禹躍云

摘 要：近年來，隨著我國科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國鐵路隧道工程建設(shè)與日俱增同時(shí)也對(duì)施工要求越來越嚴(yán)格，要從根本上解決我國鐵路隧道施工的相關(guān)問題就必須實(shí)現(xiàn)鐵路隧道施工工程的機(jī)械化，將機(jī)械化施工技術(shù)和施工工藝科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)合在一起。文章針對(duì)我國鐵路隧道施工的發(fā)展過程和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)常用的鐵路隧道工程機(jī)械進(jìn)行了闡述，同時(shí)對(duì)鐵路隧道的機(jī)械化施工進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：隧道施工；機(jī)械化施工；鐵路施工

我國由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，已修建大量的鐵路隧道。在我國廣大隧道工作者的共同努力下，我們?cè)诨A(chǔ)理論研究，國外資料收集、設(shè)計(jì)、施工等方面取得了可靠的成就，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，我國的鐵路隧道施工快速建設(shè)的水平以及相應(yīng)的配套技術(shù)水平，施工設(shè)備等仍然落后與同等時(shí)期其他發(fā)達(dá)國家的建設(shè)水平。針對(duì)質(zhì)疑情況我們應(yīng)該結(jié)合我國隧道機(jī)械化建設(shè)的水平和現(xiàn)狀進(jìn)行全面系統(tǒng)化的總結(jié)分析，同時(shí)找出限制我國鐵路隧道機(jī)械化施工技術(shù)水平的弊端，并進(jìn)行討論進(jìn)一步提高我國隧道機(jī)械化施工的水平，以形成具有我國獨(dú)特的隧道理論、設(shè)計(jì)及施工方法。

1 我國鐵路隧道施工機(jī)械化的發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)五六十年代，我國的隧道施工主要是以人工施工為主，小型機(jī)械化為輔，施工難度大，工期長，施工效率極低，到了六十年代中期，我國開始在川黔線、成昆線和貴昆線的鐵路隧道施工中借鑒煤礦和礦山的巷道快速掘進(jìn)模式，運(yùn)用了配以自制分風(fēng)分水器的手持式鑿巖機(jī)械，以及鏟斗后卸式裝渣機(jī)、平移調(diào)車器和軌距組成裝運(yùn)系統(tǒng)等，不過施工效率仍然較低。我國的鐵路隧道機(jī)械化施工大致從橫廣復(fù)線大瑤山隧道建設(shè)的20世紀(jì)80年代為起點(diǎn)，之后在南昆、京九、大秦、西康的鐵路建設(shè)施工中發(fā)展完善，形成多種機(jī)械和設(shè)備配套施工的配套模式，并且以鐵路隧道鉆爆法機(jī)械化施工為發(fā)展標(biāo)志性技術(shù)，到了20世紀(jì)90年代的西康鐵路秦嶺段特長隧道中全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）的使用為又一技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，并逐漸形成模式沿用至今。

總結(jié)我國鐵路施工的發(fā)展現(xiàn)狀，可以得到以下結(jié)論，我國鐵路隧道機(jī)械化施工分別經(jīng)歷了小型設(shè)備鉆爆法施工、大型無軌運(yùn)輸鉆爆法施工和非鉆爆法施工三個(gè)階段，從部分機(jī)械化作業(yè)發(fā)展到了綜合機(jī)械化配套施工的道路，從人工開挖發(fā)展到了TBM的使用，兩次技術(shù)飛躍雖然大幅度的推進(jìn)了我國鐵路隧道施工技術(shù)的發(fā)展，但是在整體技術(shù)和相關(guān)的快速修建設(shè)備配套技術(shù)水平、施工裝備以及國產(chǎn)化程度仍然存在一定程度的問題，其主要表現(xiàn)在：

1.1 快速施工技術(shù)體系尚待完善。

以鉆爆法為基礎(chǔ)的機(jī)械化快速施工體系表現(xiàn)在機(jī)械化作業(yè)線設(shè)備配套技術(shù)、施工安全與風(fēng)險(xiǎn)控制、環(huán)境控制、巖溶高壓水、變形治理等方面。目前而言，許多設(shè)備配套和關(guān)鍵性技術(shù)難題亟待解決，施工進(jìn)度有較大差別，事故頻發(fā)，工程后環(huán)境治理跟不上進(jìn)度。

1.2 完善機(jī)械化設(shè)備配套

機(jī)械化配套設(shè)備只能在硬巖或者圍巖穩(wěn)定性較好的條件下才能進(jìn)行快速的機(jī)械化施工，作業(yè)線上的機(jī)械設(shè)備國產(chǎn)化程度較低，影響了機(jī)械的使用壽命和維修養(yǎng)護(hù)，同時(shí)就影響了作業(yè)的效率，不能形成較為完備的先進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線。特別是噴錨、支護(hù)和二次混凝土襯砌等工序的配套機(jī)械設(shè)備國產(chǎn)化程度極低，完全制約了我國鐵路隧道機(jī)械化施工的進(jìn)步和全面發(fā)展。

1.3 機(jī)械化程度亟待提高

相對(duì)于軟弱圍巖和土質(zhì)隧道，多數(shù)只能進(jìn)行人工作業(yè)。人工作業(yè)包含了施工時(shí)間長、工序繁復(fù)、圍巖擾動(dòng)較大、安全系數(shù)低、進(jìn)度緩慢。這些問題都是受制于機(jī)械化施工程度的低下。

針對(duì)這些突出問題，我國進(jìn)行了相關(guān)課題的研究，鐵道部門專門設(shè)立了“隧道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)的研究”，并且由中鐵隧道集團(tuán)牽頭進(jìn)行了其課題重要部分“隧道施工機(jī)械化配套技術(shù)及裝備研究”的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)和研究開展。通過結(jié)合實(shí)踐來進(jìn)行先進(jìn)技術(shù)的研究，能對(duì)我國鐵路隧道機(jī)械化施工的不足之處提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也能從實(shí)質(zhì)上解決我國鐵路修建技術(shù)相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化問題，提升隧道施工裝備的實(shí)力和國產(chǎn)化水平，進(jìn)而形成完善，先進(jìn)的鐵路機(jī)械化配套施工技術(shù)體系。

2 鐵路隧道機(jī)械化施工探討

進(jìn)行大規(guī)模的機(jī)械化作業(yè)，使隧道施工進(jìn)度明顯增快，施工質(zhì)量有所保證，是今后鐵路隧道機(jī)械化施工技術(shù)的關(guān)鍵所在。較高的機(jī)械化程度，可以在短期內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的隧道建設(shè)任務(wù)，并且要求其他各種相關(guān)的施工技術(shù)也必須在機(jī)械化的條件下進(jìn)行，在提高和加快機(jī)械化建設(shè)的同時(shí)也要推進(jìn)國產(chǎn)化裝備技術(shù)的建設(shè)。

2.1 鐵路隧道機(jī)械化施工中機(jī)械的配置、配套原則

配套施工以單機(jī)組組合配套后形成的生產(chǎn)作業(yè)線形成的綜合生產(chǎn)能力高低為原則，鐵路隧道的機(jī)械化施工機(jī)械設(shè)備的選擇配套要從機(jī)械配套使用的整體能力入手，單機(jī)的機(jī)械性能必須和整體性能匹配，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)相協(xié)調(diào)的效果。同時(shí)，我們要求各單機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中保持良好穩(wěn)定的技術(shù)可靠性，在規(guī)定時(shí)間和作業(yè)條件下完成工期范圍內(nèi)的額定功率；機(jī)械本身也要具有安全運(yùn)轉(zhuǎn)功能所需的安全性，是施工人員和機(jī)械操作人員在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有相應(yīng)的安全保障；其次，要在機(jī)械上裝備相關(guān)防護(hù)設(shè)備，保障機(jī)械的耐久性，配套機(jī)組中的各單機(jī)要經(jīng)久耐用；在機(jī)械的配套使用原則中要求及時(shí)的對(duì)機(jī)械進(jìn)行檢查、維修和養(yǎng)護(hù)；選用的設(shè)備要以優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)適用的節(jié)能設(shè)備為原則；最后，選用配套的設(shè)備要能夠適應(yīng)多種地質(zhì)條件下的不同施工方法，滿足輔助施工方法的施工需要，具備一定的適應(yīng)性。

隧道鐵路施工機(jī)械設(shè)備的配套首要滿足的是施工合同中所要求的相關(guān)條件，一般保護(hù)技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件。經(jīng)濟(jì)條件主要包含工作量、能源消耗、工作效率、操作性、通用性、勞力資源、耐久性、靈活性以及維修性。經(jīng)濟(jì)性主要包含使用率、購置率、使用率、各類資源消耗和與工期要求相符合的施工進(jìn)度等等。通常配套原則要與施工方法想配套，與施工組織要求的進(jìn)度目標(biāo)適應(yīng)，具有適應(yīng)不同圍巖的應(yīng)變能力，同時(shí)要充分考慮輔助導(dǎo)坑的作用和功能，員工的素質(zhì)和管理水平相適應(yīng)。

2.2 我國鐵路隧道機(jī)械化施工中常用的機(jī)械

我國已引進(jìn)多臺(tái)大直徑全斷面掘進(jìn)機(jī)機(jī)組成功地建設(shè)了多座水工、鐵路隧道，盾構(gòu)技術(shù)更是在鐵路隧道施工中得到廣泛應(yīng)用，這為非鉆爆法施工大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)自主創(chuàng)新開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2.1 TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)

開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)，以德國Wirth公司的雙排支撐靴結(jié)構(gòu)和美國的Robbins公司的單排支撐靴結(jié)構(gòu)機(jī)型為典型機(jī)型，作用是在巖石不易坍塌和地層較為穩(wěn)定的隧道施工中進(jìn)行施工，如果需要在較為破碎的地層中掘進(jìn)施工時(shí)需要在護(hù)盾后即刻進(jìn)行噴錨支護(hù)，最終的隧道支護(hù)施工方式是砼襯砌；單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)，單護(hù)盾式TBM與開敞式TBM有所不同的地方是單護(hù)盾式TBM配置了完整的圓形護(hù)盾，推進(jìn)方式是依靠推進(jìn)缸支撐在安裝完成的整體襯砌或管片上獲得支反力，但是由于單護(hù)盾式TBM的掘進(jìn)和安裝管片不能同時(shí)進(jìn)行，所以施工進(jìn)度較慢而應(yīng)用得較少；雙護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)的原理和單護(hù)盾式硬巖掘進(jìn)機(jī)完全相同，不同之處在于雙護(hù)盾式TBM配置有前后護(hù)盾，前后護(hù)盾間設(shè)置了伸縮護(hù)盾，后護(hù)盾配置了支撐靴，在地質(zhì)條件惡劣的情況下雙護(hù)盾式的TBM采用單護(hù)盾的方式推進(jìn)，在地質(zhì)條件允許的條件下則采用雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)，掘進(jìn)和安裝管片可以同時(shí)進(jìn)行，可以獲得較快的掘進(jìn)速度。

2.2.2 開挖設(shè)備

液壓鑿巖臺(tái)車，液壓鑿巖臺(tái)車從結(jié)構(gòu)上分為實(shí)腹式和門架式，從行走方式分可以分為軌行式、輪胎式和履帶式。門架式液壓鑿巖臺(tái)車的腹部可以通行運(yùn)渣車輛，能夠充分的利用隧道內(nèi)有限的橫斷空間，從而使施工中各設(shè)備的使用互不干擾，通常被運(yùn)用于單線鐵路隧道施工中，液壓鑿巖臺(tái)車開挖鉆孔作業(yè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)環(huán)境條件好，不過存在一次性投入比例較大的缺點(diǎn)。

多功能開挖臺(tái)架，多功能開挖臺(tái)架出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代我國施工過程中開發(fā)出來的風(fēng)鉆多功能臺(tái)架配套法，其具有制作成本低、制作方便、操作靈活、適用范圍廣泛以及便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，由于使用成本較低，所以利于全斷面大楔形斜眼掏槽爆破技術(shù)的實(shí)施，爆破具有良好的效果，是隧道施工的進(jìn)度得到了較好的保障，也適合我國隧道施工過程中勞動(dòng)力充足，廉價(jià)的特點(diǎn)。雖然這種配套施工方法具有很多利于施工和節(jié)省資源的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著科技含量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)環(huán)境差的缺點(diǎn)，在我國鐵路隧道施工機(jī)械化進(jìn)程的發(fā)展背景下必將被先進(jìn)的施工技術(shù)和施工機(jī)械所取代。

2.3 我國鐵路隧道機(jī)械化施工趨勢(shì)

2.3.1 隧道鉆爆法施工機(jī)械化是發(fā)展重點(diǎn)

用自液壓鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鐵路隧道施工取得了良好的施工效果，推廣和創(chuàng)新發(fā)展“新奧法”施工和機(jī)械化配套技術(shù)是實(shí)現(xiàn)隧道鉆爆法施工機(jī)械化的關(guān)鍵，其中掘進(jìn)機(jī)械化、裝-運(yùn)-卸機(jī)械化、錨桿-濕噴砼支護(hù)機(jī)械化以及襯砌（含仰拱）砼施工機(jī)械化仍是推廣和創(chuàng)新的重點(diǎn)。

2.3.2 重點(diǎn)研制隧道掘進(jìn)機(jī)

與國外施工設(shè)備相比較，在機(jī)械工作可靠性、液壓系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向和調(diào)向系統(tǒng)、刀具以及刀具軸承，主機(jī)大軸承的設(shè)計(jì)制造以及自動(dòng)控制系統(tǒng)及元件上存在較大差距，也是我國隧道掘進(jìn)機(jī)研制過程中需要解決的問題。為了滿足當(dāng)前高速鐵路特長隧道建設(shè)需要，我們要和國外知名的掘進(jìn)機(jī)制造廠進(jìn)行合作，并設(shè)立本地化生產(chǎn)工廠。

2.3.3 鐵路隧道機(jī)械化施工的科技化和自動(dòng)化

掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)制造在一定程度上反映了一個(gè)國家的綜合科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息傳輸和多媒體等的技術(shù)的綜合水平。目前在辦公室所在地可以直接從計(jì)算機(jī)屏幕上獲取遠(yuǎn)距離的掘進(jìn)機(jī)施工圖像和參數(shù)并可以發(fā)出指令進(jìn)行控制，這是機(jī)械化設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)；同時(shí)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展掘進(jìn)機(jī)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工系統(tǒng)的開發(fā)也是發(fā)展方向之一，越來越多的機(jī)械原理、電子學(xué)原理和機(jī)器人原理都會(huì)被合理的應(yīng)用到巖土工程學(xué)中。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國大規(guī)模鐵路建設(shè)的展開，隧道建設(shè)的數(shù)量將越來越多，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，建設(shè)條件更加復(fù)雜，要順利的完成我國鐵路隧道施工的機(jī)械化進(jìn)程，就必須在現(xiàn)有工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的歸納總結(jié)，結(jié)合我國鐵路施工的現(xiàn)狀去解決問題，同時(shí)培養(yǎng)高素質(zhì)的鐵路隧道施工技術(shù)人才，開展相應(yīng)的大型機(jī)械設(shè)備的國產(chǎn)化工作研究，才能客觀上解決我國鐵路隧道施工的機(jī)械化進(jìn)程中遇到的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。

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