漫談礦山法隧道技術(shù)第十一講
——談隧道施工機(jī)械化

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第十一講
——談隧道施工機(jī)械化

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

闡述我國(guó)隧道施工機(jī)械化的現(xiàn)狀。指出：1)我國(guó)缺乏專門研究和制造隧道施工機(jī)械的企業(yè)；2)隧道施工機(jī)械化的水平參差不齊；3)由于客觀原因一些大型施工機(jī)械得不到充分利用，甚至棄之不用；4)遇到施工難題沒有可以選擇的施工機(jī)械可以利用，制約了隧道施工機(jī)械化的發(fā)展。在一般圍巖條件下，我國(guó)重點(diǎn)隧道的施工機(jī)械化水平，基本上能夠滿足施工要求；但在不良圍巖條件下，機(jī)械化的差距特別突出，與預(yù)支護(hù)技術(shù)相適應(yīng)的施工機(jī)械的研制和開發(fā)必須提到日程上來。重點(diǎn)介紹了日本的幾種施工機(jī)械：1)與圍巖補(bǔ)強(qiáng)或預(yù)支護(hù)相適應(yīng)的施工機(jī)械，如長(zhǎng)鋼管超前支護(hù)專用鉆注一體機(jī)及搭載在臺(tái)架上的液壓鑿巖機(jī)、控制拱腳下沉的彎曲鉆機(jī)；2)提高施工效率的施工機(jī)械，如鉆孔機(jī)械(多臂鉆孔臺(tái)車、排鉆)、噴射機(jī)械(雙機(jī)械手干噴，大容量、低粉塵的新型噴射系統(tǒng)，長(zhǎng)臂噴射機(jī))；3)單跨、雙跨、三跨仰拱棧橋；4)充分發(fā)揮施工機(jī)械綜合能力的集約化施工機(jī)械，如多臂TWS(隧道機(jī)組工作站Tunnel Work Station)、移動(dòng)式大功率通風(fēng)除塵機(jī)。指出提高隧道施工機(jī)械化的程度，大幅度縮短單項(xiàng)作業(yè)的時(shí)間，發(fā)揮綜合機(jī)械化的威力,確保快速施工和工程質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急，機(jī)械化或工廠化施工是大勢(shì)所趨，特別是在TBM法和盾構(gòu)法在我國(guó)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠化施工的情況下，礦山法隧道也應(yīng)該逐步向這個(gè)方向發(fā)展，這也是時(shí)代的要求。

隧道；礦山法；機(jī)械；施工機(jī)械化

0 引言

古語(yǔ)說得好：“工欲善其事，必先利其器”“巧婦難為無米之炊”，我國(guó)的隧道施工機(jī)械化，有賴于適應(yīng)隧道施工要求的施工機(jī)械裝備的開發(fā)和研制。在向“裝備強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)的今天，對(duì)隧道施工機(jī)械的開發(fā)和研制也應(yīng)該提到日程上來。

由于各種隧道施工機(jī)械的開發(fā)和發(fā)展，目前隧道的基本作業(yè)都已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但視各國(guó)的國(guó)情不同，機(jī)械化的程度有所不同。我國(guó)的現(xiàn)狀是缺乏專門研究和制造隧道施工機(jī)械的企業(yè)；隧道施工機(jī)械化的水平參差不齊；由于客觀原因一些大型施工機(jī)械得不到充分利用，甚至棄之不用；遇到施工難題沒有可以選擇的施工機(jī)械可以利用，制約了隧道施工機(jī)械化的發(fā)展。因此，提高隧道施工的機(jī)械化程度，大幅度縮短單項(xiàng)作業(yè)時(shí)間，發(fā)揮綜合機(jī)械化的威力,確?？焖偈┕ず凸こ藤|(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急。

在一般圍巖條件下，我國(guó)重點(diǎn)隧道的施工機(jī)械化水平，與國(guó)外相比，雖然有一定差距，但基本上能夠滿足施工要求，幾條作業(yè)線基本上能夠配套使用；而在不良圍巖條件下，機(jī)械化的差距特別突出。這也是我國(guó)亟待開發(fā)的領(lǐng)域。

一般來說，地質(zhì)條件差，圍巖的自支護(hù)能力就很弱，開挖后掌子面的自穩(wěn)時(shí)間很短，甚至開挖后就立即發(fā)生崩塌；因此，在這種圍巖條件下，就要采取“先支后挖”的對(duì)策。也就是說在開挖前對(duì)周邊圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高其自支護(hù)能力，避免開挖后產(chǎn)生過大的變形或崩塌。這種技術(shù)稱為預(yù)支護(hù)或圍巖補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，與之相適應(yīng)的施工機(jī)械的研制和開發(fā)必須提到日程上來。

目前，隧道施工講求一個(gè)“快”字，要求大力縮短單項(xiàng)作業(yè)的時(shí)間，提高作業(yè)效率，這也要求隧道施工機(jī)械能夠適應(yīng)“快”的要求，多功能的施工機(jī)械不斷涌現(xiàn)，就是一個(gè)證明。

在隧道施工機(jī)械化方面，如何發(fā)揮隧道施工機(jī)械的綜合能力，即所謂的配套能力，是非常重要的，必須針對(duì)其中的薄弱環(huán)節(jié)下功夫。

1 與圍巖補(bǔ)強(qiáng)或預(yù)支護(hù)相適應(yīng)的施工機(jī)械

圍巖補(bǔ)強(qiáng)或預(yù)支護(hù)技術(shù)，牽涉面較多，其中包括超前支護(hù)、拱腳下沉控制以及掌子面錨桿等，此處僅以應(yīng)用較多的長(zhǎng)鋼管超前支護(hù)、拱腳下沉控制重點(diǎn)做些說明，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見《軟弱圍巖隧道施工技術(shù)》[1]一書。

1.1 長(zhǎng)鋼管超前支護(hù)

長(zhǎng)鋼管超前支護(hù)，日本稱之為AGF(All Ground Fastening)工法，是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的支護(hù)方法(見圖1)。該方法是開挖前在掌子面前方沿隧道外周配置長(zhǎng)10～15 m的鋼管，形成拱形結(jié)構(gòu)。為使鋼管和圍巖形成一體，應(yīng)在其間充填水泥漿或其他注漿材料。

(a) 隧道橫斷面

(b) 隧道縱斷面

其在洞內(nèi)或洞外施工的概貌見圖2。

(a) 洞內(nèi)施工

(b) 洞口施工

多采用類似圖2的專用鉆機(jī)鉆孔并注漿，也有采用圖3所示的搭載在鉆孔臺(tái)架上的液壓鉆進(jìn)行鉆孔。

1.2 控制拱腳下沉的彎曲鉆機(jī)

隧道支護(hù)腳部的圍巖強(qiáng)度不足是引起隧道開挖地表下沉和隧道整體下沉的重要原因之一。作為控制支護(hù)腳部下沉的對(duì)策，我國(guó)基本上是采取鋼架下設(shè)置墊板、擴(kuò)大拱腳和打鎖腳錨桿(管)的方法。日本基本上是采用以腳部鋼管為代表的腳部補(bǔ)強(qiáng)樁；但在以往的對(duì)策中，因?yàn)槭窃谏习霐嗝骈_挖后進(jìn)行施工，其抑制初期下沉的效果比較差；因此開發(fā)出彎曲鉆機(jī)，預(yù)先在圍巖開挖前在預(yù)計(jì)設(shè)置鋼架的位置打支持樁，而后進(jìn)行開挖并架立鋼架，對(duì)控制腳部下沉的效果極佳。其概貌見圖4和圖5。

圖3 搭載在臺(tái)架上的液壓鑿巖機(jī)(單位：mm)

(a)

(b)

該鉆機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1)能夠進(jìn)行彎曲鉆孔，對(duì)掌子面前方腳部圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

2)采用彎曲干鉆鉆孔，施工不擾動(dòng)圍巖；

3)能夠形成φ500 mm、深3.5 m的大口徑、高強(qiáng)度樁體；

4)適應(yīng)地質(zhì)范圍廣，包括黏性土、砂質(zhì)、礫質(zhì)土、固結(jié)粉砂巖和泥巖等。

2 提高施工效率的施工機(jī)械

例如提高鉆孔效率的“排鉆”、型鋼鋼架架設(shè)機(jī)械、大容量噴混凝土機(jī)械等。

(a) 機(jī)械設(shè)計(jì)圖

(b) 機(jī)械全景

(c) 機(jī)械安裝現(xiàn)場(chǎng)

2.1 鉆孔機(jī)械

在大多數(shù)場(chǎng)合，我國(guó)鉆孔仍然處于手持式風(fēng)鉆的水平，一部分隧道采用了2臂或3臂鉆孔臺(tái)車，也引進(jìn)了微機(jī)控制的鉆孔臺(tái)車，但應(yīng)用效果不佳，甚至棄之不用。

為了滿足隧道大斷面開挖的要求，我國(guó)開發(fā)了多功能鉆孔臺(tái)架，可以在臺(tái)架上同時(shí)采用20臺(tái)手持式風(fēng)鉆鉆孔。這是不得已的辦法。

日本在新干線隧道、雙車道公路隧道，開挖面積在80～100 m2的上半斷面開挖中，多采用3～4臂臺(tái)車(3臂：1～2臺(tái))。最近因?yàn)殂@機(jī)性能的提高，多采用3臂臺(tái)車。而在超短臺(tái)階與全斷面法結(jié)合的方法中，3臂臺(tái)車已經(jīng)成為主流機(jī)型(見圖6)。為了能夠在超短臺(tái)階的全斷面法中從下部斷面直接進(jìn)行上部斷面的鉆孔，最近機(jī)型有了改進(jìn)，出現(xiàn)了上下4臂的鉆孔臺(tái)車(見圖7)。

圖6 最新的3臂鉆孔臺(tái)車

圖7 4臂鉆孔臺(tái)車

在大斷面開挖中，過去多是2臺(tái)3臂鉆孔臺(tái)車并用，在實(shí)際操作上多有不便，因此又開發(fā)出6臂鉆孔臺(tái)車(見圖8)，用1臺(tái)鉆孔臺(tái)車進(jìn)行全斷面鉆孔，大大縮短了鉆孔時(shí)間。

圖8 6臂鉆孔臺(tái)車(新干線鐵路隧道)

Fig.8 Six-boom drilling jumbo (used in Shinkansen.Railway Tunnel)

為減少超挖并提高鉆孔定位的準(zhǔn)確性，微機(jī)控制鉆孔臺(tái)車的使用愈來愈普遍。

隧道爆破通常采用光面爆破或控制爆破，特別是在采用預(yù)裂爆破的場(chǎng)合，要沿開挖輪廓開槽形成自由面，為此日本開發(fā)了所謂的“排鉆”(見圖9)，大大縮短了鉆孔時(shí)間，其鉆機(jī)概貌見圖10。此鉆機(jī)也可以用于預(yù)襯砌的施工。

圖9 多孔液壓鑿巖機(jī)(單位：mm)

圖10 帶2個(gè)4孔鑿巖臂的鉆孔臺(tái)車概貌

2.2 噴射機(jī)械

在大斷面隧道中，為滿足快速施工、縮短施工循環(huán)時(shí)間的要求，日本開發(fā)了重視早期強(qiáng)度形成的干噴、大容量、低粉塵的新型噴射系統(tǒng)SF-2(AL-285噴射機(jī)1臺(tái)，AL-306機(jī)械手2臺(tái))(見圖11)[2]。

(a)

(b)

本系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

有些企業(yè)在做企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)部審計(jì)的過程中，往往只對(duì)公司的財(cái)政收入和支出作出審計(jì)報(bào)告，只對(duì)財(cái)務(wù)方面的收支專況有所關(guān)注，而忽視了對(duì)業(yè)務(wù)領(lǐng)域及其信息系統(tǒng)上的拓展。

1)由于采用2臺(tái)噴射機(jī)，能夠進(jìn)行大容量(20～24 m3/h)噴射，噴射時(shí)間比過去縮短一半；

2)2臺(tái)噴射機(jī)設(shè)置在臺(tái)車中央側(cè)部，荷載平衡改善了走行性，而且縮短了材料管的長(zhǎng)度(比過去縮短一半)；

3)噴射機(jī)械手具有升降機(jī)構(gòu)，也能夠適應(yīng)超短臺(tái)階的噴射；

4)由于采用低粉塵干噴工法，因W/C小，早期強(qiáng)度形成快，特別是大涌水時(shí)也能用噴混凝土封堵。

無論哪一種都搭載了吐出量在20 m3/h以上的高能力噴射機(jī)，即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要給予適當(dāng)?shù)暮鸵仔?，就能進(jìn)行穩(wěn)定的噴射作業(yè)。噴射機(jī)械手，對(duì)應(yīng)上半斷面臺(tái)階法和超短臺(tái)階的全斷面法等開挖方法，包括掌子面正面、仰拱前方及下方的范圍內(nèi)都能噴射。實(shí)用的噴射機(jī)械，就要具備以快速施工為目的的大容量、高質(zhì)量有效噴射混凝土的能力。

通常，噴射作業(yè)為保證操作員的安全和衛(wèi)生環(huán)境，可通過遙控噴射機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)距離噴射。

(a) 長(zhǎng)臂噴射機(jī)(出碴前噴射)

(b) 普通噴射機(jī)(出碴后噴射)

Fig.12 Comparison of relax zone between long manipulator shotcrete machine and comment shotcrete machine

與普通噴射機(jī)相比，長(zhǎng)臂噴射機(jī)的噴射范圍達(dá)寬17.1 m、高13.1 m。圖14為伸展最長(zhǎng)的狀態(tài)，圖15和圖16為試驗(yàn)施工的概貌。

圖13 出碴與噴射平行作業(yè)示意圖

圖14 長(zhǎng)臂噴射機(jī)外貌

圖15 洞口噴射狀況

圖16 從碴堆后方噴射狀況

2.3 仰拱棧橋

在大多數(shù)情況下，仰拱或者與二次襯砌同時(shí)修筑，或者提前二次襯砌修筑，但后者的情況居多。為了不影響后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行，仰拱多采用仰拱棧橋修筑。為此，開發(fā)了各種構(gòu)造的仰拱棧橋。

圖17—19分別為日本采用的單跨、雙跨和三跨仰拱棧橋的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造。一般采用單跨仰拱棧橋較多。為了加快仰拱的修筑速度，可以采用雙跨或三跨仰拱棧橋。

圖17 單跨仰拱棧橋

圖18 雙跨仰拱棧橋

圖19 三跨仰拱棧橋

我國(guó)一些單位也相繼開發(fā)了仰拱棧橋，但都是單跨的。

3 充分發(fā)揮施工機(jī)械綜合能力的措施——施工機(jī)械的集約化發(fā)展

目前，在隧道內(nèi)可能采用的各種機(jī)械如圖20所示。

這些機(jī)械，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都是單獨(dú)應(yīng)用的，各自發(fā)揮其功能。所謂的配套，不外乎是把它們組合在一條線上，發(fā)揮相互支援的作用。

圖20 隧道可能采用的各種機(jī)械

Fig.20 Machines used in tunnel

目前的傾向是首先實(shí)現(xiàn)機(jī)械組合化(Tunnel Work Station，簡(jiǎn)稱TWS)，例如把鉆孔機(jī)械與噴射機(jī)(見圖21)、或與型鋼鋼架架設(shè)機(jī)(見圖22)等搭載在一個(gè)臺(tái)架上，同時(shí)進(jìn)行噴混凝土作業(yè)與架設(shè)型鋼鋼架作業(yè)，大大縮短循環(huán)作業(yè)時(shí)間[3]。

圖21 2臂TWS(新干線隧道爆破開挖用)

Fig.21 Double-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

圖22 4臂TWS(新干線隧道爆破開挖用)

Fig.22 Four-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

爆破后為了能夠迅速進(jìn)入下一循環(huán)，必須讓爆破后開挖工作面的環(huán)境保持良好狀態(tài)，為此進(jìn)行通風(fēng)和除塵是必要的作業(yè)。圖23是日本開發(fā)的移動(dòng)式的通風(fēng)除塵機(jī)，處理能力為2 000 m3/min，吸塵效率達(dá)90%，已在多座隧道施工中應(yīng)用，效果良好。圖24是一個(gè)移動(dòng)式的通風(fēng)除塵裝置。這2種方式，都是為了讓掌子面附近空間的空氣質(zhì)量快速達(dá)到要求后，迅速開始下一循環(huán)作業(yè)。

一般的隧道開挖是由專用的施工機(jī)械進(jìn)行鉆孔、爆破開挖(或者機(jī)械開挖)、出碴、噴射混凝土和打設(shè)錨桿等一系列作業(yè)組成的。這些作業(yè)及施工機(jī)械在隧道狹窄的作業(yè)環(huán)境下移動(dòng)、交替，由于受施工和安全性的制約，掘進(jìn)速度的提高是有限的。

近年來，為解決此問題，提高施工效率及掘進(jìn)速度，開發(fā)出以鉆孔臺(tái)車為基礎(chǔ)把各種專用施工機(jī)械組合成一個(gè)臺(tái)車的多功能型全斷面開挖機(jī)，日本稱為隧道機(jī)組工作站(Tunnel Work Station，簡(jiǎn)稱TWS)(見圖25)。

圖23 履帶式開挖面通風(fēng)除塵裝置

圖24 搭載在汽車上的開挖面通風(fēng)除塵裝置(單位:m)

(a)

(b)

圖26是以泥巖為主體的軟巖為對(duì)象，以早期閉合的快速施工為目的，由自由斷面掘進(jìn)機(jī)、鑿巖機(jī)、噴射機(jī)、全周模板和皮帶運(yùn)輸機(jī)等組成的機(jī)械開挖方式的全裝備型大斷面用TWS。

以凝灰角礫巖為主體的中硬巖隧道為對(duì)象，由鑿巖機(jī)、噴射機(jī)和鋼支撐架設(shè)機(jī)等組成能夠進(jìn)行爆破開挖及機(jī)械開挖的萬能型大斷面隧道用TWS。

(a) 側(cè)面

(b) 正面

(c) 全景

圖26 3臂TWS(高速公路隧道機(jī)械開挖用)

Fig.26 Triple-boom TWS used in highway tunnel

以花崗巖為主體的硬巖隧道為對(duì)象，由鑿巖機(jī)、噴射機(jī)等組成能夠進(jìn)行爆破開挖快速施工的大斷面隧道用TWS(見圖27)。

圖27 4臂TWS(高速公路隧道爆破開挖用)

Fig.27 Four-boom TWS used in blasting excavation of highway tunnel

以安山巖質(zhì)凝灰角礫巖為主體的軟巖隧道為對(duì)象，由鑿巖機(jī)、噴射機(jī)等組成的TWS和自由斷面掘進(jìn)機(jī)、通風(fēng)、變電設(shè)備用后方臺(tái)車組成的，適用于小斷面隧道的機(jī)械開挖的早期閉合、快速施工的系統(tǒng)。

采用TWS的最大目的是快速施工，與過去采用專用施工機(jī)械的方法相比，根據(jù)預(yù)算基準(zhǔn)值比較，在硬巖爆破開挖中，平均月進(jìn)尺與過去方式相比約提高45%；在軟巖機(jī)械開挖中，平均月進(jìn)尺與變更前方式相比約提高70%。

4 小結(jié)

此講的主要目的，是希望我國(guó)在隧道施工機(jī)械化上更向前推進(jìn)一步，雖然實(shí)施機(jī)械化施工會(huì)節(jié)省人力，不太符合國(guó)情，但一方面提高工人的技術(shù)素質(zhì)，一方面提高隧道施工機(jī)械化水平，仍然是一個(gè)不可忽視的問題。機(jī)械化或工廠化施工是大勢(shì)所趨，特別是在TBM法和盾構(gòu)法在我國(guó)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工廠化施工的情況下，礦山法隧道也應(yīng)該逐步向這個(gè)方向發(fā)展，這也是時(shí)代的要求。

[1] 關(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.(GUAN Baoshu,ZHAO Yong.Construction technology for weak rock tunnel[M].Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))

[2] 小島英鄕.長(zhǎng)大山岳トンネルにおける生產(chǎn)性向上への取組み[J].トンネルと地下,2016,47(7)：25-34.(Kojima Aigoh.Technologies for improving productivity in long and larger mountain-crossing tunnels[J].Tunnel and Underground,2016,47(7):25-34.(in Japanese))

[3] 長(zhǎng)谷部健司.トンネルワクステション(TWS)[J].建設(shè)機(jī)械，2011(1)：28-33.(Hasebe Kenji.TWS used in tunnel[J].Construction Machinery,2011(1):28-33.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method:Lecture XXI:Mechanization of Tunnel Construction

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The state-of-the-art of the mechanization of tunnel construction is presented.The problems,i.e.lack of professional researching and manufacturing company of tunnel construction equipment in China,unbalance of tunnel construction mechanization,inadequate use or abandon of some large-scale equipment and lack of feasible equipment for special projects,are pointed out.The construction mechanization level of some key tunnels in comment surrounding rocks in China can meet the construction requirements,and that of some tunnels in bad surrounding rocks varies much.The author suggests that the researching and manufacturing of construction equipments are very important for related pre-support technology.Some tunnel construction equipments used in Japan,including equipments related to surrounding rock strengthening or pre-support,i.e.steel pipe advance support dedicated drilling and grouting machines,hydraulic rock drilling jumbos and bending drilling machines,equipments which can improve construction efficiency,i.e.drilling machines and shotcrete machines,invert trestles (single span,double span and triple span) and intensive construction machines,i.e.multi-boom TWS for Tunnel Work Station and removable powerful ventilation fans,are introduced emphatically.It is very important to improve the tunnel construction mechanization level,shorten the construction schedule and guarantee the construction quality.The construction mechanizations of TBM method and shield method have been achieved and it should be also the trend for mining method.

tunnel; mining method; equipment; construction mechanization

2015-08-10

關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail:guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.001

U 45

A

1672-741X(2016)10-1163-08