谈隧道工程机械配置与发展

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摘要:隧道工程施工机械化配置与施工技术和工艺科学地结合，是隧道工程发展的必然趋势。本文首先介绍了国内外常见的隧道施工方法和隧道工程常用的机械配置，并以公路隧道工程施工为例，重点阐述了在隧道钻爆开挖、喷护、二衬施工、监控量测等关键工序的施工工艺和机械化配置，主要新意是结合不同地质条件和新工艺技术，优化配置隧道工程机械，突出了隧道施工机械化的重要优势，最后分析了隧道工程机械的未来发展趋势，为今后的不断推进隧道机械化施工提供参考。

关键词:隧道;工程机械配置与发展

十堰地处山区，近年来，交通建设突飞猛进，先后建设了相当规模的公路隧道，公路隧道实现了数量和质量上前所未有的飞跃。公路隧道传统的人工作业法存在很多不足，因此，采用大型机械化施工，不仅可以快速施工、节约成本、减轻人力，又大大提高了工程安全和质量。本文主要以公路隧道工程为例，结合十堰软弱围岩地质条件，总结介绍了公路隧道主要施工方法和工程机械的优化配置。从隧道施工超前地质预报、隧道开挖、支护、二衬施工工艺技术等方面展开研究探讨，并展望未来隧道工程机械的发展趋势，以期为今后隧道工程机械化发展提供一定的参考。

1公路隧道施工的主要方法和机械配置

1．1钻爆法隧道施工

钻爆法施工主要的施工流程为开挖、凿孔及爆破。现阶段的钻爆法隧道施工主要采用了新奥法支护、锚喷支护和光面控制爆破［1］，主要采用的机械有:(1)凿岩机械。现在的工程机械已经逐渐步入了液压化，而且技术趋于成熟。高科技运用到凿岩工程机械中，例如气动凿岩机的基础理论、测试技术的采用，大大提高了工程机械的性能;现代波动力学、减振、消声和新材料的应用，通过改变活塞的几何形状，达到最优能量传递的效果，采取扩大活塞直径等措施，提高了机械的冲击频率以及零件的使用寿命。(2)装渣及运输机械。在公路隧道工程施工中，出渣作业占了整个掘进作业循环时间的40%，因此对装渣及运输机械的选用是提高掘进工作的重点。国外的先进运输机械和牵引设备正由有轨向无轨发展，通过隧道装渣系统实现快速施工，提高了工作效率。目前，我国的公路隧道施工机械发展较国外还有一定的差距，主要的运输车辆有斗车、斗式列车，槽式、梭式矿车，梭式汽车、自卸汽车和胶带输送机等。(3)初支及二衬支护机械。在公路隧道施工中，隧道支护施工是其中一个重要的组成环节，是确保隧道施工安全的有力保障。初期支护一般叫初支，就是刚开挖完采用的一些支护方式，比如围岩好的时候就简单的锚杆挂网喷锚支护，围岩不好的话就用钢拱架支护，再喷锚。后期支护叫做二次衬砌，简称二衬，就是用衬砌台车浇筑混凝土。支护施工主要的机械有锚杆台车、注浆机、混凝土输送泵、喷射机、工字钢弯弯机、初支台车和二衬台车等。

1．2现代盾构掘进施工

在现代盾构掘进隧道施工中，主要采用的工程机械是盾构掘进机械。该机械具有一个可以移动的钢结构外壳(盾壳)，内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，采用了液压、机电控制、测控等技术，实现了开挖、支护、衬砌等多种作业的一体化施工，在欧美等国被广泛地使用，其中以德国、美国、日本技术的盾构掘进机械最为先进。目前，十堰市公路隧道建设还未引进盾构机，但在城区堵河水源工程的引水隧道施工，首次引进使用直径3．5m的盾构机施工。

1．3隧道联合掘进施工

隧道联合掘进施工作为一项比较先进的施工技术在国外被广泛地使用，且技术也比较成熟，但是在我国还未得到推广。该种施工方法主要采用工程机械式隧道联合掘进机，采用高压水电和流技术，不仅提高了机械破岩的能力，而且降低了费用，而且该工程机械具有极高的机械性，便于自动化操作，扩大了掘进机的使用范围和使用效率。

2十竹公路岳竹关隧道主要施工工艺

2．1隧道概况

该隧道全长1580m，投资概算为7078万元。起点桩号为K26+260，止点桩号为K27+840，最大埋深为258m，隧道净宽为10m，净高5m。该隧道是十堰至竹山二级公路改扩建工程最重要的控制性工程之一，位于十堰市张湾区西沟乡白石村和岳竹关村之间，隧道地质情况较为复杂，位于构造剥蚀中低山区，出路的地层主要为中元古代武当山群杨坪组(pt2yn)，云母石片岩，风化剥蚀强烈。山体为单斜构造，无大的断裂分布。

2．2施工总体部署

为确保隧道能够安全施工，需提前探测隧道前方地质情况，根据现场情况，当超前地质预报出现异常地质情况时，使用RPD150C多功能地质钻机进行超前地质预报，确认前方地质情况及判断围岩级别，研究可行有效的开挖方案［2］，多功能地质钻机实际每次钻孔深度为30－40m。由凿岩台车进行爆破钻孔作业，爆破后采取强排风及湿喷机械手喷水降尘。隧道出口采用挖掘机、装载车等设备配合运输车将隧道洞渣运输至指定填方路基处。采用湿喷机械手喷射混凝土进行初期支护。二衬防水板采用自动挂布机和人工配合进行安装，二衬混凝土施工采用新型智能自动分料全液压模板台车进行浇筑;自行式全液压仰拱栈桥用于仰拱施工作业。

2．3超前地质预报

为满足隧道地质超前预报目的和要求，本次隧道地质超前预报方法拟在非物探方法的基础上，采用综合物探超前预报方法。其中，非物探方法主要为掌子面地质素描和超前钻探法等，物探方法主要包括地震波反射法和地质雷达方法，地震波以地震波发射法为主和地质雷达法为辅，采用地震波反射法用TGP206对地质情况进行系统探测，以弄清隧道掌子面前方的工程地质和水文地质采用地质雷达和其他方法进行短期预报，以获得掌子面前方相对准确的地质情况。必要时进行超前地质钻探、加深探孔，富水区还要加红外线探水，有溶洞的地质区还需要做基底物探。

2．4机械化施工工艺

隧道施工机械选型应全面考虑生产性、可靠性、安全性、耐久性、经济性等特点。隧道开挖要遵循施工规范，做到爆破弱、短进尺、强支护、早封闭、勤测量等要求，严格按照谨密的生产步骤进行。(1)隧道开挖。隧道洞身Ⅳ级围岩采用三台阶开挖法和环形开挖预留核心土法施工［3］，按2槽钢架间距控制，利用凿岩台车并排进行钻眼装药施工;三级围岩正常段按3m控制，开挖采用两台阶开挖法，钢架锁脚锚杆必须在仰拱开挖前完成，每循环进不超过3m，采用超前小导管注浆超前支护破碎局部围岩，配2台凿岩台车并排进行施工钻孔作业。采用超前小导管注浆支护开挖五级围岩，遇软弱围岩无爆破作业时，用挖机微台阶开挖方法，其他情况均用人工法进行掌子面钻眼、清孔、装药、爆破开挖微台阶开挖，五级围岩开挖采用超前小导管注浆支护，遇软弱围岩无爆破作业时，用挖机微台阶开挖方法，其他情况均用人工法进行掌子面钻眼、清孔、装药、爆破开挖微台阶开挖。凿岩台车宜用于上下台阶法、三台阶法施工时掌子面钻眼、清孔、装药、安装锚杆等。为确保在开挖方法变化，机械化施工和人工施工转换顺利，操作机械钻眼及人工钻眼人员为独立的2套作业班组，施工用高压水管、高压风管同时铺设至隧道掌子面近端。(2)出渣施工。隧道出渣时先用挖掘机排险处置，装渣时再将装载机开至指定场地。进行掌子面出渣时，其他作业面也应同时作业，使多台机械设备在不同工序点同步作业，可大大提高作业效率，减少作业时间。(3)凿岩台车施工流程。凿岩台车作业时，按测量放线→炮眼布置→钻眼→装药联线→警戒、起爆→通风和洒水除尘→找顶→出渣→断面检测及分析的顺序进行施工，洞身开挖应注意以下事项:实时跟踪掌子面围岩变化情况，根据围岩情况及时调整施工方案;台阶法开挖应严格控制台阶长度，同时严格控制进尺长度;成孔后及时插入竹竿护孔;钻孔完成后，及时将台车退至指定位置停放;钻孔完成后，及时清理电缆、水管，并及时关闸，确保用水用电安全。(4)喷射混凝土施工。本隧道湿喷C25等级的混凝土，在拌合站集中拌制，混凝土运输车运至现场，再由湿喷机械手喷射，选用ZTC30工程底盘式湿喷台车进行施工作业，设备主要有行程长、喷射混凝土泵缸径大、机械手喷射范围大、可靠度高等性能特点，用电力驱动工作，可减少尾气排放，做到绿色施工。

喷射混凝土作业的喷射顺序应从下到上，反复喷射。分段施工时，将上一次喷射的混凝土留个宽度为200－300mm的斜面，混凝土喷射前需用压力水将斜面冲洗湿润。分片喷射时，先喷钢架与壁面间混凝土，两钢架之间混凝土次之，边墙混凝土从墙脚喷至墙头。分层喷射时，前一层混凝土终凝后方可喷射后一层混凝土，一次喷射混凝土须均匀喷射以控制厚度，边墙应控制在7－10cm，拱部控制在5－6cm，顶部喷射混凝土时，2次喷射时间宜相隔2－4h，以避免坠落现象。机械手喷射速度要适当，有利于混凝土压实，喷射时要根据情况调整喷射速度，还要保持喷嘴与受喷面间适当距离使压实最大、回弹最小。(5)拱架安装车。本隧道配备定制隧道拱架安装台车，将拱架按节段编号均匀摆放于隧道两侧，先对称安装C单元，然后组合安装A+B单元，最后组合安装A+A+B单元，安装各拱架节段时，利用拱架安装台车，并配合人工，采用短钢筋定位、连接钢筋固定拱架，支垫混凝土垫块，从而确保钢架的稳定性，间距合理控制。下一步计划对拱架连接方式进行优化，试验采用插销式连接，减少焊接、缩短拱架安装时间。(6)仰拱作业。仰拱作业采用型号为ZQ－GGTL24的自行式全液压仰拱栈桥，开挖完毕即开始仰拱及填充，根据不同围岩等级，确定开挖长度，无特殊情况下开挖长度为3．0－3．5m。移动式仰拱栈桥主要有主梁与车道、前后坡桥、后桥行走与平移、仰拱模板与提升机构、履带驱动装置及支腿部分组成。栈桥纵向移动施工可按安装栈桥→栈桥定位→仰拱衬砌→更换位置的顺序循环进行仰拱施工。(7)二次衬砌。在二次衬砌工序时［4］，先进行防排水及钢筋施工，采用自动挂布机台车铺设防水板。第二步采用衬砌模板安装液压模板台车进行模板混凝土施工，混凝土泵送入模在配备了混凝土分层布料机的台车上进行。泵送过程中需确保二衬混凝土浇筑高差不大于500mm，并对暂未浇筑的管路浇筑前润滑防止堵管，每层管路浇筑完毕后需进行清洗并关闭工作窗;混凝土到达拆模强度时可脱模，堵头模板拆除前做好拆模的各项工作，台车在收模时必须按照先收下动模再收上模架的顺序进行。上述工序完成后还要采用专用隧道二衬混凝土移动式台架及时养护二次衬砌的混凝土，在外侧四周洒水对二衬混凝土表面洒水喷雾，纵向移动台架，养护台架的电机行走速度控制在8m/min。洒水喷雾间隔时间根据施工条件而定，以确保二衬养护效果。(8)水沟电缆槽施工。采用定型模板台车在两侧对称浇筑电缆沟槽，二次应浇筑相同的长度以便对齐施工缝。台车拼装完成后，只需在每次施工前安装钢轨，全自动操作模板在台车就位后方可全部就位，减少了拼模和拆模过程，施工效率高，可缩短工期。

3公路隧道工程机械发展趋势

(1)总体形势。我国工程机械行业经过长时间的发展，目前已形成能生产18大类、4500多种规格型号的产品［5］，基本能满足国内市场需求的、具有相当规模和蓬勃发展活力的隧道施工行业。对于隧道工程机械行业未来发展，要着眼于国际市场水平和国内建设项目以及经济社会未来发展的需要，实施工程机械及关键零部件结构调整，全面提高工程机械化水平，促进隧道工程机械和重工机械行业的快速发展。(2)实现工程机械的自动化与智能化。随着计算机网络技术的发展，人们逐渐开始研究利用机械车载计算机辅助作业系统技术。主要是通过研究隧道机械动力学控制系统，对工程机械的各工作参数进行监测，其中主要利用电子计算机技术，将隧道机械的作业工况、作业介质和机器状况进行情况进行分析并反馈给操作人员，让工作人员能够及时了解隧道施工状况并且做出及时的处理，工程机械中自带的分析和决策程序是工程机械自动化和智能化实现的关键。(3)实现工程机械的成套化与系统化。成套化和系统化是隧道工程机械发展的主要趋势和必然趋势。国外许多著名大公司已逐步实现了其产品系列化进程。形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品能够通过中央控制室的控制，实现机械各个部分的有机结合和施工工作的协调配合。

4结语

未来的交通工程的隧道建设中，机械化设备配置是大势所向。但考虑到各个隧道工程的实际情况、环境和特殊地质等因素，当前国内的隧道工程机械化施工水平与国外发达国家还有很大差距，仍需不断探索创新和加强隧道机械化施工的技术方法研究，加快推进公路隧道工程机械化，尽快实现真正的公路隧道机械化和智能化，促进地方经济社会发展。

［参考文献］

［1］党晗菲．浅谈隧道钻爆法的施工方法［J］．建筑工程技术与设计，2015(013):650-650．

［2］蔚晋峰．隧道施工技术特点及其组织管理分析［J］．城市建设理论研究，2014(12)．

［3］陈鉴光，张运良，曹伟．对软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施的探讨［J］．公路工程，2011(04):139-142．

［4］韩克强．软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施［J］．城市建筑，2019(014):125-126．

［5］翁骏飞．我国隧道及地下工程发展现状和前景展望［J］．黑龙江交通科技，2016，39(009):142-142．

作者：李茂东 单位：十堰市道路交通运输综合执法支队