞式硬巖掘進機，以德國Wirth公司的雙排支撐靴結(jié)構(gòu)和美國的Robbins公司的單排支撐靴結(jié)構(gòu)機型為典型機型，作用是在巖石不易坍塌和地層較為穩(wěn)定的隧道施工中進行施工，如果需要在較為破碎的地層中掘進施工時需要在護盾后即刻進行噴錨支護，最終的隧道支護施工方式是砼襯砌；單護盾式硬巖掘進機，單護盾式TBM與開敞式TBM有所不同的地方是單護盾式TBM配置了完整的圓形護盾，推進方式是依靠推進缸支撐在安裝完成的整體襯砌或管片上獲得支反力，但是由于單護盾式TBM的掘進和安裝管片不能同時進行，所以施工進度較慢而應(yīng)用得較少；雙護盾式硬巖掘進機，掘進的原理和單護盾式硬巖掘進機完全相同，不同之處在于雙護盾式TBM配置有前后護盾，前后護盾間設(shè)置了伸縮護盾，后護盾配置了支撐靴，在地質(zhì)條件惡劣的情況下雙護盾式的TBM采用單護盾的方式推進，在地質(zhì)條件允許的條件下則采用雙護盾式TBM掘進，掘進和安裝管片可以同時進行，可以獲得較快的掘進速度。

2.2.2 開挖設(shè)備

液壓鑿巖臺車，液壓鑿巖臺車從結(jié)構(gòu)上分為實腹式和門架式，從行走方式分可以分為軌行式、輪胎式和履帶式。門架式液壓鑿巖臺車的腹部可以通行運渣車輛，能夠充分的利用隧道內(nèi)有限的橫斷空間，從而使施工中各設(shè)備的使用互不干擾，通常被運用于單線鐵路隧道施工中，液壓鑿巖臺車開挖鉆孔作業(yè)效率高，勞動強度低，勞動環(huán)境條件好，不過存在一次性投入比例較大的缺點。

多功能開挖臺架，多功能開挖臺架出現(xiàn)于上世紀90年代我國施工過程中開發(fā)出來的風鉆多功能臺架配套法，其具有制作成本低、制作方便、操作靈活、適用范圍廣泛以及便于推廣的優(yōu)點，由于使用成本較低，所以利于全斷面大楔形斜眼掏槽爆破技術(shù)的實施，爆破具有良好的效果，是隧道施工的進度得到了較好的保障，也適合我國隧道施工過程中勞動力充足，廉價的特點。雖然這種配套施工方法具有很多利于施工和節(jié)省資源的優(yōu)點，但是也存在著科技含量低、勞動強度大、勞動環(huán)境差的缺點，在我國鐵路隧道施工機械化進程的發(fā)展背景下必將被先進的施工技術(shù)和施工機械所取代。

2.3 我國鐵路隧道機械化施工趨勢

2.3.1 隧道鉆爆法施工機械化是發(fā)展重點

用自液壓鑿巖臺車進行鐵路隧道施工取得了良好的施工效果，推廣和創(chuàng)新發(fā)展“新奧法”施工和機械化配套技術(shù)是實現(xiàn)隧道鉆爆法施工機械化的關(guān)鍵，其中掘進機械化、裝-運-卸機械化、錨桿-濕噴砼支護機械化以及襯砌（含仰拱）砼施工機械化仍是推廣和創(chuàng)新的重點。

2.3.2 重點研制隧道掘進機

與國外施工設(shè)備相比較，在機械工作可靠性、液壓系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、自動導(dǎo)向和調(diào)向系統(tǒng)、刀具以及刀具軸承，主機大軸承的設(shè)計制造以及自動控制系統(tǒng)及元件上存在較大差距，也是我國隧道掘進機研制過程中需要解決的問題。為了滿足當前高速鐵路特長隧道建設(shè)需要，我們要和國外知名的掘進機制造廠進行合作，并設(shè)立本地化生產(chǎn)工廠。

2.3.3 鐵路隧道機械化施工的科技化和自動化

掘進機的設(shè)計制造在一定程度上反映了一個國家的綜合科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平體現(xiàn)了計算機、新材料、自動化、信息傳輸和多媒體等的技術(shù)的綜合水平。目前在辦公室所在地可以直接從計算機屏幕上獲取遠距離的掘進機施工圖像和參數(shù)并可以發(fā)出指令進行控制，這是機械化設(shè)備自動化發(fā)展的趨勢；同時計算機硬件和軟件的迅速發(fā)展掘進機的計算機優(yōu)化設(shè)計和施工系統(tǒng)的開發(fā)也是發(fā)展方向之一，越來越多的機械原理、電子學(xué)原理和機器人原理都會被合理的應(yīng)用到巖土工程學(xué)中。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國大規(guī)模鐵路建設(shè)的展開，隧道建設(shè)的數(shù)量將越來越多，建設(shè)標準越來越高，建設(shè)條件更加復(fù)雜，要順利的完成我國鐵路隧道施工的機械化進程，就必須在現(xiàn)有工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行不斷的歸納總結(jié)，結(jié)合我國鐵路施工的現(xiàn)狀去解決問題，同時培養(yǎng)高素質(zhì)的鐵路隧道施工技術(shù)人才，開展相應(yīng)的大型機械設(shè)備的國產(chǎn)化工作研究，才能客觀上解決我國鐵路隧道施工的機械化進程中遇到的難點和關(guān)鍵問題。

參考文獻

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