談隧道工程機(jī)械配置與發(fā)展

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摘要:隧道工程施工機(jī)械化配置與施工技術(shù)和工藝科學(xué)地結(jié)合，是隧道工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的隧道施工方法和隧道工程常用的機(jī)械配置，并以公路隧道工程施工為例，重點(diǎn)闡述了在隧道鉆爆開(kāi)挖、噴護(hù)、二襯施工、監(jiān)控量測(cè)等關(guān)鍵工序的施工工藝和機(jī)械化配置，主要新意是結(jié)合不同地質(zhì)條件和新工藝技術(shù)，優(yōu)化配置隧道工程機(jī)械，突出了隧道施工機(jī)械化的重要優(yōu)勢(shì)，最后分析了隧道工程機(jī)械的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為今后的不斷推進(jìn)隧道機(jī)械化施工提供參考。

關(guān)鍵詞:隧道;工程機(jī)械配置與發(fā)展

十堰地處山區(qū)，近年來(lái)，交通建設(shè)突飛猛進(jìn)，先后建設(shè)了相當(dāng)規(guī)模的公路隧道，公路隧道實(shí)現(xiàn)了數(shù)量和質(zhì)量上前所未有的飛躍。公路隧道傳統(tǒng)的人工作業(yè)法存在很多不足，因此，采用大型機(jī)械化施工，不僅可以快速施工、節(jié)約成本、減輕人力，又大大提高了工程安全和質(zhì)量。本文主要以公路隧道工程為例，結(jié)合十堰軟弱圍巖地質(zhì)條件，總結(jié)介紹了公路隧道主要施工方法和工程機(jī)械的優(yōu)化配置。從隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、隧道開(kāi)挖、支護(hù)、二襯施工工藝技術(shù)等方面展開(kāi)研究探討，并展望未來(lái)隧道工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，以期為今后隧道工程機(jī)械化發(fā)展提供一定的參考。

1公路隧道施工的主要方法和機(jī)械配置

1．1鉆爆法隧道施工

鉆爆法施工主要的施工流程為開(kāi)挖、鑿孔及爆破?，F(xiàn)階段的鉆爆法隧道施工主要采用了新奧法支護(hù)、錨噴支護(hù)和光面控制爆破［1］，主要采用的機(jī)械有:(1)鑿巖機(jī)械。現(xiàn)在的工程機(jī)械已經(jīng)逐漸步入了液壓化，而且技術(shù)趨于成熟。高科技運(yùn)用到鑿巖工程機(jī)械中，例如氣動(dòng)鑿巖機(jī)的基礎(chǔ)理論、測(cè)試技術(shù)的采用，大大提高了工程機(jī)械的性能;現(xiàn)代波動(dòng)力學(xué)、減振、消聲和新材料的應(yīng)用，通過(guò)改變活塞的幾何形狀，達(dá)到最優(yōu)能量傳遞的效果，采取擴(kuò)大活塞直徑等措施，提高了機(jī)械的沖擊頻率以及零件的使用壽命。(2)裝渣及運(yùn)輸機(jī)械。在公路隧道工程施工中，出渣作業(yè)占了整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的40%，因此對(duì)裝渣及運(yùn)輸機(jī)械的選用是提高掘進(jìn)工作的重點(diǎn)。國(guó)外的先進(jìn)運(yùn)輸機(jī)械和牽引設(shè)備正由有軌向無(wú)軌發(fā)展，通過(guò)隧道裝渣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速施工，提高了工作效率。目前，我國(guó)的公路隧道施工機(jī)械發(fā)展較國(guó)外還有一定的差距，主要的運(yùn)輸車(chē)輛有斗車(chē)、斗式列車(chē)，槽式、梭式礦車(chē)，梭式汽車(chē)、自卸汽車(chē)和膠帶輸送機(jī)等。(3)初支及二襯支護(hù)機(jī)械。在公路隧道施工中，隧道支護(hù)施工是其中一個(gè)重要的組成環(huán)節(jié)，是確保隧道施工安全的有力保障。初期支護(hù)一般叫初支，就是剛開(kāi)挖完采用的一些支護(hù)方式，比如圍巖好的時(shí)候就簡(jiǎn)單的錨桿掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，圍巖不好的話就用鋼拱架支護(hù)，再?lài)婂^。后期支護(hù)叫做二次襯砌，簡(jiǎn)稱(chēng)二襯，就是用襯砌臺(tái)車(chē)澆筑混凝土。支護(hù)施工主要的機(jī)械有錨桿臺(tái)車(chē)、注漿機(jī)、混凝土輸送泵、噴射機(jī)、工字鋼彎彎?rùn)C(jī)、初支臺(tái)車(chē)和二襯臺(tái)車(chē)等。

1．2現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)施工

在現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)隧道施工中，主要采用的工程機(jī)械是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械。該機(jī)械具有一個(gè)可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼(盾殼)，內(nèi)裝有開(kāi)挖、排土、拼裝和推進(jìn)等機(jī)械裝置，采用了液壓、機(jī)電控制、測(cè)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)的一體化施工，在歐美等國(guó)被廣泛地使用，其中以德國(guó)、美國(guó)、日本技術(shù)的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械最為先進(jìn)。目前，十堰市公路隧道建設(shè)還未引進(jìn)盾構(gòu)機(jī)，但在城區(qū)堵河水源工程的引水隧道施工，首次引進(jìn)使用直徑3．5m的盾構(gòu)機(jī)施工。

1．3隧道聯(lián)合掘進(jìn)施工

隧道聯(lián)合掘進(jìn)施工作為一項(xiàng)比較先進(jìn)的施工技術(shù)在國(guó)外被廣泛地使用，且技術(shù)也比較成熟，但是在我國(guó)還未得到推廣。該種施工方法主要采用工程機(jī)械式隧道聯(lián)合掘進(jìn)機(jī)，采用高壓水電和流技術(shù)，不僅提高了機(jī)械破巖的能力，而且降低了費(fèi)用，而且該工程機(jī)械具有極高的機(jī)械性，便于自動(dòng)化操作，擴(kuò)大了掘進(jìn)機(jī)的使用范圍和使用效率。

2十竹公路岳竹關(guān)隧道主要施工工藝

2．1隧道概況

該隧道全長(zhǎng)1580m，投資概算為7078萬(wàn)元。起點(diǎn)樁號(hào)為K26+260，止點(diǎn)樁號(hào)為K27+840，最大埋深為258m，隧道凈寬為10m，凈高5m。該隧道是十堰至竹山二級(jí)公路改擴(kuò)建工程最重要的控制性工程之一，位于十堰市張灣區(qū)西溝鄉(xiāng)白石村和岳竹關(guān)村之間，隧道地質(zhì)情況較為復(fù)雜，位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，出路的地層主要為中元古代武當(dāng)山群楊坪組(pt2yn)，云母石片巖，風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈。山體為單斜構(gòu)造，無(wú)大的斷裂分布。

2．2施工總體部署

為確保隧道能夠安全施工，需提前探測(cè)隧道前方地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，當(dāng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)出現(xiàn)異常地質(zhì)情況時(shí)，使用RPD150C多功能地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確認(rèn)前方地質(zhì)情況及判斷圍巖級(jí)別，研究可行有效的開(kāi)挖方案［2］，多功能地質(zhì)鉆機(jī)實(shí)際每次鉆孔深度為30－40m。由鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行爆破鉆孔作業(yè)，爆破后采取強(qiáng)排風(fēng)及濕噴機(jī)械手噴水降塵。隧道出口采用挖掘機(jī)、裝載車(chē)等設(shè)備配合運(yùn)輸車(chē)將隧道洞渣運(yùn)輸至指定填方路基處。采用濕噴機(jī)械手噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。二襯防水板采用自動(dòng)掛布機(jī)和人工配合進(jìn)行安裝，二襯混凝土施工采用新型智能自動(dòng)分料全液壓模板臺(tái)車(chē)進(jìn)行澆筑;自行式全液壓仰拱棧橋用于仰拱施工作業(yè)。

2．3超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為滿(mǎn)足隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)目的和要求，本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法擬在非物探方法的基礎(chǔ)上，采用綜合物探超前預(yù)報(bào)方法。其中，非物探方法主要為掌子面地質(zhì)素描和超前鉆探法等，物探方法主要包括地震波反射法和地質(zhì)雷達(dá)方法，地震波以地震波發(fā)射法為主和地質(zhì)雷達(dá)法為輔，采用地震波反射法用TGP206對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行系統(tǒng)探測(cè)，以弄清隧道掌子面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)采用地質(zhì)雷達(dá)和其他方法進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，以獲得掌子面前方相對(duì)準(zhǔn)確的地質(zhì)情況。必要時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探、加深探孔，富水區(qū)還要加紅外線探水，有溶洞的地質(zhì)區(qū)還需要做基底物探。

2．4機(jī)械化施工工藝

隧道施工機(jī)械選型應(yīng)全面考慮生產(chǎn)性、可靠性、安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。隧道開(kāi)挖要遵循施工規(guī)范，做到爆破弱、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量等要求，嚴(yán)格按照謹(jǐn)密的生產(chǎn)步驟進(jìn)行。(1)隧道開(kāi)挖。隧道洞身Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階開(kāi)挖法和環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工［3］，按2槽鋼架間距控制，利用鑿巖臺(tái)車(chē)并排進(jìn)行鉆眼裝藥施工;三級(jí)圍巖正常段按3m控制，開(kāi)挖采用兩臺(tái)階開(kāi)挖法，鋼架鎖腳錨桿必須在仰拱開(kāi)挖前完成，每循環(huán)進(jìn)不超過(guò)3m，采用超前小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)破碎局部圍巖，配2臺(tái)鑿巖臺(tái)車(chē)并排進(jìn)行施工鉆孔作業(yè)。采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)開(kāi)挖五級(jí)圍巖，遇軟弱圍巖無(wú)爆破作業(yè)時(shí)，用挖機(jī)微臺(tái)階開(kāi)挖方法，其他情況均用人工法進(jìn)行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開(kāi)挖微臺(tái)階開(kāi)挖，五級(jí)圍巖開(kāi)挖采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，遇軟弱圍巖無(wú)爆破作業(yè)時(shí)，用挖機(jī)微臺(tái)階開(kāi)挖方法，其他情況均用人工法進(jìn)行掌子面鉆眼、清孔、裝藥、爆破開(kāi)挖微臺(tái)階開(kāi)挖。鑿巖臺(tái)車(chē)宜用于上下臺(tái)階法、三臺(tái)階法施工時(shí)掌子面鉆眼、清孔、裝藥、安裝錨桿等。為確保在開(kāi)挖方法變化，機(jī)械化施工和人工施工轉(zhuǎn)換順利，操作機(jī)械鉆眼及人工鉆眼人員為獨(dú)立的2套作業(yè)班組，施工用高壓水管、高壓風(fēng)管同時(shí)鋪設(shè)至隧道掌子面近端。(2)出渣施工。隧道出渣時(shí)先用挖掘機(jī)排險(xiǎn)處置，裝渣時(shí)再將裝載機(jī)開(kāi)至指定場(chǎng)地。進(jìn)行掌子面出渣時(shí)，其他作業(yè)面也應(yīng)同時(shí)作業(yè)，使多臺(tái)機(jī)械設(shè)備在不同工序點(diǎn)同步作業(yè)，可大大提高作業(yè)效率，減少作業(yè)時(shí)間。(3)鑿巖臺(tái)車(chē)施工流程。鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)時(shí)，按測(cè)量放線→炮眼布置→鉆眼→裝藥聯(lián)線→警戒、起爆→通風(fēng)和灑水除塵→找頂→出渣→斷面檢測(cè)及分析的順序進(jìn)行施工，洞身開(kāi)挖應(yīng)注意以下事項(xiàng):實(shí)時(shí)跟蹤掌子面圍巖變化情況，根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整施工方案;臺(tái)階法開(kāi)挖應(yīng)嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度，同時(shí)嚴(yán)格控制進(jìn)尺長(zhǎng)度;成孔后及時(shí)插入竹竿護(hù)孔;鉆孔完成后，及時(shí)將臺(tái)車(chē)退至指定位置停放;鉆孔完成后，及時(shí)清理電纜、水管，并及時(shí)關(guān)閘，確保用水用電安全。(4)噴射混凝土施工。本隧道濕噴C25等級(jí)的混凝土，在拌合站集中拌制，混凝土運(yùn)輸車(chē)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，再由濕噴機(jī)械手噴射，選用ZTC30工程底盤(pán)式濕噴臺(tái)車(chē)進(jìn)行施工作業(yè)，設(shè)備主要有行程長(zhǎng)、噴射混凝土泵缸徑大、機(jī)械手噴射范圍大、可靠度高等性能特點(diǎn)，用電力驅(qū)動(dòng)工作，可減少尾氣排放，做到綠色施工。

噴射混凝土作業(yè)的噴射順序應(yīng)從下到上，反復(fù)噴射。分段施工時(shí)，將上一次噴射的混凝土留個(gè)寬度為200－300mm的斜面，混凝土噴射前需用壓力水將斜面沖洗濕潤(rùn)。分片噴射時(shí)，先噴鋼架與壁面間混凝土，兩鋼架之間混凝土次之，邊墻混凝土從墻腳噴至墻頭。分層噴射時(shí)，前一層混凝土終凝后方可噴射后一層混凝土，一次噴射混凝土須均勻噴射以控制厚度，邊墻應(yīng)控制在7－10cm，拱部控制在5－6cm，頂部噴射混凝土?xí)r，2次噴射時(shí)間宜相隔2－4h，以避免墜落現(xiàn)象。機(jī)械手噴射速度要適當(dāng)，有利于混凝土壓實(shí)，噴射時(shí)要根據(jù)情況調(diào)整噴射速度，還要保持噴嘴與受?chē)娒骈g適當(dāng)距離使壓實(shí)最大、回彈最小。(5)拱架安裝車(chē)。本隧道配備定制隧道拱架安裝臺(tái)車(chē)，將拱架按節(jié)段編號(hào)均勻擺放于隧道兩側(cè)，先對(duì)稱(chēng)安裝C單元，然后組合安裝A+B單元，最后組合安裝A+A+B單元，安裝各拱架節(jié)段時(shí)，利用拱架安裝臺(tái)車(chē)，并配合人工，采用短鋼筋定位、連接鋼筋固定拱架，支墊混凝土墊塊，從而確保鋼架的穩(wěn)定性，間距合理控制。下一步計(jì)劃對(duì)拱架連接方式進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)采用插銷(xiāo)式連接，減少焊接、縮短拱架安裝時(shí)間。(6)仰拱作業(yè)。仰拱作業(yè)采用型號(hào)為ZQ－GGTL24的自行式全液壓仰拱棧橋，開(kāi)挖完畢即開(kāi)始仰拱及填充，根據(jù)不同圍巖等級(jí)，確定開(kāi)挖長(zhǎng)度，無(wú)特殊情況下開(kāi)挖長(zhǎng)度為3．0－3．5m。移動(dòng)式仰拱棧橋主要有主梁與車(chē)道、前后坡橋、后橋行走與平移、仰拱模板與提升機(jī)構(gòu)、履帶驅(qū)動(dòng)裝置及支腿部分組成。棧橋縱向移動(dòng)施工可按安裝棧橋→棧橋定位→仰拱襯砌→更換位置的順序循環(huán)進(jìn)行仰拱施工。(7)二次襯砌。在二次襯砌工序時(shí)［4］，先進(jìn)行防排水及鋼筋施工，采用自動(dòng)掛布機(jī)臺(tái)車(chē)鋪設(shè)防水板。第二步采用襯砌模板安裝液壓模板臺(tái)車(chē)進(jìn)行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配備了混凝土分層布料機(jī)的臺(tái)車(chē)上進(jìn)行。泵送過(guò)程中需確保二襯混凝土澆筑高差不大于500mm，并對(duì)暫未澆筑的管路澆筑前潤(rùn)滑防止堵管，每層管路澆筑完畢后需進(jìn)行清洗并關(guān)閉工作窗;混凝土到達(dá)拆模強(qiáng)度時(shí)可脫模，堵頭模板拆除前做好拆模的各項(xiàng)工作，臺(tái)車(chē)在收模時(shí)必須按照先收下動(dòng)模再收上模架的順序進(jìn)行。上述工序完成后還要采用專(zhuān)用隧道二襯混凝土移動(dòng)式臺(tái)架及時(shí)養(yǎng)護(hù)二次襯砌的混凝土，在外側(cè)四周灑水對(duì)二襯混凝土表面灑水噴霧，縱向移動(dòng)臺(tái)架，養(yǎng)護(hù)臺(tái)架的電機(jī)行走速度控制在8m/min。灑水噴霧間隔時(shí)間根據(jù)施工條件而定，以確保二襯養(yǎng)護(hù)效果。(8)水溝電纜槽施工。采用定型模板臺(tái)車(chē)在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)澆筑電纜溝槽，二次應(yīng)澆筑相同的長(zhǎng)度以便對(duì)齊施工縫。臺(tái)車(chē)拼裝完成后，只需在每次施工前安裝鋼軌，全自動(dòng)操作模板在臺(tái)車(chē)就位后方可全部就位，減少了拼模和拆模過(guò)程，施工效率高，可縮短工期。

3公路隧道工程機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

(1)總體形勢(shì)。我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前已形成能生產(chǎn)18大類(lèi)、4500多種規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品［5］，基本能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的、具有相當(dāng)規(guī)模和蓬勃發(fā)展活力的隧道施工行業(yè)。對(duì)于隧道工程機(jī)械行業(yè)未來(lái)發(fā)展，要著眼于國(guó)際市場(chǎng)水平和國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)未來(lái)發(fā)展的需要，實(shí)施工程機(jī)械及關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)調(diào)整，全面提高工程機(jī)械化水平，促進(jìn)隧道工程機(jī)械和重工機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。(2)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的自動(dòng)化與智能化。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸開(kāi)始研究利用機(jī)械車(chē)載計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)。主要是通過(guò)研究隧道機(jī)械動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，對(duì)工程機(jī)械的各工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中主要利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，將隧道機(jī)械的作業(yè)工況、作業(yè)介質(zhì)和機(jī)器狀況進(jìn)行情況進(jìn)行分析并反饋給操作人員，讓工作人員能夠及時(shí)了解隧道施工狀況并且做出及時(shí)的處理，工程機(jī)械中自帶的分析和決策程序是工程機(jī)械自動(dòng)化和智能化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。(3)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的成套化與系統(tǒng)化。成套化和系統(tǒng)化是隧道工程機(jī)械發(fā)展的主要趨勢(shì)和必然趨勢(shì)。國(guó)外許多著名大公司已逐步實(shí)現(xiàn)了其產(chǎn)品系列化進(jìn)程。形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時(shí)，產(chǎn)品能夠通過(guò)中央控制室的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械各個(gè)部分的有機(jī)結(jié)合和施工工作的協(xié)調(diào)配合。

4結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的交通工程的隧道建設(shè)中，機(jī)械化設(shè)備配置是大勢(shì)所向。但考慮到各個(gè)隧道工程的實(shí)際情況、環(huán)境和特殊地質(zhì)等因素，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的隧道工程機(jī)械化施工水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距，仍需不斷探索創(chuàng)新和加強(qiáng)隧道機(jī)械化施工的技術(shù)方法研究，加快推進(jìn)公路隧道工程機(jī)械化，盡快實(shí)現(xiàn)真正的公路隧道機(jī)械化和智能化，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

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作者：李茂東 單位：十堰市道路交通運(yùn)輸綜合執(zhí)法支隊(duì)