铁路隧道机械化施工设备配套技术

林翠军

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，武汉430014）

1 引言

我国铁路隧道机械化施工经历了3个阶段，现阶段已完成从小型设备钻爆分部开挖，到大型设备钻爆配套无轨运渣方式，再到非钻爆方式的掘进机（TBM）配套有轨运渣方式的飞跃式发展。但在国际上，我国铁路隧道施工技术还有很多方面需要向发达国家学习，要在施工过程中注重改进多线程机械化施工管理系统，提升机械化施工效率、施工质量及经济和环保水平[1]。

2 施工设备选型原则与设备配套方案

铁路隧道施工机械设备的规格型号、设备性能与生产厂家的选择以及各类设备的配套方案，主要取决于所建设隧道的规模、地质地势条件、工期要求等，还取决于施工成本、各项工序的衔接配套、各类设备的协同、整体效益匹配情况、施工现场运输条件等。根据工程实践经验，铁路隧道施工机械化成套设备的选型与配置原则主要有以下4点。

1）设备选型要从施工组织设计出发满足进度要求，围绕开挖、出渣、衬砌这条施工主线考虑各项细致工作，按地质超前预报→开挖→装渣→运输→喷锚→衬砌→防排水→通风等工序流程来合理配置各类机械设备，最终构建各工序机械化流水生产作业线。

2）施工机械设备选型首先要协调好技术先进性（从效率、质量考虑）和经济合理性（从成本造价考虑）的矛盾，还要满足施工方案的要求，保证技术经济合理性。具体要综合考虑生产效率、能耗水平、耐用性、安全性、厂家信誉等多方面因素，禁止选择性能指标严重落后、能源消耗巨大、废气排放超标的陈旧设备[2]。

3）中小型设备的应用频次高，需在采购时留有余量，保证有一定数量的备用设备。这样出现设备故障时既能及时替换，又能在某些生产环节做必要的补充。对于用途相同或相似、可以功能互补的多台机械设备应尽量在同一生产厂家采购，确保规格、型号一致，方便后期维修保养、备品备件的补充更换。

4）机械设备的配套方案要紧密配合施工方案的筹划，制定设备管、用、养、修规章制度，构建合理科学的管理系统，按工序划分机组。实行精细化精准管理，保证主要作业线设备，包括凿岩机、钻爆机、挖装机组、重载运输机组、喷射机组、装载机组、衬砌模板台车、自行式仰拱栈桥等大型机械设备按作业线合理配套机组，实现各机械化作业线的有机配合。

3 隧道掘进的机械化施工配套技术

3.1 超前地质预报

为了避免隧道掘进前方不良地质条件对施工产生的不利影响，可以运用超前地质预报技术探测出隧道前方的岩溶、涌水等不利地质条件[3]。目前，常用的探测手段有凿岩台车超前加深炮孔、水平超前地质预报钻机、TSP超前地质预报系统，可分别探测掌子面3～7 m、30～35 m、100～200 m区域内的水文地质情况。TSP超前地质预报系统是目前较为先进的技术产品，其工作原理是依据地震波在不同地层中的反射波特性来对地质情况进行探测，可进行长距离预报。此外，对于中短距离的地质预测可以使用地质雷达设备和红外线探测设备。

3.2 隧道开挖作业线设备

目前，我国铁路隧道开挖掘进主要采用2种方式，即钻爆法施工与TBM掘进机全断面施工方法。钻爆法常用的设备有风动凿岩机、三臂凿岩车。前者钻孔精度低，后者能够依靠电气液压自动控制调整，使钻孔定位更精准。相较风动凿岩机而言，三臂凿岩车不仅可实现自动化作业，还具有长距离钻探注浆的优势，能与现场情况有机结合完成爆破支护方案。在黔张常铁路隧道掘进的实际工程中，将三臂凿岩车作业与传统人工钻爆风枪作业进行对比，如表1所示。

表1 三臂凿岩台车与传统人工钻爆风枪作业对比表

由工程实际可知，相较于人工爆破，使用三臂凿岩台车进行开挖施工作业有效解决了传统人工钻爆施工中施工人员安全风险大、施工作业时间长、一次性进场操作的人员多、能耗大、单次作业进尺短、噪声大、粉尘多等缺点。三臂凿岩车具备效率、经济及环境价值，更值得推广使用。

TBM掘进机有开敞式硬岩掘进机和护盾式掘进机2种类型，前者适用于稳定地层和硬性岩层的掘进作业，后者可用于较为破碎的地层中。护盾式掘进机又分为单护盾式与双护盾式，单护盾掘进机的前进支反力由安装在整体衬砌或管片上的推进缸提供。因为双护盾式TBM设置了前后2个护盾，且后面的护盾配置了支撑靴，可支撑在岩层上，双护盾式TBM更适用于不良地质情况。即便遇到十分恶劣的地质条件，双护盾式TBM仍可以同时掘进和安装管片，支反力由安装完毕的管片提供，类似于采用单护盾的原理推进。近年来，双护盾式TBM掘进凭借较快的掘进速度和更好的地质环境适应性，在长大隧道的掘进作业中应用越来越广泛，分部开挖逐步向全断面开挖方法发展[4]。

3.3 出渣作业线设备

出渣后即将隧道掘进开挖出的土石渣运输到弃渣场，这是制约工程进度的重要因素。出渣作业线主要作业内容包括挖掘机扒渣→装载机装渣→有轨或无轨运输车运渣→卸渣这一过程。无轨式出渣方式使用自卸汽车开入隧道内，由装载机装渣运走，此种方式较为机动灵活，但汽车废气和噪声污染严重。有轨式出渣作业方式需要在隧道内铺设轨道，采用拖斗车进行出渣作业无废气和噪声污染，铺设的轨道可用于二次衬砌施工，但造价高、施工管理更复杂。一般考虑隧道轮廓大小、隧道长度、弃渣场位置等因素来确定采取哪一种出渣方式。

4 隧道喷锚与支护的机械化施工技术

4.1 喷锚作业线设备

喷锚支护是通过打入岩层的高强金属锚杆、系上钢筋网架、高压喷射混凝土来保证隧道初期支护质量的主要技术手段，选择合理的喷锚支护机械设备是保证喷锚工艺质量的关键。喷锚支护机械设备主要包括混凝土喷射机、混凝土泵送车、空气压缩机等。干式混凝土喷射机因为存在的粉尘污染较大且回弹较多，已逐渐被淘汰使用。湿式混凝土喷射机有空气压缩的气动型和液体压缩的泵送型机械设备[5]。随着人工喷射逐渐被机械手喷射所取代，集机械手喷射与混凝土行走泵送系统等多功能大型喷射机组在越来越多的工程中被使用。

4.2 二次衬砌作业线设备

在隧道初期支护成型后，需要对围岩进行二次衬砌支护，以保证隧道的美观和长期安全。一般需对围岩进行监控量测来确定二次衬砌的时间。具体施工流程为：混凝土拌和系统→混凝土泵送系统→二次衬砌台车→台车脱模→养护。衬砌模板台车是用于二次衬砌的主要机械设备，包括简易衬砌台车、网架式衬砌车、液压自动行走式衬砌车。若出渣阶段使用的有轨出渣方式，则行走式衬砌车还可重复应用导轨。

5 结语

铁路隧道施工环境恶劣、安全隐患大，所以投入大量机械设备十分必要。一方面，未来我国铁路隧道的机械设备配套技术有望通过构建物联网、创新智能机械设备，实现机械设备远程操作，甚至向无人操作、自动化、无人智能流水作业发展；另一方面，现有重型机械设备普遍存在能耗大、废气排放大、噪声污染严重等缺点，生产制造出绿色节能的机械设备也是环境友好型社会的应有之义。