客运专线隧道机械化配套施工研究

严文翔

摘 要：基于隧道传统人工钻爆法投入人员较多、施工效率低下、难以保证施工质量和人员安全的现状，在以Ⅱ级、Ⅲ级围岩和全断面法施工为主的隧道中，通过对隧道开挖作业、出砟运装、初期支护及仰拱铺底作业环节的机械设备进行优化加强，在很大程度上提高了施工效率和质量，保证了施工人员安全，证明隧道机械化配套施工具有很大优势，应被大力推广应用。

关键词：隧道施工；机械化配套；全断面法；施工效率

中图分类号：U455.3 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0092-04

Abstract： Given that the traditional blasting method of tunnel excavation requires loads of manpower and can hardly guarantee construction quality and safety， construction machines involved in excavation， waste rock transfer， initial support and inverted arch bedding of tunnels with grade Ⅱ and grade Ⅲ surrounding rocks were optimized in matching. The construction efficiency was improved significantly， and staff safety was guaranteed. Mechanized construction is proven by tunnel projects to be advantageous over blasting method and shall be popularized.

Key words： tunnel construction； equipment matching； full section method； construction efficiency

0 引 言

近10年来，中国隧道建设规模空前发展，国产隧道机械不断涌现，隧道机械化施工再次开始在长大隧道工程中应用[1-3]。目前，贵广铁路、南昆铁路、敦格线当金山隧道等隧道工程开始提倡并投入机械化配套设备进行隧道施工，并取得了较为满意的成果[4-6]。本文以西部山区某客运专线隧道为背景，对隧道各施工作业工序内的机械设备进行介绍，依据该隧道的地质和工法特征，制定相应的机械化配套方案，加快了施工进度，保证了施工质量，为今后类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 隧道地质条件

西部山区某客运专线隧道为单洞双线隧道，位于高中山区，地形起伏较大，平均海拔为1 300～2 400 m，最高海拔为2 420 m。地表自然坡度为40°～70°，隧道沿线分布有众多基岩“V”型侵蚀谷，沟内常年流水，水量较大，地形复杂，植被茂密。沟内有大量的冲、洪积块石，沟内岩性较单一，节理裂隙发育，巨型岩体大量剥落形成岩堆。隧道整体埋深较大，一般埋深为300～500 m，最大埋深约为1 016 m，最浅埋深约30 m。

隧道区域内地层主要为：第四系全新统冲、洪积漂石土和坡积块石土，泥盆系中统片岩夹大理岩等变质岩类，燕山期花岗岩、闪长岩等岩浆岩类以及分布在断层破碎带内的碎裂岩。隧道以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主，局部段落地下水发育，隧道内设小人字坡，隧道轨上有效内净空面积为92 m2，隧道纵断面及平面见图1。

图1 隧道纵断面及平面

1.2 辅助坑道设置

隧道所处区域山大沟深，隧道出口至1号斜井处辅助坑道条件较差，最终结合隧道所处地形和地质条件、洞口施工条件、施工工期及运营期间救援疏散要求，采用3座无轨运输双车道斜井和1座横洞辅助施工，隧道辅助坑道设置见表1。

1.3 施工方法

Ⅱ级、Ⅲ级围岩采用全断面法施工；Ⅳ级围岩段当洞身通过碎裂岩等破碎地段时，采用三台阶临时横撑或临时仰拱法施工，一般地段采用三台阶法（必要时预留核心土）施工；Ⅴ级围岩地段采用三台阶临时仰拱法施工。

2 隧道施工机械化配套方案

2.1 隧道施工机械

2.1.1 开挖作业

凿岩台车作为较先进的开挖设备，能够高效地进行开挖。凿岩台车主要由底盘、凿岩机、给进器、钻臂、工作平台臂、控制及动力装置、自动电缆卷盘及水管卷盘、安全顶盖、照明系统和自动防卡钻装置等构成。按钻臂数量可分为三臂凿岩台车、两臂凿岩台车和单臂凿岩台车。按智能化程度高低可分为全液压（THC）、半电脑（TCAD）、全电脑（TDATA）、全智能（DTi）4种类型，根据隧道断面大小、进度要求、投入情况等灵活选用[7-8]。

2.1.2 出砟作业

出砟作业一般采用2种方式：一是采用传统装载机装碴，配合使用反铲挖掘机，以大容量运输车运输为主，运输方式分为有轨和无轨运输；另外一种则是选用出砟效率较高的隧道挖装机，俗称扒渣机。扒渣机主要由挖掘装置、行走装置、回转装置和输送装置组成，采集和输送功能合二为一，采用双动力系统，在进洞行走或洞外作业时适用柴油动力，在洞内施工时采用电动全液压装置，有效缓解洞内狭小、空气质量差等问题，具有安全环保、效率高的特点。

2.1.3 初期支护作业

隧道内进行初期支护施工时，采用湿喷法喷射混凝土，较为先进的机械设备湿喷机械手，由装在轮式汽车底盘上的湿喷机、蠕动剂量泵和喷射机械臂构成，喷射混凝土效率一般可达15～30 m3·h-1，对施工人员身体的危害小，在围岩条件较好的全断面法地段采用该设备效果最为明显。此外，初期支护还要使用钢拱架架设机，它能明显提高钢架架设效率，节约初期支护施作时间[9]。

2.1.4 仰拱铺底作业

隧道仰拱铺底作业工序较为复杂繁琐，其施工速度直接影响着后续施工进度。目前，大多数钻爆法施工的隧道采用半侧施作或简易栈桥的方法进行仰拱施工；但由于传统栈桥采用固定结构，适应性、灵活性差，不但仰拱施工质量难以控制，而且开挖、衬砌不能同步进行，导致劳动强度高，安全事故频发，功效非常低，大大影响了隧道施工速度。因此，为提高隧道施工效率、保证施工安全，可选用自行式液压栈桥进行施工，其主要由主体结构、行走系统、液压系统和电气系统4部分组成。栈桥自带液压和行走系统，可在洞内自行实现前、后、左、右移动，方便施工，栈桥刚度大；整个栈桥就位无需人工铺轨，1人即可操控，自动化程度较高，确保洞内车辆运输及仰拱施工人员的安全；栈桥跨度大，每循环施工长度长，可大大提高施工工效，加快仰拱施工进度[10-11]。

2.1.5 防水作业

采用防水板铺设装置进行防水作业。施工方自制工作平台架，以双缝爬焊机焊接防水板。防水板铺设装置能减轻作业人员劳动强度，减少作业人员投入，提高防水板铺设速度及铺设质量。

2.1.6 二次衬砌作业

隧道二次衬砌施工通用的施工机械主要为混凝土搅拌站、混凝土搅拌输送车、混凝土输送泵、模板台车等设备。

2.2 配套方案

本隧道以Ⅱ级、Ⅲ级围岩为主，洞身穿越地层岩性如下。

（1）花岗岩（γ4）：灰白色、肉红色，矿物粗大，结构均一，中粗粒花岗结构，主要矿物为石英、长石、云母，暗色矿物含量较少，岩质坚硬，性脆，节理发育；强风化，Ⅳ级软石，地基承载力σ0=600 kPa；弱风化，Ⅵ级坚石，σ0=1 500 kPa。

（2）闪长岩（δ4）：灰白色，中粒结构，块状构造，主要矿物为石英、长石、角闪石、黑云母，节理较发育；强风化，Ⅳ级软石，σ0=600 kPa；弱风化，Ⅵ级坚石，σ0=1 500 kPa。

（3）片岩夹大理岩（D2Sc+Mb）：片岩为主，局部夹大理岩，其间穿插有较多闪长岩岩脉或岩段。片岩：灰白-青灰色，鳞片状变晶结构，片状、层状构造，主要矿物成分为石英、长石、云母等，岩体较完整，岩质坚硬。大理岩：灰白-青灰色，粒状变晶结构，主要矿物成分为方解石及少量硅质等，岩石较完整，岩质坚硬，表面有溶蚀现象。强风化，Ⅳ级软石，σ0=500 kPa；弱风化，Ⅴ级次坚石，σ0=1 000 kPa。

（4）构造岩类（Cru）：主要分布于f35、f36、f37及f38断层破碎带内，灰白-灰黄色；由于动力作用，岩石形成大小不等的碎块，局部有糜棱岩化，结构松散，裂隙发育，富水，工程性质较差；Ⅳ级软石，σ0=600 kPa；断层破碎带宽约为30～100 m，延伸长度为1～2 km。

隧道内Ⅱ级及Ⅲ级围岩段落长度分别为5 176 m和5 856 m，占隧道总长度的比例为39.6%和44.8%，采用全断面施工法进行施工；Ⅳ级和Ⅴ级围岩段落合计2 039 m，占隧道总长度的15.6%，采用台阶法施工。洞身主要通过的地层为花岗岩和闪长岩，岩质较硬，并且易发生岩爆。为突出“以人为本”的原则，对于易发生岩爆等施工风险的工序应尽量减少作业人数和作业强度，采用机械设备进行施工作业。主要对隧道内下述施工环节进行了机械化配套加强。

（1）开挖作业线。正洞内Ⅱ级及Ⅲ级围岩段落均采用2台三臂凿岩台车进行开挖作业，斜井及横洞Ⅱ级、Ⅲ级围岩段落采用1台三臂凿岩台车进行开挖作业，洞身穿越断层破碎带段落时，若采用台阶法施工，空间受限，所以采用传统风钻进行开挖爆破作业。

（2）出砟作业线。为提高出砟效率，全隧道均采用挖装机配合自卸汽车进行出砟作业，挖装机出砟效率一般可达250 m3·h-1。

（3）初期支护作业线。采用湿喷机械手喷射混凝土，Ⅲ级围岩局部设置钢架段落采用钢拱架安装机进行作业；短台阶法施工的Ⅳ级和Ⅴ级围岩局部段落也采用湿喷机械手及钢拱架安装机。

（4）防水作业线。全隧道均采用移动式作业台车及双缝爬焊机焊接防水板。

（5）仰拱铺地作业线。由于空间限制，隧道内仰拱铺地施工工序较为复杂，各工序间相互干扰较大，使得隧道施工效率和安全受到很大影响。因此，为提高施工效率，保证施工安全，本隧道在此施工环节均采用自行式仰拱栈桥进行作业。

综上所述，隧道内5个工区采用的主要施工机械配置见表2。

3 效率对比

传统钻爆法投入的施工人员较多，开挖、初支、拱架安装等主要施工环节均采用人工完成，效率较为低下，并且难以保证施工质量和人员安全。通过对本隧道内各关键施工环节进行合理的机械化配备后，在很大程度上减少了人员投入，加快了隧道施工进度，降低了隧道施工对人员的伤害，提高了隧道施工质量。隧道采用机械化配套施工后与传统人工钻爆法人员投入及施工进度的对比见表3、4。

4 结 语

从西部山区某客运专线双线隧道施工机械化设备配套的实际应用效果可以看出：在以Ⅱ级、Ⅲ级围岩和全断面法施工为主的隧道中采用大型机械施工，可以在很大程度上提高施工进度，尤其在开挖作业、出砟装运、初期支护环节加强机械设备投入后，综合施工效率较传统人工钻爆法提升25%～50%，效率明显；并且由于此类隧道易发生岩爆等施工风险，采用机械化配套施工后，减少了施工人员投入，保证施工质量和人员安全。本隧道机械化配套施工的成功应用，不仅提高了隧道的施工质量，加快了施工进度，同时可为今后类似工程提供借鉴和参考。从隧道施工质量、人身安全和节能环保角度出发，采用机械化配套施工，是今后中国隧道施工发展的主流方向。

参考文献：

[1] 王梦恕.大瑶山隧道——20世纪隧道修建新技术[M].广州：广东科技出版社，2004.

[2] 袁雪戡.秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[3] 徐士良，高崇林，丁文其，等.机械化配套在秦岭公路隧道2号竖井施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2008，25（2）：71-73.

[4] 徐稳超，汤宪高.贵广铁路双线隧道钻爆法施工机械化配套及适用性分析[J]. 隧道建设，2013，33（6）：431-436.

[5] 李有兵.长大隧道机械化配套安全快速施工技术[J]. 现代隧道技术，2012，49（5）：110-116.

[6] 万姜林，李桧祥，时圣文，等.单线铁路长隧道机械化配套与快速施工技术[J]. 中国铁道科学，2002，23（3）：110-116.

[7] 汤宪高，单向华，魏志宏，等.长大铁路隧道机械化施工配套技术经济分析研究[J]. 隧道建设，2012，32（3）：270-274，286.

[8] 李 峰.全智能电脑凿岩台车在隧道机械化施工中的应用优势[J]. 科技创新与应用，2012（17）：190.

[9] Q/CR 9004—2015，铁路工程施工组织设计规范[S].

[10] 谢尊贤，未永全，赖涤泉，等.高原隧道施工工程机械有害气体排放特性[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（6）：105-110.

[11] 许先亮，樊燕燕.关角隧道施工机械选型与配套[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（1）：89-94.

[责任编辑：王玉玲]