隧道机械化施工装备配套及选型方案

2023-03-09齐庆锋

工程建设与设计 2023年4期

齐庆锋

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 401121）

1 引言

通过对施工技术、作业环境、质量要求、工期要求、成本管理等方面的综合权衡，隧道机械化施工中需要对多种类机械设备施工方案进行优化设计，以保证不同设备作业群之间能够协同合作。然而在实际施工过程中，经常存在设备配套不合理、选型不科学、参数不匹配等问题，导致隧道机械化施工效率并不高。

2 隧道工程主要施工方法

根据不同划分标准，隧道可以分为不同类型，比如，以地质条件为标准，可以分为石质隧道和土质隧道；以长度为划分标准，可以分为短隧道、中长隧道、长隧道、特长隧道；以截面形状作为划分标准，可以分为椭圆形、圆形、马蹄形、双孔形等。不同的隧道类型采用的施工方法不同，主要施工内容包括洞身开挖和洞身支护两个方面。洞身开挖方式类型主要有钻爆法、浅埋暗挖法、明挖法、盖挖法、盾构法、TBM掘进机法、喷锚构筑法、沉管法等。在我国的公路隧道中，山岭隧道占据较大的比重，这种隧道以钻爆法开挖方式为主，因此，钻爆法是应用相对广泛的隧道开挖方法，洞身支护方式可以分为两大类：（1）支架支撑，如型钢支架；（2）以混凝土和锚杆为主的衬砌支护。图1为主要隧道类型适用的施工方法，无论是洞身开挖，还是洞身支护方式的选择，都要从技术角度出发，围绕工程地质条件、工程结构条件、工程施工条件等方面进行综合考虑，保持围岩的稳定性，保证施工质量和作业安全，科学制订施工方案。在施工过程中，如果出现条件变化，需要及时调整并合理处置。

图1 主要隧道类型适用的施工方法

3 隧道工程机械化施工存在的主要问题及解决策略

3.1 施工装备选型

钻爆法是现阶段开挖作业的主要施工方法。进行施工时，大多采用自制多功能台架作为施工钻孔、喷锚支护等作业的主要支撑，根据断面高度确定台架分层，这种作业方式需要耗费大量的人工，而且容易产生安全事故，而如果采用电脑液压凿岩台车，可以更好地进行钻孔和装药，能够有效提升工作效率和安全系数。隧道开挖后，需要使用合适的出渣运输装备，主要包括有轨运输和无轨运输两种方式，有轨运输产生的污染较少，但是施工组织和养护维修比较复杂，无轨运输装备相对简单，组织管理和养护维修更加方便，但由于采用了内燃机设备，需要排放大量尾气，对隧道内的通风要求较高。隧道施工初期支护通常采用喷锚支护的方式，如果作业面比较小，可以使用小型湿喷机喷射混凝土，如果作业面比较大，需要配备喷射机组开展作业，在二次衬砌施工时，通常在洞外设置自动计量拌和站生产混凝土，采用有轨或无轨输送的方式，每台模板台车配备1台混凝土输送泵和输送管，设置简易台架进行防水板安装。

3.2 施工装备配套

不同的开挖方式，需要的装备配套不同。在设计配套方案时，应重点关注掘进和支护设备的选择，以保证形成高效的生产能力。在基本配置的基础上，根据具体施工条件和技术水平，明确机械化施工目标，按要求配备相应设备。隧道机械化施工的装备配套水平一般是以开挖和支护来划分的，出渣设备需要与开挖设备的配置相协调，而二次衬砌施工离不开各种模板台车，随着隧道工程规模的不断扩大，机械化作业水平要求越来越高，需要采用先进的液压凿岩台车、电脑凿岩台车。积极发展能够适应各种围岩条件下的开挖方法，比如，分步开挖法、台阶开挖法、全断面开挖法。建立装备配套目标函数及建立基本配套模式，合理确定设备数量，在保证工期的情况下，选择效率最高、最简单的配套方案。为了保证施工速度的均衡性，应使装备配套的生产能力超过1.2~1.3倍的施工生产均衡能力，避免重视开挖机械、轻视运输机械的情况，合理配置运输设备，保证运输能力能够大于掘进和支护能力，尽快恢复掌子面作业，充分发挥开挖设备和支护设备的能力[1]。

4 隧道工程机械化施工装备配套及选型方案研究

4.1 基本原则

隧道工程施工装备配套及选型方案应符合施工组织和进度要求，遵循开挖、出渣、初期支护、二次衬砌等基本工序，合理配置机械设备，提高各道工序的机械化作业水平；同时，要保证经济上的合理性和技术上的可行性，所选择的机械设备应能够适应多种隧道施工方法，尽可能降低设备运行成本。这需要从企业的自身实力出发，充分利用现有机械设备的同时，并积极进行调配更新。另外，隧道工程机械化施工装备配套及选型方案还要兼顾环保性和健康性原则，减少环境污染和生态破坏，保护职工健康。

4.2 分部开挖法机械化施工装备配套及选型方案

4.2.1 方法介绍

分部开挖法又可以分为环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、中隔壁法、中洞法、交叉中隔壁法等。其中，应用环形开挖预留核心土法不需要配备特殊机械装备，施工工艺相对简单，核心土地面积约占断面的一半以上，施工过程比较安全稳定，在土质地层及软弱围岩中较常应用，如果不能使用全断面开挖或台阶开挖，而且隧道跨度超过11 m，可以采用双侧壁导坑法，即首先进行两侧导坑开挖，做好初期支护工作和边墙衬砌，然后根据地质条件和断面大小，开挖剩余部分，整个施工过程相对安全，能够很好地控制地表沉陷。单侧壁导坑法只需要在单侧开挖导坑，在断面跨度大、地表易沉陷等软弱松散围岩中比较适用。

4.2.2 装备配套及选型方案

分部开挖法是将隧道断面划分成若干部分，然后分步骤进行开挖，其有利于控制开挖面，提高安全系数，但施工工序相对复杂，施工进度较缓慢。使用该方法进行机械化施工，无法使用大型机械设备，需要配备小型机械设备组合施工，并通过人工辅助的方式，才能获得不错的施工效果，通常可以采用2台小型挖掘机、2台小型装载机、5个液压钻、2台小型湿喷机、2台微型高压注浆机、2台自卸车、1个混凝土搅拌站、2台混凝土运输车、2台装载机，并配备相应的人员，即可开展具体工作。小型挖掘机需要加装机械手，以有利于安装拱架；产品主要为1~6 t级，可以在较小空间发挥开挖、出渣作用，小型装载机主要用于装卸散装物料，也可以进行轻度挖铲作业，如果加装辅助设备，还可以完成推土、起重等工序，具有良好的机动灵活性，速度快，效率高，操作简便，液压钻需要使用4.4~8.8 kW（6~12马力）的动力带动，通过钻杆、钻头进行钻岩造孔，可以有效降低劳动强度，提高施工效率，微型高压注浆机机身较轻，移动方便，结构简单，通过机械动力能够迅速提高工作压力，快速、有效地进行裂缝灌浆，形成良好的防水止漏效果，是裂缝补强、止渗堵漏的重要装备。分部开挖法机械化施工主要流程包括超前支护、开挖、出渣、安装拱架、喷锚支护等，需要严格控制各道工序的施工效果。

4.3 全断面开挖法机械化施工装备配套及选型方案

4.3.1 方法介绍

全断面开挖法是采用全断面一次性开挖的方式进行施工，通常会采用大型的机械装备，施工区段长度不能过短，否则会影响机械化施工的经济性；必须保证设备配置的合理性，充分发挥组合装备的作业效率。

4.3.2 装备配套及选型方案

全断面开挖法是按照设计开挖断面，一次开挖到位的施工方法，工作面较大，施工工艺简单，通过机械化施工，能够显著提高施工效率，尤其是配备大型机械装备时，更能显示机械化作业的优势。主要装备配套包括2台挖掘机、4台侧翻斗装载机、2个液压钻、4台高压注浆机、2台全电脑凿岩台车、2个移动式混凝土喷射机组、8台自卸车、2个混凝土搅拌站、4台混凝土运输车、2台装载机、2台二衬台车、2个混凝土输送泵、4台高压风机，同样，需要配备相应的人员完成相关工作。全电脑液压凿岩台车技术含量较高，是现阶段比较先进的隧道开挖装备，是一种集围岩数据分析、钻孔、装药、安装锚杆于一体的多功能机械装备。全断面开挖法具有广阔的发展前景，在围岩较差的施工条件下，通过科学合理的前期支护，依然可以完成施工任务。该方法工序简单，干扰因素较少，对施工组织管理十分有利，而且安全可靠，在机械化施工方面，是最高效、最经济的施工模式[2]。

4.4 台阶开挖法机械化施工装备配套及选型方案

4.4.1 方法介绍

根据长度划分，台阶开挖法又包括微台阶法、短台阶法、长台阶法。（1）严格意义上讲，微台阶法相当于全断面开挖法的一种变异，台阶长度一般控制在3~5 m。当长度小于3 m时，钻孔开挖工作和喷锚支护工作不能顺利进行；当长度大于5 m时，爆破石渣推到下台阶比较困难，需要人工翻渣，所以，这两种情况都不应采用微台阶法。（2）短台阶法适用于地质条件较差的四五级围岩结构，台阶长度一般控制在10~15 m，这样可以有效拉开工作面，减少干扰，开挖上台阶时，通常使用较少药量进行松动爆破，然后出渣转运到下台阶。（3）长台阶开挖法开挖断面较小，能够较好地保持开挖面的稳定性。上下台阶需要分别进行开挖、运输、支护等工作。台阶长度一般控制在50~80 m，在施工时，支护不能在一定时间内封闭成环，所以，该方法不能应用于软弱隧道围岩。

4.4.2 装备配套及选型方案

运用台阶开挖法可以实现平行施工的效果，在全断面完全开挖后，再进行衬砌，相对于全断面开挖法，施工工艺更为复杂。在综合考虑的情况下，机械化施工装备配套主要包括2台挖掘机、2台侧翻斗装载机、10个液压钻、2台高压注浆机、1个移动式混凝土喷射机组、2台多功能台车、4台自卸车、1个混凝土搅拌站、3台混凝土运输车、2台装载机、2台二衬台车、2个混凝土输送泵、2台高压风机等。出于机械化作业的考虑，微台阶法在具体施工过程中应用较少，所以，此施工装备配套及选型方案主要针对的是短台阶法和长台阶法。运用多功能台车钻孔、装药，运用移动式混凝土喷射机组排险和初期支护；同时要做好二次衬砌，提高围岩的稳定性。台阶开挖法机械化施工主要流程与全断面开挖法基本一致，同样要做好细节处理和科学管控。