铁路隧道机械化施工

摘 要：近年来,随着我国科技的进步和经济的发展,我国铁路隧道工程建设与日俱增同时也对施工要求越来越严格,要从根本上解决我国铁路隧道施工的相关问题就必须实现铁路隧道施工工程的机械化,将机械化施工技术和施工工艺科学严谨的结合在一起.文章针对我国铁路隧道施工的发展过程和现状进行分析,并对常用的铁路隧道工程机械进行了阐述,同时对铁路隧道的机械化施工进行了探讨.

关 键 词：隧道施工；机械化施工；铁路施工

我国由于经济发展的需要,已修建大量的铁路隧道.在我国广大隧道工作者的共同努力下,我们在基础理论研究,国外资料收集、设计、施工等方面取得了可靠的成就,积累了丰富的经验.但是,我国的铁路隧道施工快速建设的水平以及相应的配套技术水平,施工设备等仍然落后与同等时期其他发达国家的建设水平.针对质疑情况我们应该结合我国隧道机械化建设的水平和现状进行全面系统化的总结分析,同时找出限制我国铁路隧道机械化施工技术水平的弊端,并进行讨论进一步提高我国隧道机械化施工的水平,以形成具有我国独特的隧道理论、设计及施工方法.

1我国铁路隧道施工机械化的发展现状

上世纪五六十年代,我国的隧道施工主要是以人工施工为主,小型机械化为辅,施工难度大,工期长,施工效率极低,到了六十年代中期,我国开始在川黔线、成昆线和贵昆线的铁路隧道施工中借鉴煤矿和矿山的巷道快速掘进模式,运用了配以自制分风分水器的手持式凿岩机械,以及铲斗后卸式装渣机、平移调车器和轨距组成装运系统等,不过施工效率仍然较低.我国的铁路隧道机械化施工大致从横广复线大瑶山隧道建设的20世纪80年代为起点,之后在南昆、京九、大秦、西康的铁路建设施工中发展完善,形成多种机械和设备配套施工的配套模式,并且以铁路隧道钻爆法机械化施工为发展标志性技术,到了20世纪90年代的西康铁路秦岭段特长隧道中全断面硬岩掘进机（TBM）的使用为又一技术发展的标志,并逐渐形成模式沿用至今.

总结我国铁路施工的发展现状,可以得到以下结论,我国铁路隧道机械化施工分别经历了小型设备钻爆法施工、大型无轨运输钻爆法施工和非钻爆法施工三个阶段,从部分机械化作业发展到了综合机械化配套施工的道路,从人工开挖发展到了TBM的使用,两次技术飞跃虽然大幅度的推进了我国铁路隧道施工技术的发展,但是在整体技术和相关的快速修建设备配套技术水平、施工装备以及国产化程度仍然存在一定程度的问题,其主要表现在：

1.1快速施工技术体系尚待完善.

以钻爆法为基础的机械化快速施工体系表现在机械化作业线设备配套技术、施工安全与风险控制、环境控制、岩溶高压水、变形治理等方面.目前而言,许多设备配套和关键性技术难题亟待解决,施工进度有较大差别,事故频发,工程后环境治理跟不上进度.

1.2完善机械化设备配套

机械化配套设备只能在硬岩或者围岩稳定性较好的条件下才能进行快速的机械化施工,作业线上的机械设备国产化程度较低,影响了机械的使用寿命和维修养护,同时就影响了作业的效率,不能形成较为完备的先进机械化作业线.特别是喷锚、支护和二次混凝土衬砌等工序的配套机械设备国产化程度极低,完全制约了我国铁路隧道机械化施工的进步和全面发展.

1.3机械化程度亟待提高

相对于软弱围岩和土质隧道,多数只能进行人工作业.人工作业包含了施工时间长、工序繁复、围岩扰动较大、安全系数低、进度缓慢.这些问题都是受制于机械化施工程度的低下.

针对这些突出问题,我国进行了相关课题的研究,铁道部门专门设立了“隧道围岩稳定性及控制技术的研究”,并且由中铁隧道集团牵头进行了其课题重要部分“隧道施工机械化配套技术及装备研究”的实践实验和研究开展.通过结合实践来进行先进技术的研究,能对我国铁路隧道机械化施工的不足之处提供理论基础,同时也能从实质上解决我国铁路修建技术相关设备的国产化问题,提升隧道施工装备的实力和国产化水平,进而形成完善,先进的铁路机械化配套施工技术体系.

2铁路隧道机械化施工探讨

进行大规模的机械化作业,使隧道施工进度明显增快,施工质量有所保证,是今后铁路隧道机械化施工技术的关键所在.较高的机械化程度,可以在短期内进行大规模的隧道建设任务,并且要求其他各种相关的施工技术也必须在机械化的条件下进行,在提高和加快机械化建设的同时也要推进国产化装备技术的建设.

2.1铁路隧道机械化施工中机械的配置、配套原则

配套施工以单机组组合配套后形成的生产作业线形成的综合生产能力高低为原则,铁路隧道的机械化施工机械设备的选择配套要从机械配套使用的整体能力入手,单机的机械性能必须和整体性能匹配,才能达到经济和生产相协调的效果.同时,我们要求各单机在运转过程中保持良好稳定的技术可靠性,在规定时间和作业条件下完成工期范围内的额定功率；机械本身也要具有安全运转功能所需的安全性,是施工人员和机械操作人员在机械运转时有相应的安全保障；其次,要在机械上装备相关防护设备,保障机械的耐久性,配套机组中的各单机要经久耐用；在机械的配套使用原则中要求及时的对机械进行检查、维修和养护；选用的设备要以优先选用经济适用的节能设备为原则；最后,选用配套的设备要能够适应多种地质条件下的不同施工方法,满足辅助施工方法的施工需要,具备一定的适应性.

隧道铁路施工机械设备的配套首要满足的是施工合同中所要求的相关条件,一般保护技术条件和经济条件.经济条件主要包含工作量、能源消耗、工作效率、操作性、通用性、劳力资源、耐久性、灵活性以及维修性.经济性主要包含使用率、购置率、使用率、各类资源消耗和与工期要求相符合的施工进度等等.通常配套原则要与施工方法想配套,与施工组织要求的进度目标适应,具有适应不同围岩的应变能力,同时要充分考虑辅助导坑的作用和功能,员工的素质和管理水平相适应.2.2我国铁路隧道机械化施工中常用的机械

我国已引进多台大直径全断面掘进机机组成功地建设了多座水工、铁路隧道,盾构技术更是在铁路隧道施工中得到广泛应用,这为非钻爆法施工大型技术装备的国产自主创新开发打下了坚实的基础.

2.2.1TBM硬岩掘进机

开敞式硬岩掘进机,以德国Wirth公司的双排支撑靴结构和美国的Robbins公司的单排支撑靴结构机型为典型机型,作用是在岩石不易坍塌和地层较为稳定的隧道施工中进行施工,如果需要在较为破碎的地层中掘进施工时需要在护盾后即刻进行喷锚支护,最终的隧道支护施工方式是砼衬砌；单护盾式硬岩掘进机,单护盾式TBM与开敞式TBM有所不同的地方是单护盾式TBM配置了完整的圆形护盾,推进方式是依靠推进缸支撑在安装完成的整体衬砌或管片上获得支反力,但是由于单护盾式TBM的掘进和安装管片不能同时进行,所以施工进度较慢而应用得较少；双护盾式硬岩掘进机,掘进的原理和单护盾式硬岩掘进机完全相同,不同之处在于双护盾式TBM配置有前后护盾,前后护盾间设置了伸缩护盾,后护盾配置了支撑靴,在地质条件恶劣的情况下双护盾式的TBM采用单护盾的方式推进,在地质条件允许的条件下则采用双护盾式TBM掘进,掘进和安装管片可以同时进行,可以获得较快的掘进速度.

2.2.2开挖设备

液压凿岩台车,液压凿岩台车从结构上分为实腹式和门架式,从行走方式分可以分为轨行式、轮胎式和履带式.门架式液压凿岩台车的腹部可以通行运渣车辆,能够充分的利用隧道内有限的横断空间,从而使施工中各设备的使用互不干扰,通常被运用于单线铁路隧道施工中,液压凿岩台车开挖钻孔作业效率高,劳动强度低,劳动环境条件好,不过存在一次性投入比例较大的缺点.

多功能开挖台架,多功能开挖台架出现于上世纪90年代我国施工过程中开发出来的风钻多功能台架配套法,其具有制作成本低、制作方便、操作灵活、适用范围广泛以及便于推广的优点,由于使用成本较低,所以利于全断面大楔形斜眼掏槽爆破技术的实施,爆破具有良好的效果,是隧道施工的进度得到了较好的保障,也适合我国隧道施工过程中劳动力充足,廉价的特点.虽然这种配套施工方法具有很多利于施工和节省资源的优点,但是也存在着科技含量低、劳动强度大、劳动环境差的缺点,在我国铁路隧道施工机械化进程的发展背景下必将被先进的施工技术和施工机械所取代.

2.3我国铁路隧道机械化施工趋势

2.3.1隧道钻爆法施工机械化是发展重点

用自液压凿岩台车进行铁路隧道施工取得了良好的施工效果,推广和创新发展“新奥法”施工和机械化配套技术是实现隧道钻爆法施工机械化的关键,其中掘进机械化、装-运-卸机械化、锚杆-湿喷砼支护机械化以及衬砌（含仰拱）砼施工机械化仍是推广和创新的重点.

2.3.2重点研制隧道掘进机

与国外施工设备相比较,在机械工作可靠性、液压系统、伺服系统、自动导向和调向系统、刀具以及刀具轴承,主机大轴承的设计制造以及自动控制系统及元件上存在较大差距,也是我国隧道掘进机研制过程中需要解决的问题.为了满足当前高速铁路特长隧道建设需要,我们要和国外知名的掘进机制造厂进行合作,并设立本地化生产工厂.

2.3.3铁路隧道机械化施工的科技化和自动化

掘进机的设计制造在一定程度上反映了一个国家的综合科学技术和工业水平体现了计算机、新材料、自动化、信息传输和多媒体等的技术的综合水平.目前在办公室所在地可以直接从计算机屏幕上获取远距离的掘进机施工图像和参数并可以发出指令进行控制,这是机械化设备自动化发展的趋势；同时计算机硬件和软件的迅速发展掘进机的计算机优化设计和施工系统的开发也是发展方向之一,越来越多的机械原理、电子学原理和机器人原理都会被合理的应用到岩土工程学中.

3结束语

综上所述,随着我国大规模铁路建设的展开,隧道建设的数量将越来越多,建设标准越来越高,建设条件更加复杂,要顺利的完成我国铁路隧道施工的机械化进程,就必须在现有工作经验的基础上进行不断的归纳总结,结合我国铁路施工的现状去解决问题,同时培养高素质的铁路隧道施工技术人才,开展相应的大型机械设备的国产化工作研究,才能客观上解决我国铁路隧道施工的机械化进程中遇到的难点和关键问题.