铁路隧道工程锚杆快速施工机械配置技术研究

2020-03-02刘洋

现代城市轨道交通 2020年2期

刘洋

摘要：现阶段提高锚杆施工速度的主要手段一是提高锚孔钻孔效率，二是缩短锚固剂凝结时间。选备机械化程度高的多功能或专用锚杆施工机械，不仅可以提高锚杆钻孔工效，还可以保证成孔质量。针对铁路隧道锚杆快速施工中凿岩及锚杆台车的配置及选型进行深入探讨，分析边界条件及其适用性，指出国内外应用的现状及不足，旨在为同行提供锚杆快速施工钻进机械配置方面的经验。

关键词：铁路;隧道;锚杆;专用机械;配置

中图分类号：U25

近年来，国内铁路隧道施工机械化取得了长足发展，传统作业方式正逐步被成套机械装备所取代，使得现场锚杆施工进度慢、机械化自动化水平低、锚杆施工质量无法保证等一系列问题有所改善。中国国家铁路集团有限公司颁布了《铁路隧道工程施工机械配置技术规程》（Q/CR 9226-2015）用于指导铁路隧道施工机械的配置，但对于隧道锚杆施工机械的配置没做具体要求。凿岩台车、锚杆台车等锚杆快速施工装备应用于铁路隧道施工的适用性涉及因素较多，比如台车整体性能、台车作业方式、隧道断面大小、施工工法等将严重影响凿岩台车及锚杆台车的适用性。本研究通过对国内外水工、矿山、公路、铁路隧道锚杆快速施工技术及装备的统计和分析，系统梳理了我国铁路隧道设计断面形式，以全断面法为重点同时兼顾台阶法，重点研究铁路隧道锚杆快速施工装备（凿岩台车及锚杆台车）在不同断面形式及尺寸下的适用性边界条件，提出了铁路隧道工程锚杆快速施工机械装备配置方案，将为国内铁路隧道及相关行业提供凿岩台车及锚杆台车选用及配置方面的借鉴和参考。

1 台车适用性分析及边界条件

隧道開挖方法是台车适用性的优先考虑因素。铁路隧道采用钻爆法施工时，应根据围岩级别及断面大小等因素，优先选用全断面法或台阶法开挖。隧道全断面法的施工断面与作业空间大、干扰小，有条件充分使用机械设备[1]。单、双线铁路隧道施工采用台阶法时，宜优先采用适用机械设备施工。分部开挖法一般用于双线隧道浅埋段，由于隧道施工工序多，开挖断面与作业空间小，故不利于大型机械设备施工[2]。

其次，台车整体性能也至关重要。凿岩台车及锚杆台车整体性能包括钻臂设计参数、推进梁设计参数、凿岩机设计参数、台车作业整体稳定性等。实际应用中台车的钻臂及推进梁设计参数决定了台车钻孔作业面积或空间。另外，台车钻臂、推进梁及凿岩机的配置选型对台车作业的整体稳定性影响也较大，推进梁的型号应在台车推荐允许范围内，否则选配的推进梁不利于台车作业的整体稳定性。

开挖净空高度及支护内净空是决定台车配置方案的边界条件。对速度为350 km/h的客运专线铁路单双线（双块式、板式无砟轨道）隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工开挖断面高度、初期支护的内净空尺寸进行统计分析，结果如表1所示。

1.1 凿岩台车适用性

凿岩台车作为一种钻孔工效高、机械化程度高的多功能施工机械，广泛用于隧道（隧洞、巷道）施工掘进和锚杆支护。凿岩台车应用于铁路隧道施工的适用性，包括掘进钻孔适用性和锚杆钻孔适用性2方面，主要通过隧道开挖断面大小及施工工法适应性进行评价。凿岩台车掘进钻孔和锚杆钻孔的适用性通常由推进梁、钻臂设计参数及钻臂安装铰接点高度决定。目前凿岩台车的制造商主要有瑞典阿特拉斯 · 科普柯、山特维克、挪威Andersens Mek.VerkstedA.S等，各主要制造商生产的台车在全国范围内均有应用，其中以阿特拉斯 · 科普柯公司生产的凿岩台车应用最为广泛，常用型号有Boomer L2D/XL2D/XL3D等[3]，均配有1双鹰式高臂座，大大增加了断面作业面积。COP 1238K系列液压凿岩机适用于快速隧道掘进钻孔，钻孔范围为38 ～89mm，该凿岩机的主要功能和特点有：①内置反射减震器，有助于提高钻杆的经济性并降低凿岩机、推进梁和钻臂的磨损;②动力强大，无级变速可双向转动的电机具有高扭矩和出色的速度控制功能;③与钻杆匹配的细长活塞，在不损坏钻杆的情况下提供最佳的冲击功率。以Boomer L2D双臂凿岩台车为例，分析其在铁路隧道锚杆快速施工中的适用性，如图1所示。

Boomer L2D凿岩台车钻孔作业时，BUT 35重型钻臂的安装铰接点高度为2.175 m，BUT 35钻臂设计长度为4.031m，可延伸1.60 m，即钻臂总伸长为5.631m。BUT 35钻臂可左右摇摆，最大摇摆角为±45°。BUT 35钻臂的最大举升角为+70°/ -45°，当钻臂举升+70°时钻臂前端升高5.291 m。凿岩台车钻孔作业时，推进梁的推进补偿为1.80 m。当凿岩台车用于隧道掘进钻孔，且台车不移位时，台车掘进钻孔作业覆盖最大宽度为12.40m，覆盖最大高度为8.650 m，覆盖面积为104m2，如图2所示。

由表1可知，Boomer L2D凿岩台车钻臂作业能覆盖速度160 km/h及以下的单线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工开挖断面，不能覆盖速度200～350 km/h的单线、速度350 km/h及以下的双线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ 级围岩全断面法施工开挖断面。

Boomer L2D凿岩台车可选配BMH 6812、BMH 6814、BMH 6816或BMH 6818型推进梁，BMH 6800系列推进梁一次钻孔作业，能满足单双线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ 级围岩全断面法施工开挖循环进尺要求。技术参数如表2所示。

经计算分析，Boomer L2D凿岩台车锚杆钻孔作业的隧道净空尺寸应满足表3的要求。从表1可知，Boomer L2D凿岩台车配置BMH 6800系列推进梁，锚杆钻孔的最大作业高度均大于速度350 km/h及以下的单、双线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工初期支护的内净空高度，对隧道全断面开挖高度及超挖等不确定性因素的适应性较好。

综合以上分析， Boomer L2D凿岩台车适用于速度160 km/h及以下的单线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工掘进钻孔作业;选配BMHT 6800系列推进梁，适用于速度350km/h及以下的单、双线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工锚杆钻孔作业[4]，但是在速度140 km/h及以下的单线铁路隧道内不能充分发挥双臂同时作业的优势。

1.2 锚杆台车适用性

阿特拉斯 · 科普柯锚杆台车用于矿山巷道和隧道锚杆支护，具有锚固剂自动注浆、锚杆钻进导向等功能，同时可选配安装钢筋网的挂网臂、吹孔装置、凿岩机润滑监控装置等。锚杆台车配置COP 1132/1435液压凿岩机，该机为短小轻型凿岩机，带有双缓冲减震装置，配有动力强大、无级变速并可双向转动的电机，其冲击功率为11 kW / 14 kW，冲击频率为100 Hz / 80 Hz。锚杆台车钻臂及推进梁设计参数往往决定了锚杆台车作业覆盖断面或有效作业空间。配有的BUT35HBE或BUT 45M重型液压钻臂具有定位直接、快速、准确的特点。

Boltec EC是一款全机械化锚杆台车，配有计算机台车控制系统（RCS）、BUT 45M钻臂、COP 1132/1435液压凿岩机，锚杆台车的最大作业高度达13.0 m，选配BMH 6821型推进梁，推进梁钻孔深度达到6.14 m，可安装锚杆长度为1.5～6.0 m;若选配BMH 6816型推进梁，锚杆台车的最大作业高度为12.263 m，推进梁钻孔深度达到4.668 m，可安装锚杆长度为1.5～4.5 m;若选配BMH 6814型推进梁，锚杆台车的最大作业高度为11.953 m，推进梁钻孔深度达到4.043 m，可安装锚杆长度为1.5～3.9 m;若选配BMH 6812型推进梁，锚杆台车的最大作业高度为11.655 m，推进梁钻孔深度达到3.443 m，可安装锚杆长度为1.5～3.3 m，如图3所示。

锚杆台车可作业的隧道开挖断面宽度及高度应大于推进梁的总长度，同时隧道开挖断面高度应小于或等于锚杆台车的最大作业高度。Boltec EC锚杆台车锚杆作业的净空尺寸应满足表4的要求。

综上，Boltec EC锚杆台车适用于速度160～350km/h的单线、速度350 km/h及以下的双线铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面法施工锚杆支护作业，同时，其对隧道全断面开挖高度及超挖等不确定性因素的适应性较强。

2 配置方案选择

铁路隧道工程施工前应进行锚杆施工机械配置方案设计，锚杆支护施工質量和速度取决于施工机械与施工工艺[5]。合理配置施工机械与施工人员，安排锚杆支护各工序的顺序和时间，并与隧道掘进、运输等环节相配套，实现施工工艺的优化，是提高锚杆支护施工速度的重要途径。方案设计应考虑以下几项原则：①施工机械配置应与主要施工方法相配套，与施工工期相适应;②施工机械配置的生产能力应大于施工进度指标要求;③充分考虑将围岩地质条件及工程特性与施工机械的适应性相匹配，注重科学发挥机械的总体效率;④选用设备必须保证有可靠的可维修性，以确保施工设备的正常运转;⑤瓦斯隧道锚杆施工机械的配置应符合现行《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB 10120-2019）的有关规定[6]。

隧道全断面法锚杆施工机械选型应进行技术经济论证。隧道全断面法施工的开挖断面与作业空间大、干扰小，有条件充分使用机械设备[7]。凿岩台车是一种多功能施工机械[8]，其功能主要体现在掘进钻孔作业、锚杆钻孔作业、工作篮辅助安装爆破炸药及锚杆作业。锚杆台车是一种专用锚杆施工机械，集钻孔、锚杆安装及注浆等工序于一身。隧道全断面法锚杆施工机械选型通常有2种方式：①选配多功能施工机械，比如凿岩台车既满足隧道全断面法施工掘进钻孔作业，又满足锚杆钻孔作业;②选配锚杆专用施工机械，比如锚杆台车、凿岩台车（但不一定适用于隧道全断面法施工掘进钻孔作业）。隧道全断面法锚杆快速施工多功能施工机械配置方案（样例）如表5所示。

综合实际研究，隧道锚杆施工机械选型宜优先选配多功能施工机械，其次考虑选配锚杆专用施工机械。另外，凿岩及锚杆台车不适用于双线隧道三台阶预留核心土法掘进施工和锚杆钻孔施工，同时也不适用于双线铁路隧道中隔壁法和双侧壁导坑法锚杆施工。

3 应用案例及效用

3.1 水工洞室

锦屏二级电站引水隧洞矿山法施工（部分），采用26台Boomer XL3D凿岩台车和7台FlexiROC T35钻机。引水隧洞开挖分2个阶段，首先用Boomer XL3D凿岩台车开挖上部高7.5 m的部分，再用FlexiROC T35钻机以台阶式钻孔方法开挖下台阶。该工程平均每天掘进9.0～12.0 m，分2个工班施工，每个工班12 h;每个机组配备4名操作手，极大地减少了施工人数，而如果采用传统方法钻孔，至少需要30名工人。由于锦屏水电站的岩石是脆性大理岩，极容易发生岩爆。凿岩台车BUT35钻臂的长度能让工人远离掌子面，提高工人作业安全度。

3.2 铁路隧道

成兰铁路跃龙门隧道和柿子园隧道，为了提高隧道施工的效率和安全性，施工单位采用Boomer L2D和Boomer XL3D凿岩台车用于正线隧道和辅助坑道掘进施工及锚杆钻孔作业。现场地层为Ⅳ级灰岩夹板岩，隧道全断面开挖，采用Boomer L2D凿岩台车进行锚杆钻孔及辅助安装锚杆，凿岩台车钻孔进尺约1m/min，施工效率较高。

4 结语

我国铁路隧道工程施工主要采用凿岩台车进行掘进钻孔，少数工程采用凿岩台车进行锚杆钻孔，多数情况下锚杆钻孔施工采用人工风钻钻孔，也有的工程采用锚杆钻机钻孔。铁路隧道工程地质复杂，断面类型较多，施工工法复杂多变，不同围岩级别锚杆支护长短不一，大型施工机械不适用于小断面锚杆施工，多种因素致使铁路隧道实施锚杆机械化施工困难重重。外资凿岩台车在产品可靠性、可维护性、生产效率及安全性保障等各方面都有优秀表现，但市场售价动辄几百万至上千万，高昂的售价致使外资凿岩台车在国内隧道工程施工中的推广应用并不理想。由于国内目前人工成本与机械化施工成本相比，人工成本仍存在明显的优势，以至成为铁路隧道推行施工机械化的一大阻力，但施工机械化是提高工效的有效途径[10]。此外，国内缺少大型凿岩台车操作熟练技工，个别施工单位购买的凿岩台车在施工现场成为摆设[11]。欧洲发达国家租赁市场发达，维修配套及时，承包商较少拥有施工机械，各生产线都利用较为发达的租赁市场[12]，因此，我国的隧道施工装备化、自动化还需要一定的发展时间，需要建设、施工单位和装备研发单位共同努力，提高重视，降低采购成本，实现成套施工装备国产化，并使其早日为我国隧道建设事业发挥作用。

参考文献

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