特长铁路隧道机械化配套施工技术

浅谈特长铁路隧道机械化配套施工技术

摘要本文以长洪岭隧道为例，介绍了特长铁路隧道机械化配套施工工艺，探索特长隧道快速施工技术。关键词特长铁路隧道机械化配套快速施工

0 工程概述

新建铁路渝利线是国家铁路中长期规划的“四横四纵”中的“一横”——沪宁汉渝蓉快速客运专线重要组成部分，西起重庆北站，向东途经重庆市渝北区、江北区、长寿区、涪陵区、丰都县和石柱县，至湖北省利川市，线路全长260.4km，设计时速200km/h。全隧以Ⅲ级围岩为主，主要为泥岩，砂岩互层，节理发育，岩体破碎，岩质较软。

1 机械选择应考虑的因素

在特长隧道施工中，机械设备的配套是实现隧道快速施工的重要途径，需从工程的总体规划考虑，需要充分考虑人的因素、要以满足对工程的工期、质量、安全、环保等各项要求为前提，合理进行机械配置以满足施工需要；施工机械应与施工环境、施工方法相配套；根据地质条件、工期要求，通过比选，确定切合实际机械配套施工方案；还应充分考虑施工机械之间的配合及协调工作能力；企业的发展战略要求，技术装备能力是企业展示自己重要手段，借助于重点大型工程，提高企业的装备能力，既可以加快工程进度，又可以创造企业信誉，树立企业形象，同时也促进了企业的技术进步。

2 隧道施工机械配套技术

隧道施工机械设备主要包括超前地质预报设备、开挖机械、出渣机械、喷射混凝土机械及二衬设备等。长洪岭隧道进口施工机械选型经过多个方案的比较和筛选，最后采用两台TAMROCK三臂凿岩台车进行开挖作业；轮胎式ZL50C装载机配合大吨位自卸汽车出碴；Sika-PM500PC湿喷机械手进行初支混凝土湿喷作业；38m可移动式仰拱栈桥进行仰拱施工；两台12米液压衬砌模板台车进行二次衬砌混凝土施工，并配以地质钻机及TSP203超前地质预报系统，组成了隧道机械化施工作业线。

2.1 开挖施工机械

2.1.1 钻孔机械

长洪岭隧道进口配置了两台TAMROCK三臂液压凿岩台车进行全断面开挖施工。在地质条件允许的范围内钻孔进尺最大可达5.35m，相比人工开挖循环最大进尺3.0～3.5m，液压凿岩台车每循环进尺可达4.5～5.0m，且循环时间比人工开挖减少1.5小时以上，大大提高了施工速度，为确保工程按期完成提供了先进的设备保障。

液压凿岩台车的使用，不仅提高了施工进度，更增加了员工作业安全系数，改善了工作环境。台车操作人员在固定的操作平台上操作机械，距隧道掌子面约13m的安全距离，视线开阔，易于观察围岩的变化情况，加之操作平台上设有安全顶棚，从硬件和机械的设计上增大了操作员工安全系数。相比于人工开挖噪音大，作业环境差的缺点，液压凿岩台车采用人性化设计，采用电力作动力，清洁环保，极大地减少了隧道空气污染和粉尘含量，并大大降低了噪音。

凿岩台车电—液控制系统采用PLC可编辑逻辑控制，电信号通过电液比例阀控制终端执行机构，由此可以使各个钻进参数达到最佳，从而达到快速高效精确的控制。通过长洪岭隧道进口液压凿岩台车钻爆效果看，光爆效果明显优于人工手持风钻的操作模式，隧道残眼保存率基本在92%以上，隧道的开挖成型得到保证，从而达到了以质量促进效益的最佳效果。

2.1.2 出渣机械

出碴作业是隧道施工的一个重要工序，直接关系着隧道的整体开挖进度。长洪岭隧道进口配置了双桥驱动、载重量在20t以上的大型运输车辆12台，购置了广西柳工集团生产的ZL50C装载机3台，用以进行出碴配套作业。从出碴机械数量、质量上保证单循环出碴作业的顺利进行，能够避免和减少因车辆故障影响洞碴外运。

为了保证快速出碴，要做到爆破前车辆在规定位置等待，爆破通风后，快速进入掌子面

出碴。出碴时，采用2台装载机同时装碴（第3台备用），极大的加快了装碴速度，12台出碴车辆连续出碴，确保出碴时掌子面一直有车等待装碴，装载机始终处于工作状态，为加快洞身开挖提供保障。

表1 开挖作业线机械配套表

序号机械名称规格型号数量生产厂家主要用途

1 凿岩台车AzeraT11S-315

2 芬兰TAMROCK 开挖

2 装载机ZLC50C

3 柳工出碴

3 运输车金王子25T

4 中国重汽出碴

4 运输车红岩8 重庆红岩出碴

5 挖掘机SK200 1 神钢爬碴

2.2 锚喷机械

锚杆孔采用台车钻眼，多功能作业台架挂网，挤压式注浆泵注浆。喷射混凝土采用西班牙制造的Sika-PM500PC湿喷机械手，该设备可通过操作有线“遥控器”来控制喷射头进行喷混凝土作业，喷料速度4～24m3/h，喷射头上安装有摆动马达（可240°摆动）和回转马达（可360°回转），且机械手的大臂、小臂均能通过液压驱动后灵活的转动，喷射范围较大，施工中喷头与喷射面之间的角度能够始终保持在最佳角度。Sika-PM500PC湿喷机采用液态添加剂计量输送装置，能够精确地控制速凝剂用量，喷头安装红外线距离感应器，保证了喷头到喷射面始终控制在0.8米，有效保证了喷射混凝土质量，减少喷射混凝土回弹量，混凝土的施工质量也因此得以保证，成本也得以大幅度降低。

表2 锚喷支护机械配套表

序号机械名称规格型号数量生产厂家主要用途

1 机械喷射手PM500PC 1 普茨迈斯特湿喷砼

2 搅拌机PC750 2 重庆石桥搅拌砼

3 混凝土运输车8m3 2 安徽华菱运输砼

4 注浆机GJB3 1 国产锚杆注浆

2.3 仰拱施工机械

长洪岭隧道进口采用液压移动仰拱栈桥，主桥38m，支点间跨度23m，一个循环最大施工长度20m，可横向移动和纵向移动，施工方便。该栈桥主梁和桥面采用桁架式结构，减少了自重和结构高度，满足了通行和桥下作业净空要求，实现了仰拱全断面作业。移动就位快捷，提高了隧道仰拱混凝土的施工速度。完成一次移动就位仅需1小时，提高了仰拱混凝土的施工速度。

表3 仰拱施工机械配套表

序号机械名称规格型号数量生产厂家主要用途

1 挖掘机SK200 1 神钢出碴

2 运输车红岩 4 重庆红岩出碴

3 搅拌机PC750 2 重庆石桥搅拌砼

4 液压移动栈桥38m 1 隧道局股份公司仰拱施工

5 混凝土运输车8m3 4 安徽华菱运输砼

2.4 二次衬砌施工机械

为加快二次衬砌施工进度，长洪岭隧道进口采用两台长度12m全液压整体式模板台车用于二次衬砌施工，隧道二次衬砌所用混凝土来自自建的大型自动计量混凝土拌合站。采用4台容量8m3的罐式混凝土运输车和2台混凝土输送泵进行混凝土浇筑。同备用两台250千瓦发电机，以防停电。

表4 二衬施工机械配套表

序号机械名称规格型号数量生产厂家主要用途

1 液压衬砌台车12m

2 隧道局股份公司二衬

2 搅拌机PC750 2 重庆石桥搅拌砼

3 混凝土输送泵HBT60 2 国产二衬

4 混凝土运输车8m3 4 安徽华菱运输砼

2.5 超前地质钻孔及预报设备

2.5.1 自行式全液压旋转冲击式钻机

为了准确的探明隧道地质情况，为隧道快速掘进提供科学的地质依据，在长洪岭隧道进口配置日本生产的RPD-150C型自行式全液压旋转冲击式钻机，用以进行超前地质探孔，可直接取芯、现场记录，及时准确的为施工服务，以便采取不同技术措施指导施工生产。

2.5.2 TSP203超前地质预报

采用先进的TSP203超前地质预报系统，能方便快捷地预报掌子面前方100～350m范围内的地质情况，不仅可以及时地为隧道施工变更施工工艺提供依据，而且可以减少隧道施工中突发性地质灾害的危险性，为隧道施工提供施工更安全保障。

2.5.3 地质雷达

当TSP超前探测发现有重大异常体地质时，采用地质雷达超前探测前方约30m范围内的地质预报，进一步确定异常体的规模、性质、危害性。

3 泥岩、砂岩互层围岩快速掘进技术

长洪岭隧道围岩主要为泥岩夹砂岩、砂岩，两者平互层。砂岩的位置、厚度、硬度变化较大，如果开挖时钻孔、装药不合理，可能造成较大的台阶状的超挖或欠挖。开挖成型很差，对施工安全、施工质量、施工进度都可能造成较大的影响。

3.1 开挖方法

3.1.1 超前探孔

超前地质钻探作为超前地质预报手段中最直接、最直观、最有效的一种预报方法,在长大隧道施工中起着重要的作用。采用在拱顶部位、拱腰两侧各取一点作为超前探孔施作点，探孔深度均为5.0m。超前探孔的施作，可以超前准确预报出掌子面前方围岩发育情况及各种地质灾害，为施工安全提供了有力的保障。

3.1.2 楔形掏槽

由于本隧道设计跨度大、净空高，采用全断面一次爆破开挖，没有大的掏槽自由面是很难实现的，施工人员经过多次掏槽试验，最后确定采用复式楔形斜眼掏槽。第一级掏槽角控制在45°～55°，不宜过大或过小。通常情况下，掏槽眼上下排间距取50～90cm，硬岩取小值，中硬岩取中值，软岩取大值。同一隧道横断面上，一对掏槽眼眼底距离通常取20～30cm。

3.1.3 光面爆破

采用光面爆破，可以减小对围岩的破坏，增强围岩自身的承载能力，要强调的是，在不良地质条件下，更要加强光面爆破，取得良好的爆破效果，避免出现围岩冒落及塌坍现象，相应就减少了出渣、支护的工程量，节约了时间。影响光面爆破的因素比较复杂，除了地质条件、钻孔的准确性和爆破技术操作性外，还有光爆层厚度、周边眼间距、装药量和装药结构以及起爆技术等。要根据围岩地质条件，确定合理的光面爆破参数。

3.1.3.1 根据围岩特点合理的选择周边眼间距和最小抵抗线，在硬岩处必须缩小周边眼间距，增加药量。

3.1.3.2 减小二圈眼装药量。二圈眼距离轮廓线很近，过大的装药量可能使光爆层发生超爆甚至围岩松动，因此，减小二圈眼药量使十分必要的。

3.1.3.3 采用毫秒微差有序起爆，创造良好的临空面。

3.2 初期支护

3.2.1 喷射混凝土

爆破后，立即对暴露面进行初喷(素混凝土)，喷层厚3cm～5cm，以尽快的速度及早对围岩进行封闭。待下一循环前，在施作了锚杆、钢筋网片后再复喷，喷层厚度不小于12 crn。

3.2.2 锚杆及钢筋网

系统锚杆的施作可以增加层面问的抗剪强度和摩擦力，向围岩施加径向压力形成承载拱，可以减少围岩变形，提高围岩的整体稳定性。锚杆的钻进方向必须是垂直掌子面岩层面，施工中，拱部采用Φ22中空注浆锚杆，边墙采用砂浆锚杆。锚杆施工后挂设Φ6mm钢筋网片。

5 仰拱及二次衬砌快速施工

施工实践及测量资料证明，仰拱封闭前围岩收敛变形较大，且发展速度快，很难稳定，而施作了仰拱后，围岩与支护很快趋于稳定，可见仰拱及时封闭是关键。为了加快仰拱施工速度，在原有一座液压栈桥的基础上，又增加一座16m长自制移动栈桥，通过采用上述措施，既确保了安全，又保证了进度指标的实现。

长洪岭隧道围岩主要为泥岩夹砂岩，但泥岩遇水易软化，初期支护后拱顶仍有掉块及坍塌的可能性，及时进行二次衬砌施工显得尤为重要。二次衬砌采用整体式模板台车衬砌，混凝土集中拌和，输送泵输送，泵送入模。在围岩变形发展加快或不稳定，出现安全隐患的情况下，采取衬砌紧跟的措施，以确保隧道施工安全。

6 施工通风

搞好隧道通风，改善作业环境，是实现隧道快速施工的必要条件。根据总体工期安排，长洪岭隧道进口独头掘进4700m，通风质量尤为关键。根据精确论证，风机选用高风压、大风量的双级SDF（C）-No12.5型轴流风机。通风管采用PVC增强维纶面制成的柔性风管，有优良的阻燃的抗静电性能，节长一般在20～50m。施工中，根据通风效果及时调整风机数量，及时调整风机转速，采用低速、中速或高速，在保证施工通风效果的前提下，达到节约用电的目的。

7 人员安全定位系统

为了确保施工安全，强化对现场施工情况的动态控制，全面提高项目施工生产和安全管理的综合水平，项目引进电子屏显示和系统安全定位系统。电子屏悬挂于隧道洞口上方，能够及时、准确地掌握隧道内施工的动态情况，为隧道现场施工的办公自动化奠定了基础。安全定位系统可以自动统计隧道内作业人员的进出时间，随时反映隧道内人员和机械的运行情况，极大提高了安全生产防控能力。同时当发生地质灾害时，可以显示作业区内人员的数量、身份、位置等数据，为迅速展开抢险提供确切的决策依据。

8 结束语

运用TSP203、地质雷达并结合超前探孔等超前预报手段，总结出了一套针对高风险隧道的超前地质预报方法，对指导隧道施工起到了重要的作用，有效的减小了地质灾害对隧道施工的影响，确保施工安全。针对泥岩、砂岩互层，水平岩层发育等地质特性，在施工中不断地总结，并通过现场不断优化，形成了一套适合于大断面特长隧道水平岩层快速施工的工艺。通过采用液压凿岩台车、混凝土湿喷机械手、液压移动栈桥等先进的施工设备，实现了铁路单线特长隧道的快速掘进，为特长铁路隧道的机械化配套施工做出了有益的探索和实践。开挖成形效果对隧道的初期支护及二次衬砌质量有着直接影响，关系着整个项目的效益，必须严抓不放。搞好文明施工，创造良好的施工作业环境是实现快速施工的前提。良好的工作环境，既能激发职工的劳动潜力，又能提高工作效率。

参考文献：

[1]关宝树．隧道工程施工要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[2]孙钧．地下工程设计理论与实践[M]．上海：上海科学技术出版社，1996。

[3]杨文渊. 简明工程机械施工手册[M] . 北京: 人民交通出版社,2001。

On the specialty mechanical construction and related technical railway tunnel

Abstract: In this paper, Changhong Tunnel as an example, mechanization of expertise

supporting railway tunnel construction technology, construction technology quickly

explore long tunnel.

Key words: expertise supporting rapid mechanization railway tunnel construction