铁路长大隧道的机械化配套施工探讨

福州至平潭铁路有限责任公司 张 斌



铁路长大隧道的机械化配套施工探讨

福州至平潭铁路有限责任公司 张 斌

在我国铁路建设中，特长隧道、穿江过河隧道、穿越地质复杂区域隧道占有一定比例，解决好隧道的建设问题是搞好铁路建设的关键问题之一。但随着建筑市场规模的迅速扩大，面对复杂的地质条件和建设标准的不断提高，过去那种粗放型施工管理模式，与铁路大规模建设的形势不相适应。正是在这样的背景下，一种新的管理模式——机械化配套作业成为大规模客专建设行业新的选择和契机。该文通过介绍渝利铁路长洪岭隧道采用机械化配套施工的成功案例，为今后铁路长大隧道工程的机械化配套施工提供借鉴和参考。

隧道施工 机械化 设备配套

按照《中长期铁路网规划》和《铁路“十二五”规划》，到2015年，中国铁路营业里程将达到120000公里左右，其中快速客运网总规模达到45000公里左右。今后几年，我国还将要修建约5000公里的铁路隧道，其中特长隧道、穿江过河隧道、穿越地质复杂区域隧道占有一定比例，解决好隧道的建设问题是搞好铁路建设的关键问题之一。长期以来，出于成本等考虑，我国建筑施工企业在隧道施工中大量使用农民工施工，这为广大农村劳动者提供了大量就业机会，同时推动了建筑业的发展。但是，随着建筑市场规模的迅速扩大、地质条件的复杂和建设标准的不断提高，大量使用农民工的弊端就逐渐显露出来：广大农民工专项施工技术水平普遍不高，虽然施工企业对他们进行了系统的技术培训，但农民工专业技术还是不能满足高质量建筑的要求。随着和谐铁路建设深入展开，这种粗放型的施工管理模式与铁路大规模建设的形势不相适应。正是在这样的背景下，一种新的管理模式——机械化配套作业成为大规模客专建设行业新的选择和契机。截至2009年底，我国建成的铁路隧道总长度已经超过7000公里，在建铁路隧道总长度已超过5000公里，即将开工和规划建设的隧道总长度超过5000公里，到2012年，我国建成通车的铁路隧道总数量将突破1万座，总长度将突破12000公里。我国铁路隧道建设的总量已经远远超过世界其他国家。但是我国铁路软岩隧道施工的快速修建设备配套技术水平、施工装备及国产化仍处于隧道施工机械化初期，整体技术仍较落后。主要表现在：

——以钻爆法为基础的机械化快速施工技术体系尚未完成，在机械化作业线设备配套技术、环境控制、施工安全与风险控制、岩溶高压水、大变形治理等方面，许多设备配套关键技术难题尚未取得突破，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。

——以钻爆法为基础的机械化设备配套在硬岩或围岩稳定性较好的条件下才能实现快速施工，而且作业线的主要设备大多从国外引进，自主开发的品种少、质量较差、故障较多，主要技术性能参数与铁路隧道现有施工条件不匹配。设备国产化程度低，因而影响作业效率，难以形成先进的机械化作业线。特别是开挖出砟、喷锚、支护、二次混凝土衬砌等工序，设备国产化程度低，制约了全行业整体技术的全面发展和进步。

——对于软岩和土质隧道，大多数仍采用人工作业，工序循环时间长，围岩扰动大，安全风险高，支护困难，进度缓慢，造成软岩隧道既不能快速施工，也不能形成机械化作业。

本文结合渝利铁路长洪岭隧道采用机械化配套施工的成功案例，为今后铁路长大隧道工程的机械化配套施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

长洪岭隧道是渝利铁路全线的第二长隧，全长13294m，为单洞双线隧道，洞门为台阶式洞门。隧道进口里程DK170+300，位于龙河镇柏木园村，洞口位于省道江马路附近，交通条件较好。隧道进口段位于直线上，洞内纵坡为单面上坡，DK170+300～DK171+500坡度为4‰，DK171+ 500～DK175坡度为15.5‰。隧道围岩以Ⅲ级为主，洞口浅埋段为Ⅴ级、Ⅳ级围岩。

2 机械化配套施工情况

一是根据施工总体计划和施工要求，确定机械设备需求计划；二是在满足总进度计划前提下，充分合理利用施工机械，对设备资源进行调整和优化；三是合理选择主导机械，力求组合机械施工最佳匹配。在隧道施工前期，我们引进水平地质钻机和三臂凿岩台车，陆续进场混凝土机械手、自行式移动栈桥、自卸汽车及挖掘机、装载机、液压模板台车、混凝土输送车等，形成施工设备重点配置，地质预报、超前支护及围岩注浆等辅助设备最佳配置，实现平行作业。其中采用机械化配套作业计划施工段长度约4700m，为保证工程总工期，项目部将机械化配套工作作为施工重点来组织，隧道开挖配备2台先进的汤姆洛克凿岩台车进行全断面开挖施工，装载机配合自卸汽车进行出碴；初期支护采用砼机械手湿喷工艺，对开挖的掌子面及时进行封闭；仰拱作业采用液压移动栈桥进行全断面开挖施工；隧道衬砌作业采用12米长液压模板台车、砼运输车以及砼输送泵进行全断面衬砌。

2.1 熟练运用凿岩台车进行开挖

2.1.1改善工人作业环境，体现以人为本

在机械化配套方案中，隧道开挖使用凿岩台车代替了传统的人工风钻，人工开挖采用高压风作动力，作业时，风钻数量投入多达20～30把，对开挖面周围的空气污染很大，开挖面周围的空气状态越来越差，同时风钻产生高分贝的噪音，对施工人员的身体健康和施工安全造成极大的威胁，可能导致矽肺病、耳朵听力下降等疾病；凿岩台车开挖采用电力作动力，不产生粉尘，对空气状况改变不大，清洁无污染，仅有一定量的噪音，与风钻相比，噪音比较小，同时操作人员可戴上防噪音弹性耳塞，可大大减少噪音对人体的伤害。

2.1.2提高工人作业安全系数，体现生命至上

采用人工风钻开挖，司钻工离掌子面只有几米远，风钻开挖时冲击振动岩面，如果隧道掌子面岩层自稳性较差，易造成隧道拱部产生落石，人员逃脱不及时极易受到伤害；在机械化配套中，采用凿岩台车开挖，操作人员在固定的操作台上操作钻机，离掌子面有十几米远，且操作平台上面有安全顶棚保证人员安全，可防止落石伤人，安全性能较高。

2.1.3加快循环施工进度，体现效率至上

采用人工风钻开挖，除噪音高、粉尘大等缺点外，循环作业时间长也是制约施工进度的重要原因，人工风钻开挖从测量、打钻到响炮一个循环需要4.5个小时；采用凿岩台车开挖，钻一个孔的时间为1～2分钟，隧道整个断面打眼一般在2个小时内完成，从测量、打眼、装药到响炮一个循环需要大约3个小时，每个开挖循环可以节省1.5个小时，从而有效缩短工序时间，大大提高隧道开挖施工进度。

2.2 成功运用砼机械手进行湿喷

长洪岭隧道进口在施工初期采用小型湿喷机具进行喷混凝土施工，但在施工过程中发现采用小型湿喷机施工存在环境污染指数高、外加剂掺量不准、存在施工盲区、施工进度缓慢等问题，无法满足渝利铁路施工的要求。

根据以往工程的施工经验，同时借鉴国外隧道喷射施工的先进经验，在长洪岭隧道进口引进Sika-PM500PC湿喷机械手，该湿喷机械手为西班牙制造，机械造价约400万元（人民币）。

Sika-PM500PC湿喷机在长洪岭隧道应用中的成果有：

(1)施工安全方面

采用Sika-PM500PC湿喷机进行喷锚施工，保证施工人员与机械处于已经完成初期支护的地段。

采用普通湿喷机进行施工时，人员与湿喷机械均要在尚未进行支护的围岩下面进行施工，施工人员安全难以保证。

采用Sika-PM500PC湿喷机施工时，作业人员对湿喷机进行遥控控制，作业人员可站在已完成初期支护的位置，相比普通湿喷机的安全性有很大的提高；

Sika-PM500PC湿喷机采用机械手伸缩到掌子面进行施工，机器本身停留在已经完成初期支护的地段，即使掌子面出现塌方也不会威胁到机器本身。

(2)施工质量方面

采用Sika-PM500PC湿喷机施工的混凝土内实外美。Sika-PM500PC湿喷机施工的喷混凝土表面平整，无明显坑洼；喷混凝土能够实现无间断连续施工，混凝土强度能够保证；Sika-PM500PC湿喷机配有液态添加剂计量输送装置AL-403.5，能够精确添加速凝剂用量，能有效保证喷射混凝土早期强度和施工质量，同时还可以减少喷射砼回弹量，节约材料。

(3)施工进度方面

采用Sika-PM500PC湿喷机施工是高机械化程度的作业，施工过程中只需要两个人便可以控制整个施工过程，而且Sika-PM500PC湿喷机的施工效率是普通湿喷机的3～5倍。从理论上讲，按照每开挖循环进尺3m来计算，采用Sika- PM500PC湿喷机施工的效率等同于5～6台普通湿喷机同时作业，但是每台普通湿喷机的操作人员需要4～5人，那么同样的工作效率，Sika-PM500PC湿喷机便可以节省出至少20个劳动力。但是从实际施工情况来看，普通湿喷机的效率并不能达到理论上的数值，而Sika-PM500PC湿喷机的实际工作效率却能到达理论效率的90％以上。因此采用Sika- PM500PC湿喷机施工后，每个开挖循环至少能提前3个小时。

2.3 研制开发使用液压式移动仰拱栈桥

为减少施工干扰、加快施工进度，我们对铁路隧道仰拱施工进行了深入研究，同时以不间段、循环施工为目的，设计并制造出了38m可移动式仰拱栈桥，仰拱栈桥的最大有效施工长度为20m，能够根据仰拱实际开挖情况改变仰拱栈桥长度。与普通简易仰拱栈桥相比，采用可移动仰拱栈桥具有安全性能高、施工工效快、移动快速方便等优点。

2.3.1液压移动栈桥的特点

(1) 跨度大。该栈桥主桥长38m，支点间跨度23m，一个循环最大施工长度20m。同时能够根据仰拱实际开挖情况改变仰拱栈桥长度。

(2) 结构设计等级高，载重大。设计最大载重量45t，满足施工中作业机械、出碴机械的通行需要。

(3) 可自行移动。栈桥工作时，油缸提升，前后支撑着地，前后行走装置不承载；当栈桥移动时，油缸顶升，前后行走装置着地，然后前后支撑离开地面，由轮子承担栈桥自重载荷；行走由电机带动减速机驱动前进。

(4) 设计合理，工艺先进。主梁和桥面采用桁架式结构，减少了自重和结构高度，满足了通行和桥下作业净空要求，实现了仰拱全断面作业。

(5) 操作简单，安全可靠。栈桥操作无特殊作业，基本上是工程中常用的机械、液压、电气作业，普通技术工稍作培训就可完成全部工作内容，安全保证程度高。

(6) 移动就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移动就位仅需要2h，提高了仰拱混凝土的施工速度。

2.3.2工作原理

采用带有行走设施的仰拱栈桥，栈桥上各种车辆设备正常通行不影响掌子面施工，桥下同时进行隧道的仰拱初期支护、钢筋绑扎、砼浇注、填充施工、混凝土养生以及洞内开挖出碴车辆运输的平行作业，及时解决掌子面和仰拱施工之间的干扰，大大提高隧道整体施工进度。

2.3.3安全及质量要求

(1) 仰拱栈桥就位时，要注意安设的平整及宽度符合设计要求，保证车辆形成安全及不同轮距的车辆均能通过仰拱栈桥。

(2) 仰拱栈桥上部的泥水及残余混凝土杂物等应及时清除，以保证栈桥上部的清洁。

(3) 车辆通过栈桥时限速5km/h，保证施工安全。

(4) 栈桥上用红灯等设置明显示宽、示高标识，以确保车辆通过安全。

(5) 栈桥基础必须处理到位，确认满足行车所需承载力后方可通行车辆，并且严禁超过设计荷载的车辆机械通行。

2.3.4施工工期对比

普通仰拱栈桥两个循环作业时间新型可移动仰拱栈桥可完成三个循环，所以采用新型仰拱栈桥加快了施工进度，节省了整个工程的施工工期,同时节省了间接费用。

(1)简易抑拱栈桥（按一个口计划施工任务计算）：

平均生产能力：12米/3天 =4米/天

工期：4700米/4米/天=1175天/30=39.2个月

(2)新型抑拱栈桥：

平均生产能力：12米/2天=6米/天

工期：4700米/6米/天=783天/30=26.1个月

2.4 投入安全监控系统

为了对隧道内作业人员以及地面相关场地的人员进行有效的监控，全面提高项目施工生产和安全管理的综合水平，对现场施工情况实行远程动态控制，我们引进安全定位系统，悬挂于隧道洞口上方，能够及时、准确掌握隧道内施工的动态情况，该系统操作简单，便于管理，为今后隧道现场施工的办公自动化奠定了基础。安全定位系统可以自动统计隧道内作业人员的上下班时间，有效防止偷懒早退现象；可以实时反映隧道内人员的作业情况和地点，对隧道施工安全生产各个岗位的人员进行有效监督，能够有效提高安全生产防范能力，有效减少“三违”，促进安全生产。同时，在发生隧道内发生瓦斯爆炸、大面积塌方、突泥涌水等灾害时，可以实时显示作业区内人员的数量、身份、位置等数据，为迅速展开抢险救灾提供确切的决策依据。

3 隧道机械化配套施工的主要经验

随着建筑领域施工技术的不断提高，传统的隧道施工工艺已难以满足国家对环保、低耗、经济性和安全质量方面的要求，而实行先进的机械化配套施工则是隧道施工的必然趋势。从长洪岭隧道机械配套施工看，经过近两年的机械化配套施工实践，顺利实现了机械化配套所期望的目标，提升了标准化作业水平。主要经验是：

3.1 立足项目施工特点，合理配备施工资源

我们结合隧道工期紧、工程量大、区域性断层破碎带多、岩溶富水发育等特点，对施工组织进行认真策划，组织专家多次论证机械化配套施工方案，形成了隧道钻爆作业、装砟运输、锚喷支护、仰拱铺底及混凝土衬砌5条机械化配套作业生产线。同时，根据施工实际进行地质预报、超前支护及围岩注浆辅助作业线配套，精心组织隧道施工。一是根据施工总体计划和施工要求，确定机械设备需求计划；二是在满足总进度计划前提下，充分合理利用施工机械，对设备资源进行调整和优化；三是合理选择主导机械，力求组合机械施工最佳匹配。在隧道施工前期，我们引进水平地质钻机和三臂凿岩台车，混凝土机械手、自行式移动栈桥、自卸汽车及挖掘机、装载机、液压模板台车、混凝土输送车等陆续进场，形成施工设备重点配置，地质预报、超前支护及围岩注浆等辅助设备最佳配置，实现平行作业。

3.2 制定配套目标，做好人员培训

我们依托机械化施工支撑，提升标准化作业水平，对机械操作人员开展多种形式的教育培训。一是邀请厂家授课，在设备进场同时，设备厂家工程师到现场讲解设备操作和理论知识；二是开展岗前培训，在隧道开工前，组织机管员、设备操作人员进行岗位培训，做好上岗前取证工作；三是编写机械操作教程，根据实际为每台机械设备编写《操作手册》；四是开展相互交流，为机械操作、维修、管理人员搭建平台，加强交流，熟悉机械设备性能，充分发挥机械施工优势。

3.3 降低施工风险，推进安全生产标准化

针对长洪岭隧道高风险的施工特点，我们采用TSP超前地质预报系统、地质雷达、红外探水、水平超前钻孔等手段综合探测。配备意大利产C6多功能地质钻机1台，该机最大水平钻进深度为200m，钻孔直径为64～194mm，与国产CM458地质钻机相比，其钻孔效率提高1倍以上；在隧道开挖和喷浆时，三臂凿岩台车只需6名操作人员，湿喷机械手只需2名操作人员，且所有操作人员均在有防护的设备内，有效减少了掌子面气雾和岩尘侵害，为作业人员营造了良好的施工环境。

3.4 降低劳动强度，实现人员配备标准化

根据各工序机械化配套情况，我们对隧道作业人员进行优化组织，确定了“以机定班、按班设岗、以岗定责、以责促为”的人员设置原则，达到了“以机代人，降低劳动强度、精简作业人员、提高作业效率”的人力优化目标。在隧道开挖中，为2台凿岩台车配置了2个作业班组，每班3人，设有操作主司机、副司机各1人，旁站指挥人员1人；在喷浆作业中，1台机械手配置2名作业人员；在出砟作业中，根据装运设备数量也进行定额配置人员。

3.5 加快施工进度，达到作业时间标准化

我们引入“工序标准化作业时间管理法”，根据机械设备正常作业工效，通过理论计算，确定进度数据指标，明确5米深的炮孔成孔时间控制在5分钟，4.5米全断面单循环进尺时间控制在3.5～4小时；机械手完成4.5米全断面喷射任务时间控制在1小时；单车装砟时间控制在2分钟，单循环出砟时间控制在3～4小时；仰供模架就位时间控制在3小时。以指标参数为考核依据，兑现进度指标奖罚，实现了单工序作业时间标准化管理。

3.6 提高工程质量，促进工艺流程标准化

我们采用“熟悉一项，凝固一项，推广一项”的机械操作办法，形成稳定的工序作业支撑体系。地质预报实现钻灌一体化，改变传统软弱围岩开挖方式，提升软弱围岩的掘进速度；通过控制钻孔角度、精度，提升断面光爆成型质量，利用台车施作锚杆和超前小导管，施作质量比传统工艺有较大提升；机械手湿喷实现240度摆动和360度回转，最大喷射宽度可达30m，混凝土的回弹率控制在12%以内，并通过人机对话，准确了解喷射情况，提高了喷射质量和效果。

3.7 实施单机核算，提升成本控制标准化

将机械施工的总体成本核算分解成为油料核算、修理费核算、配件核算、轮胎核算、工资核算、操作司机保管费等分项费用核算，并按分项成本进行管控。将单台机械施工中所发生的燃料动力费、经常维修费及人工费等可控费用包干到人，把操作人员的收益与单台机械所发生的成本紧紧捆绑在一起，将考核机械设备经济指标作为操作人员工资发放的重要依据，有效调动机械操作人员积极性，实现了项目总成本的稳定可控。

3.8 实现技术创新，满足现场适用性

一是成立了仰拱移动模架QC攻关小组，研制出整体式仰拱移动模架，弧形模板及钢结构桁架一次加工成型，较普通仰拱模板增加配重小车，保证了模板稳定性，提高了浇筑混凝土质量；二是开展钻孔与装药平行作业研究，针对装药与钻孔存在的时间差，采用乳化炸药和非电毫秒雷管，选用针起爆方式，保证了钻爆作业安全；三是积极开展《长大隧道钻爆法快速施工关键技术与装备研究》相关课题攻关，以提升铁路长大隧道修建理论技术水平。

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