隧道施工中的機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)

熊軍華

（中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北十堰 442013）

0 工程概況

新建浦城至梅州鐵路建寧至冠豸山段全線(xiàn)站前工程PM-2標(biāo)段正線(xiàn)起止里程為DK226+700～DK256+300，正線(xiàn)長(zhǎng)度28.352 km；建寧縣北站疏解線(xiàn)起止里程SJDK226+700～SJDK232+050，疏解線(xiàn)長(zhǎng)度5.341 km。主要工程內(nèi)容：改移道路、砍伐挖根、取棄土（渣）場(chǎng)防護(hù)；路基（含全線(xiàn)范圍內(nèi)的護(hù)輪軌，不含電纜槽）、橋涵（含PM-3標(biāo)范圍內(nèi)的T梁制架、T梁橋面系但不含電纜槽，全線(xiàn)范圍內(nèi)的護(hù)輪軌）、隧道及明洞（不含隧道照明）、無(wú)砟道床及全線(xiàn)彈性支承塊預(yù)制、軌道（含全線(xiàn)范圍內(nèi)的軌道但冠豸山站改DK203+631～DK206+150除外）；橋隧接地極和接觸網(wǎng)預(yù)埋件、聲屏障、隧道電纜溝槽（不含填砂）；隧道、路基、站場(chǎng)連通管道等站后接口工程；其他運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)設(shè)備及建筑物（不含給排水但隧道消防給水除外）、站臺(tái)面鋪裝、站臺(tái)雨棚、地道裝飾及附屬），大臨及過(guò)渡工程。

1 施工機(jī)械設(shè)備綜合配套原則

結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，強(qiáng)化設(shè)備之間的配合能力，確保滿(mǎn)足施工周期和施工質(zhì)量等方面的要求。在機(jī)械設(shè)備選擇過(guò)程中需要按照7個(gè)原則進(jìn)行：①在機(jī)械設(shè)備選擇過(guò)程中，需要考慮到施工規(guī)模、施工場(chǎng)地和施工距離等方面因素，確保設(shè)備生產(chǎn)能力符合施工要求；②機(jī)械設(shè)備在進(jìn)行選擇過(guò)程中，需要確保機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率，機(jī)械設(shè)備便于操作，容易檢修，具有一定的環(huán)保能力；③選擇國(guó)產(chǎn)機(jī)械設(shè)備。國(guó)產(chǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)和購(gòu)置費(fèi)等方面費(fèi)用較低，并且在配件采購(gòu)方面較為方便，并且售后服務(wù)較好；④在機(jī)械設(shè)備選擇過(guò)程中，需要選擇通用型機(jī)械，不到特殊情況下不得使用特殊類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備；⑤在進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的需求量計(jì)算時(shí)，需要突出重點(diǎn)問(wèn)題；⑥根據(jù)機(jī)械設(shè)備的功率和備用電源容量等進(jìn)行充分的考慮，確保機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，保證施工周期；⑦對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行分析，科學(xué)合理的布置機(jī)械設(shè)備的位置，并且對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理，及時(shí)調(diào)整設(shè)備位置，這樣才能保證機(jī)械設(shè)備的整體運(yùn)作能力符合要求[1]。

2 主要機(jī)械設(shè)備選擇

2.1 設(shè)備選擇考慮的因素

機(jī)械設(shè)備的選擇與隧道施工的質(zhì)量、安全和施工周期有著直接的關(guān)系。因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的選擇過(guò)程中，需要考慮4方面因素。

（1）施工方案。機(jī)械設(shè)備的選擇和施工方案有著直接的聯(lián)系。根據(jù)施工的地質(zhì)環(huán)境、施工周期等因素，采用比選的方式來(lái)確定出最佳的施工方案。在隧道施工過(guò)程中，采用傳統(tǒng)的鉆爆法來(lái)進(jìn)行操作，并且機(jī)械設(shè)備輔助操作，在洞內(nèi)采用無(wú)軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行物料的運(yùn)輸。在開(kāi)挖過(guò)程中，主要采用斷面法來(lái)進(jìn)行操作，局部采用短臺(tái)階法來(lái)進(jìn)行施工。洞內(nèi)采用有軌運(yùn)輸?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行操作。

（2）施工周期。一般來(lái)講，在施工過(guò)程中機(jī)械化程度越高，則工作效率也會(huì)提高。因此在施工周期要求比較嚴(yán)的條件下，施工單位需要選擇高質(zhì)量的機(jī)械設(shè)備，并且在數(shù)量上符合施工的各項(xiàng)要求。各類(lèi)機(jī)械設(shè)備需要相互配合進(jìn)行工作，避免出現(xiàn)設(shè)備閑置現(xiàn)象。

（3）隧道長(zhǎng)度。由于隧道較長(zhǎng)，在投入大量資金的同時(shí)，還要能夠適于大型機(jī)械設(shè)備的工作并且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于長(zhǎng)度較短的隧道，如果使用大量的機(jī)械設(shè)備也會(huì)造成投入的資金量較大，由于大型設(shè)備需要大量調(diào)遷費(fèi)用，不符合適用性的目的。從經(jīng)濟(jì)角度分析，施工單位需要根據(jù)隧道的規(guī)模來(lái)選擇機(jī)械設(shè)備的類(lèi)型并且要重視投入和產(chǎn)出之間的關(guān)系[2]。

（4）環(huán)保和職業(yè)健康的要求。由于隧道內(nèi)的空氣污染主要來(lái)源于爆破過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、顆粒和設(shè)備工作中產(chǎn)生的廢氣。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，洞內(nèi)的通風(fēng)距離長(zhǎng)，排煙工作存在較大難度。因此，需要最大限度地減少使用各種排煙較多的設(shè)備，需要選擇大功率設(shè)備，從而使洞內(nèi)的工作環(huán)境得到有效改善，確保施工人員的安全和健康。此外，在施工過(guò)程中，需要充分考慮設(shè)備的噪聲對(duì)人們產(chǎn)生的影響。

2.2 鑿巖機(jī)械選擇

在進(jìn)行鑿巖設(shè)備選擇過(guò)程中，需要充分考慮到巖石的特性、斷面大小、工程量等方面因素的影響。

（1）對(duì)鑿巖機(jī)械設(shè)備的數(shù)量進(jìn)行確定，從而才能有效確定出開(kāi)挖的尺寸，并按照式（1）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

式中 Ld——各循環(huán)鉆孔的總長(zhǎng)度

vd——鑿巖機(jī)實(shí)際生產(chǎn)效率

ΣLd—— —開(kāi)挖斷面的面積

T——開(kāi)挖循環(huán)作業(yè)需要耗費(fèi)的鑿巖時(shí)間

Tvd——各臺(tái)鑿巖機(jī)的作業(yè)面積

（2）鑿巖機(jī)械生產(chǎn)率，一般根據(jù)鑿巖機(jī)廠(chǎng)商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，見(jiàn)式（2）。

式中 Vd——鑿巖機(jī)械的實(shí)際鑿進(jìn)速度，m/min

φ——同時(shí)開(kāi)動(dòng)干擾系數(shù)

β——工作時(shí)間利用系數(shù)。φ和β兩值一般＜1，主要根據(jù)具體工作環(huán)境進(jìn)行確定，一般取值0.7～0.9

V0—— —純鉆速，m/min

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以選擇鑿巖設(shè)備，采用開(kāi)敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，主要適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定的隧道。在對(duì)其他地質(zhì)巖石進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要在護(hù)盾后安裝好護(hù)具。采用單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，由于其具有圓形的盾牌，能夠在設(shè)備掘進(jìn)時(shí)對(duì)安裝好的管片進(jìn)行保護(hù)。雙護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)，主要特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的支撐作用，能夠適用于各種類(lèi)型的施工地點(diǎn)。

2.3 裝巖與運(yùn)輸機(jī)械選擇

在進(jìn)行隧道施工過(guò)程中，主要采用3種方式來(lái)對(duì)物料進(jìn)行運(yùn)輸：無(wú)軌運(yùn)輸、有軌運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸。采用皮帶運(yùn)輸時(shí)，效率較低，并且不具有推廣性和實(shí)用性。無(wú)軌運(yùn)輸主要借助自卸車(chē)輛對(duì)物料進(jìn)行運(yùn)輸，適用于短隧道和大斷面隧道施工，特點(diǎn)是具有一定的靈活性，可以直接倒掉廢渣，缺點(diǎn)是隧道內(nèi)的尾氣較多，并且存在較大的污染和噪聲。有軌運(yùn)輸主要適用于長(zhǎng)隧道和小斷面隧道，并且能夠有效地減少隧道的損壞程度，但是在軌道鋪設(shè)時(shí)，需要投入大量資金。此外，由于施工管理工作較為復(fù)雜，并且軌道終端還需要借助汽車(chē)來(lái)對(duì)物料進(jìn)行再次運(yùn)輸。因此，可以應(yīng)根據(jù)隧道長(zhǎng)短和斷面大小來(lái)選擇最佳的物料運(yùn)輸方式，需要計(jì)算石渣量和機(jī)械生產(chǎn)率。石渣量用式（3）計(jì)算。

式中 Vm——每次開(kāi)挖循環(huán)松散石渣量

Vg—— —設(shè)計(jì)斷面開(kāi)挖量

Ke——石渣爆破松散系數(shù)

ΔS—— —允許超挖面積

L0—— —開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺

裝載機(jī)生產(chǎn)效率計(jì)算見(jiàn)式（4）。

式中 T——裝載機(jī)定斗容

K1—— —利用系數(shù)，＜1

Kf—— —裝載滿(mǎn)額系數(shù)，＜1

T——裝載循環(huán)時(shí)間

如果使用無(wú)軌運(yùn)輸，可利用相同的方式對(duì)汽車(chē)的自卸效率Pc進(jìn)行計(jì)算。使用式（4）可以將各個(gè)工作面需要的自卸汽車(chē)臺(tái)數(shù)計(jì)算出來(lái)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理工作進(jìn)行分析，有可能會(huì)存在運(yùn)輸意外、汽車(chē)維修等問(wèn)題。

2.4 輔助作業(yè)線(xiàn)施工機(jī)械

輔助線(xiàn)主要包含通風(fēng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等，能夠有效保證隧道的安全，確保施工順利進(jìn)行下去。

（1）通風(fēng)系統(tǒng)。在對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到隧道的長(zhǎng)度，并且需要確保在同一時(shí)間內(nèi)能夠疏散人群。對(duì)于里程較長(zhǎng)的隧道，可以選擇巷道式無(wú)風(fēng)門(mén)射流通風(fēng)技術(shù)，有可效地解決長(zhǎng)隧道中存在的各類(lèi)問(wèn)題。

（2）用電設(shè)備。根據(jù)系數(shù)法和最大負(fù)荷法計(jì)算出隧道所需要的最大用電負(fù)荷數(shù)值。隧道施工過(guò)程中，比如在野外可以采用洞外架設(shè)高壓變配中心，從變電站中引出1條線(xiàn)路到洞內(nèi)變壓器洞室，將其供給照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等。此外，在洞外需要設(shè)置2條線(xiàn)路用于生活用電和自備發(fā)電站。

（3）施工排水系統(tǒng)。由于隧道內(nèi)可能會(huì)存在積水現(xiàn)象，因此需要在洞內(nèi)配備有大功率設(shè)備。此外，如果是順坡施工，可以借助兩側(cè)水溝來(lái)對(duì)雨水等進(jìn)行排水。

3 結(jié)束語(yǔ)

在隧道工程施工過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備的選型和配套是影響施工質(zhì)量的一個(gè)重要因素，不僅對(duì)施工速度影響較大，而且對(duì)施工安全和施工效益也有較大的影響，所以要重點(diǎn)做好施工機(jī)械設(shè)備的選型工作。由于隧道施工多為地下工程，作業(yè)面比較窄，施工條件差，不同工序之間存在較大的干擾，特別是水工隧道、鐵路隧道等小斷面地下坑道作業(yè)時(shí)，更需要選擇專(zhuān)門(mén)的施工設(shè)備。本文所述工程，通過(guò)合理進(jìn)行機(jī)械設(shè)備選型以及科學(xué)化管理，施工工期較計(jì)劃工期縮短了7個(gè)月。工程的經(jīng)濟(jì)效益和工程施工質(zhì)量顯著提升，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到96%，沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備閑置浪費(fèi)的情況。

［1］周勝.大斷面富水黃土隧道開(kāi)挖方法優(yōu)選及設(shè)備配套研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

［2］張偉.基于雙臂鑿巖臺(tái)車(chē)的隧道施工設(shè)備配套及經(jīng)濟(jì)性研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.