多功能鉆機(jī)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用分析

蔡志山

（北京三一智造科技有限公司，昆山 215300）

隨著我國(guó)交通工程的規(guī)模增大，鐵路工程迅速崛起。隧道是鐵路建設(shè)中比較常見的工程，20 世紀(jì)60年代以來，鐵路隧道機(jī)械化施工水平有了很大提高，隧道的建設(shè)也給鐵路運(yùn)輸帶來了便捷[1]。隧道建設(shè)通常是為了縮短鐵路線路的距離、減小行駛坡度而采用的跨越山河或者山嶺的工程，該工程不僅可以提高火車行駛的安全性，還能節(jié)省鐵路建設(shè)的成本。

隧道建設(shè)過程中，只有熟練掌握地質(zhì)情況以及水文情況，才能提高隧道施工的準(zhǔn)確性。多功能鉆機(jī)是現(xiàn)階段鐵路隧道建設(shè)中常見的機(jī)械化設(shè)備，在隧道建設(shè)前期可以用它勘測(cè)地理位置信息，從而方便技術(shù)人員根據(jù)地形選擇不同的施工方法以及支護(hù)。該設(shè)備可以在勘測(cè)、測(cè)量以及設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提升施工人員工作效率的同時(shí)，還能帶來良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)我國(guó)鐵路建設(shè)發(fā)展。

1 隧道施工存在的施工風(fēng)險(xiǎn)

以往的經(jīng)驗(yàn)顯示，鐵路隧道建設(shè)過程中存在著很多不穩(wěn)定性，如果施工人員沒有提前對(duì)可能遭遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，很可能在施工過程中遇到危險(xiǎn)，這樣不僅影響鐵路隧道施工進(jìn)程，還會(huì)威脅到施工人員的生命安全[2]。因此，在隧道施工前期，施工人員就要根據(jù)實(shí)際工況分析影響隧道施工的相關(guān)氣候、環(huán)境、水文以及地巖等數(shù)據(jù)，并且做好防范措施，盡量降低鐵路隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)。鐵路隧道建設(shè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 外部因素帶來的鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)

影響鐵路隧道施工的外部因素在很多情況下是不可控制的，需要施工人員前期勘察才能確保安全施工。

1.1.1 工作面坍塌

工作面坍塌是鐵路隧道施工中常見的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在挖掘含水量較多的地段時(shí)，會(huì)出現(xiàn)涌水的現(xiàn)象。當(dāng)工作面出現(xiàn)大量涌水時(shí)，會(huì)減弱初級(jí)支護(hù)的防護(hù)作用，導(dǎo)致初級(jí)支護(hù)時(shí)間延后或使其結(jié)構(gòu)變形，從而給施工人員帶來安全隱患。

1.1.2 結(jié)構(gòu)坍塌

圍巖是鐵路隧道施工過程中的常見地段，如果圍巖地段缺乏一定的施工可操作性，隧道周邊的土體會(huì)因受到圍巖的影響而出現(xiàn)變形現(xiàn)象，從而給周圍的建筑物以及地面交通帶來不利影響。另外，在含水量較多的施工地段，需要人工填土來增加其強(qiáng)度，但是由于含水量較多，在人工挖掘的上層進(jìn)行填土?xí)r，很可能降低土層的穩(wěn)定性，因此需要根據(jù)實(shí)際施工條件確定合適的施工方案。

1.2 人為因素帶來的鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)

除了外力因素以外，影響鐵路隧道施工的還有人為因素。在鐵路隧道施工建設(shè)中，人為管理和控制對(duì)鐵路隧道建設(shè)起著決定性作用，除此之外，施工人員的專業(yè)知識(shí)以及施工水平都會(huì)影響鐵路隧道的建設(shè)[3]。人為因素對(duì)鐵路隧道施工的影響主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

1.2.1 施工設(shè)計(jì)方案

鐵路隧道施工不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工程，需要施工人員在前期認(rèn)真勘察，掌握一定的數(shù)據(jù)以后進(jìn)行分析，然后才能制定相關(guān)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案是隧道施工的基礎(chǔ)，如果設(shè)計(jì)方案存在不合理現(xiàn)象，如因缺乏施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而使得相關(guān)技術(shù)不能達(dá)到可施工的標(biāo)準(zhǔn)等，都會(huì)給整個(gè)施工階段帶來安全隱患。另外，如果施工人員設(shè)計(jì)的施工方案脫離實(shí)際，未結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，也會(huì)導(dǎo)致方案設(shè)計(jì)不能滿足隧道建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而在施工時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

1.2.2 施工人員操作不規(guī)范

施工操作不規(guī)范是鐵路隧道施工中的常見風(fēng)險(xiǎn)。鐵路隧道施工對(duì)于施工技術(shù)和水平要求較高，如果施工人員未能按照施工方案的要求進(jìn)行操作，將會(huì)導(dǎo)致施工成果與初期設(shè)計(jì)不符，這樣不僅會(huì)降低鐵路隧道施工的質(zhì)量，還會(huì)增加建設(shè)成本、延誤工期。

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)管理過于表面

安全風(fēng)險(xiǎn)管理流于形式也是導(dǎo)致鐵路隧道施工產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。在鐵路隧道施工時(shí)，若管理人員沒有將風(fēng)險(xiǎn)管理工作落到實(shí)處，只是采取口頭表述的方式，把風(fēng)險(xiǎn)管理流于形式，將會(huì)降低施工人員的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，在發(fā)生緊急事故時(shí)，不能采取有效的處理措施，從而造成安全事故，進(jìn)而影響整體施工質(zhì)量和進(jìn)度。

1.2.4 缺乏科學(xué)的圍巖測(cè)量手段

圍巖測(cè)量手段落后以及執(zhí)行不規(guī)范都會(huì)降低測(cè)量圍巖數(shù)據(jù)的效率。在施工時(shí)，施工人員不能及時(shí)掌握圍巖的具體數(shù)據(jù)，無疑是給施工埋下了安全隱患，一旦在施工時(shí)圍巖遭到破壞，就有可能造成較大的施工事故。另外，圍巖在施工過程中有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，如常見的坍塌等事故，這不僅會(huì)影響鐵路隧道施工的進(jìn)度，還會(huì)給施工人員的生命安全帶來不利影響。

2 隧道施工過程中多功能鉆機(jī)的具體應(yīng)用

2.1 超前地質(zhì)鉆探

多功能鉆機(jī)是鐵路隧道建設(shè)中常見的機(jī)械設(shè)備，為我國(guó)的鐵路隧道建設(shè)提供了技術(shù)支持。超前地質(zhì)鉆探是多功能鉆機(jī)中的主要功能之一，該功能也稱作隨鉆測(cè)量（Measure While Drilling，MWD）探測(cè)法[4]。鐵路施工前期的地質(zhì)勘測(cè)非常重要，可以預(yù)先掌握施工中存在的安全隱患，MWD 探測(cè)法不僅可以實(shí)現(xiàn)這一功能，而且其施工技巧更科學(xué)、系統(tǒng)，其工作原理是鉆機(jī)在對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行鉆孔過程中可以根據(jù)采集到的地質(zhì)情況數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)詳細(xì)的分析，從而準(zhǔn)確探測(cè)到施工地段的風(fēng)險(xiǎn)，如探測(cè)地質(zhì)的松軟程度、該地段是否有涌水的現(xiàn)象等，以便于工作人員盡早掌握風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，避免施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)用MWD 探測(cè)功能具有預(yù)先評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)，其利用現(xiàn)代化信息技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，在自動(dòng)采集裝置分析相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)產(chǎn)生曲線圖標(biāo)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)械設(shè)備的顯示器上。施工人員可以根據(jù)顯示器上的圖標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)工作，若發(fā)現(xiàn)施工異常，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工方案。

在進(jìn)行鉆孔時(shí)，施工人員可以隨時(shí)保存顯示器上的數(shù)據(jù)，方便后期查詢相關(guān)數(shù)據(jù)或?qū)﹁F路隧道進(jìn)行研究分析等工作。施工過程中，若涌水量較大會(huì)對(duì)施工人員的安全有不利影響，因此在施工過程中需要引起警惕，施工人員在操作時(shí)需要注意根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及時(shí)掌握地下水的情況，以免因出現(xiàn)涌水現(xiàn)象而影響施工質(zhì)量。

2.2 鋼絲繩取芯法

地質(zhì)取芯是分析地質(zhì)情況最直觀有效的方式，能夠?yàn)槭┕し桨柑峁?zhǔn)確的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。鋼絲繩取芯法是地質(zhì)取芯中的常見方法，在應(yīng)用這種方法時(shí)，不需要拔出鉆桿，只需憑借取芯器就可以完成。在鉆取地質(zhì)樣本時(shí)，鉆桿順著施工地段以垂直或者水平的方式快速鉆取，降低了工作人員鉆孔時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以有效提升鐵路隧道施工的效率。該方法相對(duì)應(yīng)的工作流程為：對(duì)巖石進(jìn)行預(yù)鉆孔→連接鋼絲繩的轉(zhuǎn)換器→連接取芯打撈器→利用水壓向打撈器進(jìn)行壓送→回收取芯器→和交換用取芯器連接→壓送取芯器→連接鉆桿→進(jìn)行鉆孔工作。這種方法在施工時(shí)運(yùn)用鋼絲繩、取芯器以及轉(zhuǎn)換器等配置，可以有效提升隧道鉆孔取芯的效率。

2.3 超前帷幕注漿堵水作業(yè)

超前帷幕注漿堵水作業(yè)的注漿過程需要用到相關(guān)的設(shè)備，如鉆注一體機(jī)、注漿泵以及注漿機(jī)等，這些設(shè)備是注漿堵水作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，如果在施工過程中缺少一項(xiàng)，就會(huì)導(dǎo)致注漿的過程中斷，從而給隧道建設(shè)帶來不利影響。注漿堵水是一項(xiàng)對(duì)工藝要求較高的工作，該工藝中的注漿是整個(gè)工作流程中的重點(diǎn)工作，需要用到多功能鉆機(jī)來實(shí)現(xiàn)套管注漿以及單管注漿。注漿堵水的施工過程比較簡(jiǎn)單，不僅可以提升鐵路施工的效率，還能降低施工成本，是目前隧道施工中比較常用的方式，可以為鐵路建設(shè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。注漿的所需材料一般包括普通水泥、水玻璃雙漿液、硫鋁酸鹽水泥單漿液等，注漿施工方法也包含多種工藝，在注漿方式的選擇上要根據(jù)不同的地段采取不同的注漿方式，才能發(fā)揮注漿的價(jià)值和作用，一般將注漿堵水的工作方法分為3 種：第一，針對(duì)圍巖比較完整或者碎石較少的情況可以使用孔口注漿方法；第二，如果遇到水壓較大的情況一般采取前進(jìn)分段的注漿施工方式；第三，針對(duì)圍巖破損程度嚴(yán)重或者水壓較小的情況一般采取后退式分段注漿施工方式。多功能鉆機(jī)內(nèi)部通常設(shè)置有單向閥以及防突裝置，在鐵路隧道施工時(shí)難免會(huì)遇到涌水的現(xiàn)象，防突設(shè)置可以有效避免涌水現(xiàn)象的產(chǎn)生。另外，為了避免高壓水通過系統(tǒng)空間進(jìn)入施工環(huán)境，一般在鉆機(jī)上會(huì)設(shè)置防水閥或者密封裝置，需要注意的是鉆機(jī)上的止水裝置還是要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況而設(shè)置，便于止水裝置發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.4 管棚施工

多功能鉆機(jī)有套管的功能，這一項(xiàng)功能通常運(yùn)用在管棚施工中，在鉆孔時(shí)為了防止孔壁坍塌一般先不拔出鉆桿，而是等套管鉆進(jìn)去以后再撤出內(nèi)桿，之后再插入杠桿將外桿拔出。在比較松軟的地層施工時(shí)，對(duì)于土層的鉆孔工作需要運(yùn)用到邁式管棚桿來實(shí)現(xiàn)[5]。根據(jù)以往的鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，多功能鉆機(jī)可以有效解決管棚鉆孔困難的問題，如當(dāng)遇到采空區(qū)內(nèi)部大多數(shù)為松散渣體的情況時(shí)，普通的鉆機(jī)根本達(dá)不到鉆孔的強(qiáng)度要求，很難實(shí)現(xiàn)鉆孔的工作，而且由于巖體松散，也很難安裝管棚，此時(shí)就需要用到多功能鉆孔機(jī)來完成相關(guān)工作，以達(dá)到降低鉆孔的難度、提高工作效率的目的。

3 結(jié)語

目前，我國(guó)鐵路建設(shè)還在不斷進(jìn)步和發(fā)展，更多的建設(shè)技術(shù)和機(jī)械設(shè)備也在不斷引入我國(guó)鐵路建設(shè)中，給鐵路隧道建設(shè)提供技術(shù)支持。鐵路隧道建設(shè)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，其中存在很多風(fēng)險(xiǎn)，主要有外力因素，如坍塌、涌水等風(fēng)險(xiǎn)問題，還有一定的人力因素，主要體現(xiàn)在施工人員的專業(yè)素質(zhì)、操作流程、方案設(shè)計(jì)等方面，這些因素都會(huì)影響施工進(jìn)度和生命安全。因此，施工人員要做好前期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，盡量避免施工時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，充分利用多功能鉆機(jī)的功能來探測(cè)地質(zhì)情況，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)施工異常情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而達(dá)到提高工作效率，保證施工人員生命安全的目的。