多功能钻机在铁路隧道施工中的应用分析

蔡志山

（北京三一智造科技有限公司，昆山 215300）

随着我国交通工程的规模增大，铁路工程迅速崛起。隧道是铁路建设中比较常见的工程，20 世纪60年代以来，铁路隧道机械化施工水平有了很大提高，隧道的建设也给铁路运输带来了便捷[1]。隧道建设通常是为了缩短铁路线路的距离、减小行驶坡度而采用的跨越山河或者山岭的工程，该工程不仅可以提高火车行驶的安全性，还能节省铁路建设的成本。

隧道建设过程中，只有熟练掌握地质情况以及水文情况，才能提高隧道施工的准确性。多功能钻机是现阶段铁路隧道建设中常见的机械化设备，在隧道建设前期可以用它勘测地理位置信息，从而方便技术人员根据地形选择不同的施工方法以及支护。该设备可以在勘测、测量以及设计等方面发挥其优势，提升施工人员工作效率的同时，还能带来良好的社会效益和经济效益，从而促进我国铁路建设发展。

1 隧道施工存在的施工风险

以往的经验显示，铁路隧道建设过程中存在着很多不稳定性，如果施工人员没有提前对可能遭遇到的风险进行评估，很可能在施工过程中遇到危险，这样不仅影响铁路隧道施工进程，还会威胁到施工人员的生命安全[2]。因此，在隧道施工前期，施工人员就要根据实际工况分析影响隧道施工的相关气候、环境、水文以及地岩等数据，并且做好防范措施，尽量降低铁路隧道施工的风险。铁路隧道建设过程中的风险主要体现在以下几个方面。

1.1 外部因素带来的铁路隧道施工风险

影响铁路隧道施工的外部因素在很多情况下是不可控制的，需要施工人员前期勘察才能确保安全施工。

1.1.1 工作面坍塌

工作面坍塌是铁路隧道施工中常见的风险，尤其是在挖掘含水量较多的地段时，会出现涌水的现象。当工作面出现大量涌水时，会减弱初级支护的防护作用，导致初级支护时间延后或使其结构变形，从而给施工人员带来安全隐患。

1.1.2 结构坍塌

围岩是铁路隧道施工过程中的常见地段，如果围岩地段缺乏一定的施工可操作性，隧道周边的土体会因受到围岩的影响而出现变形现象，从而给周围的建筑物以及地面交通带来不利影响。另外，在含水量较多的施工地段，需要人工填土来增加其强度，但是由于含水量较多，在人工挖掘的上层进行填土时，很可能降低土层的稳定性，因此需要根据实际施工条件确定合适的施工方案。

1.2 人为因素带来的铁路隧道施工风险

除了外力因素以外，影响铁路隧道施工的还有人为因素。在铁路隧道施工建设中，人为管理和控制对铁路隧道建设起着决定性作用，除此之外，施工人员的专业知识以及施工水平都会影响铁路隧道的建设[3]。人为因素对铁路隧道施工的影响主要体现在以下4 个方面。

1.2.1 施工设计方案

铁路隧道施工不是一项简单的工程，需要施工人员在前期认真勘察，掌握一定的数据以后进行分析，然后才能制定相关的设计方案。设计方案是隧道施工的基础，如果设计方案存在不合理现象，如因缺乏施工风险评估而使得相关技术不能达到可施工的标准等，都会给整个施工阶段带来安全隐患。另外，如果施工人员设计的施工方案脱离实际，未结合当地的地质情况，也会导致方案设计不能满足隧道建设的标准要求，从而在施工时出现错误。

1.2.2 施工人员操作不规范

施工操作不规范是铁路隧道施工中的常见风险。铁路隧道施工对于施工技术和水平要求较高，如果施工人员未能按照施工方案的要求进行操作，将会导致施工成果与初期设计不符，这样不仅会降低铁路隧道施工的质量，还会增加建设成本、延误工期。

1.2.3 风险管理过于表面

安全风险管理流于形式也是导致铁路隧道施工产生风险的重要因素。在铁路隧道施工时，若管理人员没有将风险管理工作落到实处，只是采取口头表述的方式，把风险管理流于形式，将会降低施工人员的风险意识，在发生紧急事故时，不能采取有效的处理措施，从而造成安全事故，进而影响整体施工质量和进度。

1.2.4 缺乏科学的围岩测量手段

围岩测量手段落后以及执行不规范都会降低测量围岩数据的效率。在施工时，施工人员不能及时掌握围岩的具体数据，无疑是给施工埋下了安全隐患，一旦在施工时围岩遭到破坏，就有可能造成较大的施工事故。另外，围岩在施工过程中有很大的安全风险，如常见的坍塌等事故，这不仅会影响铁路隧道施工的进度，还会给施工人员的生命安全带来不利影响。

2 隧道施工过程中多功能钻机的具体应用

2.1 超前地质钻探

多功能钻机是铁路隧道建设中常见的机械设备，为我国的铁路隧道建设提供了技术支持。超前地质钻探是多功能钻机中的主要功能之一，该功能也称作随钻测量（Measure While Drilling，MWD）探测法[4]。铁路施工前期的地质勘测非常重要，可以预先掌握施工中存在的安全隐患，MWD 探测法不仅可以实现这一功能，而且其施工技巧更科学、系统，其工作原理是钻机在对施工场地进行钻孔过程中可以根据采集到的地质情况数据进行科学详细的分析，从而准确探测到施工地段的风险，如探测地质的松软程度、该地段是否有涌水的现象等，以便于工作人员尽早掌握风险评估，避免施工过程中的风险。

运用MWD 探测功能具有预先评估风险的优势，其利用现代化信息技术可以实现机械自动化，在自动采集装置分析相关数据的同时，可以根据数据分析自动产生曲线图标，然后将数据传输到机械设备的显示器上。施工人员可以根据显示器上的图标进行相应工作，若发现施工异常，可以根据实时监控数据变化及时调整和优化施工方案。

在进行钻孔时，施工人员可以随时保存显示器上的数据，方便后期查询相关数据或对铁路隧道进行研究分析等工作。施工过程中，若涌水量较大会对施工人员的安全有不利影响，因此在施工过程中需要引起警惕，施工人员在操作时需要注意根据风险评估及时掌握地下水的情况，以免因出现涌水现象而影响施工质量。

2.2 钢丝绳取芯法

地质取芯是分析地质情况最直观有效的方式，能够为施工方案提供准确的数据储备。钢丝绳取芯法是地质取芯中的常见方法，在应用这种方法时，不需要拔出钻杆，只需凭借取芯器就可以完成。在钻取地质样本时，钻杆顺着施工地段以垂直或者水平的方式快速钻取，降低了工作人员钻孔时的劳动强度，可以有效提升铁路隧道施工的效率。该方法相对应的工作流程为：对岩石进行预钻孔→连接钢丝绳的转换器→连接取芯打捞器→利用水压向打捞器进行压送→回收取芯器→和交换用取芯器连接→压送取芯器→连接钻杆→进行钻孔工作。这种方法在施工时运用钢丝绳、取芯器以及转换器等配置，可以有效提升隧道钻孔取芯的效率。

2.3 超前帷幕注浆堵水作业

超前帷幕注浆堵水作业的注浆过程需要用到相关的设备，如钻注一体机、注浆泵以及注浆机等，这些设备是注浆堵水作业的关键设备，如果在施工过程中缺少一项，就会导致注浆的过程中断，从而给隧道建设带来不利影响。注浆堵水是一项对工艺要求较高的工作，该工艺中的注浆是整个工作流程中的重点工作，需要用到多功能钻机来实现套管注浆以及单管注浆。注浆堵水的施工过程比较简单，不仅可以提升铁路施工的效率，还能降低施工成本，是目前隧道施工中比较常用的方式，可以为铁路建设带来一定的经济效益。注浆的所需材料一般包括普通水泥、水玻璃双浆液、硫铝酸盐水泥单浆液等，注浆施工方法也包含多种工艺，在注浆方式的选择上要根据不同的地段采取不同的注浆方式，才能发挥注浆的价值和作用，一般将注浆堵水的工作方法分为3 种：第一，针对围岩比较完整或者碎石较少的情况可以使用孔口注浆方法；第二，如果遇到水压较大的情况一般采取前进分段的注浆施工方式；第三，针对围岩破损程度严重或者水压较小的情况一般采取后退式分段注浆施工方式。多功能钻机内部通常设置有单向阀以及防突装置，在铁路隧道施工时难免会遇到涌水的现象，防突设置可以有效避免涌水现象的产生。另外，为了避免高压水通过系统空间进入施工环境，一般在钻机上会设置防水阀或者密封装置，需要注意的是钻机上的止水装置还是要根据当地的地质情况而设置，便于止水装置发挥应有的作用。

2.4 管棚施工

多功能钻机有套管的功能，这一项功能通常运用在管棚施工中，在钻孔时为了防止孔壁坍塌一般先不拔出钻杆，而是等套管钻进去以后再撤出内杆，之后再插入杠杆将外杆拔出。在比较松软的地层施工时，对于土层的钻孔工作需要运用到迈式管棚杆来实现[5]。根据以往的铁路隧道建设经验，多功能钻机可以有效解决管棚钻孔困难的问题，如当遇到采空区内部大多数为松散渣体的情况时，普通的钻机根本达不到钻孔的强度要求，很难实现钻孔的工作，而且由于岩体松散，也很难安装管棚，此时就需要用到多功能钻孔机来完成相关工作，以达到降低钻孔的难度、提高工作效率的目的。

3 结语

目前，我国铁路建设还在不断进步和发展，更多的建设技术和机械设备也在不断引入我国铁路建设中，给铁路隧道建设提供技术支持。铁路隧道建设是一项较为复杂的工作，其中存在很多风险，主要有外力因素，如坍塌、涌水等风险问题，还有一定的人力因素，主要体现在施工人员的专业素质、操作流程、方案设计等方面，这些因素都会影响施工进度和生命安全。因此，施工人员要做好前期的风险评估，尽量避免施工时产生的风险，充分利用多功能钻机的功能来探测地质情况，根据传输的数据来实时监测，并根据施工异常情况进行调整和优化，从而达到提高工作效率，保证施工人员生命安全的目的。