丁军彦

（中铁隧道局集团建设有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

随着科学技术的高速发展，我国铁路隧道施工技术水平不断提升，但隧道机械化程度仍处于早期发展阶段，存在较大的发展空间。需要从发达国家中吸取优秀技术经验，整合各种技术资料，在施工作业过程中进行适当改进，提高机械化施工效率和建筑工程质量，为我国的铁路隧道施工提供支持。

1 我国铁路隧道机械化施工现阶段存在的问题

1.1 快速施工技术体系问题

在铁路隧道工程中最基础的机械化施工方法便是钻爆法，但这种方法仍然存在着许多问题，例如：变形处理、施工安全等。对于不同铁路隧道工程，在施工进度方面也会存在一定差异，若是施工队采取的施工方式不当，就会在施工中造成严重的环境破坏问题，不利于后续施工作业的顺利开展。

1.2 设备生产体系不成熟

在铁路隧道的建设过程中，需要做好机械化设备的相关配套，提高铁路隧道的施工水平，但是机械化设备应用也存在许多的问题。机械设备大多数作业环境位于岩石相对稳定的位置，对施工环境和地形地质要求较高。我国的机械设备生产体系还未建立一套完善的体系，一旦施工设备出现问题，会耗费大量的人力、物力进行维修养护，导致施工的整体进度延后，不利于隧道工程的正常开展[1]。

2 铁路隧道机械化施工设备配套技术

2.1 超前地质预报

对于隧道工程的施工来说，机械化施工设备主要应用在岩石比较稳定的施工环境，如果机械设备出现在不良的地质环境条件下，就会对施工质量和施工效率产生影响，因此必须借助超前地质预报对隧道的地质情况进行检测，包括岩溶、涌水等。在实际检测过程中最常用的几个手段为：水平超前地质预报钻机、TSP 超前地质预报系统等，主要探测的区域为30±5 m 的范围，或者位于[100，200]m 间的范围，详细了解这些区域的水文地质数据。根据预报划分两种系统：长距离预报和中短距离预测，其中前者主要为TSP 超前地质预报系统，这种系统通过先进技术对不同地层地震波产生的反射特性来判断地质情况；地质雷达设备可以通过高频电磁波技术探测地质环境的水文地质情况[2]。

2.2 隧道开挖作业线

2.2.1 钻爆法施工

钻爆法中使用频率较高的设备主要有三臂凿岩车、风动凿岩机两种，前者主要通过电气液压进行自动化调整，能保证定位数据的精准性；后者在钻孔方面有较低的精度。与风动凿岩机相比，三臂凿岩车有较大的自动化性能，还能长距离钻探施工，可以与下一道工序支护共同结合完成作业。与传统的人工钻爆风枪作业相比，三臂凿岩台车在功能性、安全、进度等方面具有较大的优势，如表1 所示。三臂凿岩台车能实现超前水平钻孔以及快速锚杆等功能，与传统人工作业方式相比，在进度上达到每循环1.5～2 h。传统人工方式需要的作业人员为24人，需要佩戴安全帽；三臂凿岩台车仅仅需要3～6人，操作位置位于驾驶室，后者的能耗远低于传统人工方式，仅为400 kW。相比产生较大粉尘和噪声的传统手段，三壁凿岩台车更加环保。这种方案有效解决了传统人工作业的安全风险，缩短了作业时间并减少操作人员的数量，大大降低能源消耗。三臂凿岩车有较高的效率以及较大的经济价值和环境价值，被广泛应用于铁路隧道施工开挖中。施工单位在开展工作时，分配、记录相关工程使用的具体设备时，剔除凿岩设备，并将自制式、多功能的台车应用到该工程项目中，作业平台主要分为三层，对于钻眼、光面爆破开发施工，需要根据围岩的实际情况选择合适的数量的凿岩机进行施工[3]。

表1 三臂凿岩台车与传统人工钻爆风枪对比

某隧道工程的实际情况如下：该隧道地址较远，与周边公路相距甚远，进出口施工难度较大，须修建施工便道，以该隧道的某段为例，右线里程总长为2 966 m，包含明洞6 m；左线里程3 015 m，包含明洞8 m，其中右线和左线均含有大量Ⅲ级以上的围岩，在隧道进出口规划的形式为端墙式洞门，进出口线间距设置为32 m、30 m。该隧道工程采用的机械设备为全电脑SYS113 型三臂凿岩车，为了提高施工效率和保障施工安全，采取联合作业的方案，再辅助锚杆钻孔设备。在三臂凿岩车的设备上安装相应数量的工作篮，可以满足对于装填炸药的需求，安排2 位作业人员进行轮流操作施工，避免疲劳驾驶发生安全事故，保证施工人员的安全。在实际施工作业中，钻进单孔的时间为2 min，钻进深度为4.5 m，根据作业需要，总共需要钻取的孔洞数量大约为200 个，消耗18 箱炸药，为了做好施工人员的安全保护措施，提高施工的整体效率，还需要安装相应的锚杆系统，如：超前锚杆、系统锚杆等。

2.2.2 全断面硬岩掘进施工

全断面硬岩掘进施工主要分为护盾式掘进和开敞式硬岩掘进两种施工方式，前者大多数应用于地层比较破碎的施工作业环境；后者大多数应用于地层比较稳定以及有着硬岩的环境。护盾式掘进的设备主要分为单护盾式和双护盾式，前者的护盾方式主要由设备管片的推进缸提供掘进行动的支反力。双盾式的掘进机主要在前后的装置上安装了2 个护盾，支撑靴安装在护盾上，支撑着环境中的岩层，在不良的施工环境中发挥较高的作用。在水文地质情况较为恶劣的环境，采用双护盾式掘进机高效作业，相比于单护盾式掘进速度较快，能适应不良的作业环境。主要是护盾式掘进机安装了管片，与单护盾式作业方式相同，由管片提供支反力，同时掘进作业，被广泛应用于铁路隧道的掘进作业中[4]。

2.3 隧道出渣作业线

出渣作业的主要作业工序包括扒渣、装渣、运渣和卸渣等，在实际作业过程中，施工人员操作挖掘机在施工现场进行扒渣施工，配备三台的ZLC50E 侧卸式机在工业区中进行装渣，一台用以备用方案，以防装渣机械设备出现损坏，一台用以辅助作业。对于运渣这一过程，主要采用有轨和无轨的运输车进行废渣的运输，有轨式出渣的方式主要在隧道内部安装相应的轨道，采用拖斗车进行出渣作业，这种方式较为环保，不会产生严重的噪声污染和废气，铺设的轨道也可用以二次衬砌施工，但施工成本较高、管理工序比较复杂，无轨式出渣方式主要采用自卸汽车开进隧道，一般为大吨位的汽车，开进隧道的自卸汽车直接带走废渣，根据隧道工程的开挖情况合理安排足够数量的自卸车，当运输距离逐渐增加时，管理人员需要增加装卸车数量，这种方式有灵活性，但产生较为严重的噪声污染和废气。不同的隧道长度不一、轮廓大小也不相同，需要根据实际情况合理选择适合的出渣方式。

2.4 喷锚作业线

喷锚支护主要采用高强金属锚杆钻进岩层中，并安装上相应的钢筋网架，采用高压喷射混凝土的方式以提高隧道工程的初期阶段的支护质量，根据工程的情况合理选择喷锚支护设备，保障喷锚工艺质量。喷锚支护施工主要设备分为混凝土喷射机、混凝土泵送机和空气压缩机等，传统的混凝土喷射机施工产生较大的粉尘污染，已经不符合当下的施工要求，已逐渐被其他混凝土喷射机取代。新型的机械混凝土喷射机主要分为空气压缩的气动型和液体压缩的泵送型机械设备[5]。

在实际的作业过程中，喷锚作业环节分为前期准备、初喷、锚杆孔放样、钻孔、安装、挂设、二次喷、养护等工序。施工流程主要采用机械方式和人工方式相结合，采用机械凿岩钻机对隧道进行锚杆孔的钻取，并以人工的方式开展安装和注浆工作。在混凝土的喷射过程中，施工人员主要采用PM500 型喷浆机械手开展混凝土喷射工作，按照具体的施工要求喷射一定厚度的混凝土，在安全距离内进行喷射作业，保证施工人员的安全，通过遥控手柄对喷射机进行操纵，全方位旋转能保证喷射宽度为15 m 左右，回弹率控制范围应低于10%，相比普通的湿喷机效率较高。在隧道喷锚作业施工中，采用湿喷机械手作业，一方面可以提高施工效率，减少施工成本，另一方面可避免安全事故的发生，有效解决围岩偏差或者浅埋偏压的问题。

2.5 二次衬砌作业线

2.5.1 拱墙衬砌施工

在衬砌作业的施工过程中，施工人员需要安排相应的施工设备为混凝土输送泵、罐车和二衬模板台车等。由表2 可知，拱墙衬砌施工主要采用长度为12 m 的液压式整体钢模衬砌台车进行施工作业，在进出口区各配置1台，选择混凝土输送车则需要安排进、出口区各4 台，自动计量搅拌机、混凝土输送泵则配置各区2 台。以往的二衬施工作业大多采用传统木模板对二衬端头进行支模的方式，为了提高施工效率，并保证施工质量，采用组合钢模板端头代替木模板端头后，在两块模板之间安装止水带，露出一半止水带在外面，另一半埋于其中。这种方式安装方式较为简单，也便于拆卸，只要拆除掉组合钢模板和相应的螺栓，便可完成拆除工作，且成型的混凝土外观质量高。实际衬砌作业还会受到其他因素的影响，可以根据实际情况适当移动组合钢模板端头，通常距离为5 cm，对于可以加厚的衬砌位置，还可以采用其他的钢端头进行替换。

表2 进、出口工区的施工设备配套表

2.5.2 综合洞室施工

为了顺利在隧道工程中开展机械化施工，必须提高综合洞室的施工水平，传统的钢拱架背贴钢模板衬砌施工方式已经不符合机械化施工要求，采用整体式衬砌方案取代传统的方式，并根据洞室的具体形状进行合理设计。这种方式操作方式更为简单，有一定的安装精度和定位速度，有效避免施工出现跑模，相比传统的施工手段，这种方式也尽量避免了二次修补的问题。当完成洞室混凝土浇筑环节后，获得表面较为平整、密实的效果。

2.5.3 水沟电缆槽施工

在隧道水沟电缆槽的施工作业过程中，采用整体式水沟电缆槽台车，将大面积的大块定型钢模应用于隧道作业过程中，降低模板作业的任务量。出于对人为因素引起施工质量问题的考虑，通过液压系统固定钢模板，以免影响模板的施工质量。完成好钢模板的固定工序后，可进行浇筑作业，一次成型。此外，采用液压方式进行整体脱模、就位，可减少传统拆装的次数，提高了施工效率，减少了人力物力的消耗。这种操作方式也简单高效，有一定的环保价值，与传统方法相比，可有效降低施工成本。

2.6 隧道辅助施工

在铁路隧道的施工作业过程中，辅助作业作为机械设备配套的主要内容，对施工质量起着重要的保障作用，尤其是解决通风、供风问题，如果无法合理配置，会影响施工作业的效果。

根据施工人员的测量数据得知，风动凿岩机的耗风量约为3.5 m³/min，22 台凿岩机组合在一起将耗费大约为77 m³/min 的风量，需要解决高压风产生的问题。为了满足作业的施工要求，随着耗风量的不断增加，隧道内部的管道也需要不断加长，每个工区需要配备适当半径的主风管（如：219 mm），并根据工程情况合理安排数量的压空机。

对隧道内部的实际情况进行测算，计算得出工程总需风量为77 m³/min，但在实际施工环节中，总需风量当作最大值对风量进行有效控制，并针对漏风情况、管道距离、压力损失等情况进行估算，距离掌子面1 000 m 范围内，估算设备所供的风量约为115.5 m³/min，风压维持在0.6 MPa 左右。因此，在施工过程中，根据计算的结果选取合适型号的通风机。

3 结束语

铁路隧道的施工环境大多数较恶劣，存在较大的安全隐患，因此需要配备大量的机械设备，提高施工效率和施工质量。随着我国技术水平的不断提升，新型的机械化设备必将取代传统的人工方式，加强对铁路隧道机械设备配套技术的研究，构建一套完整的机械化施工体系，实现便捷、自动化、智能化的操作，有效提升作业效率，缩短作业工期，保障铁路隧道施工的整体质量。