铁路隧道施工设备配套技术研究

任 岗

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

在科学技术深度发展之下，施工技术水平持续提升，但就隧道机械化施工领域而言，我国依然处于发展初期阶段，存在较大的进步空间。当然，我国隧道机械化施工正表现出持续发展的趋势，行业技术人员积极从外界学习，深度整合技术资料，经改进后灵活运用于我国实际环境，在机械施工设备配套上取得了较大进步，给我国铁路隧道施工提供了支持，相继出现一大批具有代表性的铁路隧道工程。

1 工程概况

莆田至炎陵高速公路尤溪中仙至三元莘口段YA10 标段总长6.994 km，该区段有隧道1.5 座，采用分离式隧道形式，呈东西走向。经勘察得知，隧址区较为偏远，与周边公路间距较远，进出口施工难度较大，需修建施工便道。以六角崎隧道为例展开探讨，其右线里程K162+862～K165+828，总长度2966 m，含有明洞/门洞6 m；左线里程Z1K162+837～Z1K165+852，总长度3015 m，含有明洞/门洞8 m。左右线均有大量Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩。隧洞进出口均设置为端墙式洞门形式，进出口线间距分别为32 m 与30 m。

2 机械设备选型及配套的要求

机械设备的选型与配套以满足质量与工期要求为基本前提，在此基础上合理选择机械设备，尽可能减少设备投入，有效控制生产成本，达到均衡生产的效果。设备选型与配套是一项系统性工作，需要与施工工艺方法相适应，能够在特定的洞内空间灵活施工；各类设备之间需要协调运行，可有效配合以便提升施工效率，并与工期相适应；选型与配套方案要满足各生产线的需求，可将各条作业线有效连接起来，达到均衡生产的效果；此外，设备的运行需足够稳定，在此基础上营造安全的施工环境[1]。

基于上述提及的原则，综合考虑本工程的实际情况，确定了具体的机械设备选型与配套要求，主要体现在4 个方面：①机械配套方案要兼顾进度与施工组织规划，牢牢把握装、运、挖三大施工工序，并做好地质超前预报、支护等各项辅助工作，将各道工序衔接起来，创建高效的流水作业线；②提升机械配套运行能力，能够彰显出良好的效益性，兼顾操作性、工作效率、运维成本等多方面因素，为确保施工质量，不可采用老旧设备；③尽可能提升设备的通用性，除了在本隧道工程中可高效施工外，还需适用于后续其他工程，通过这一方式可降低设备运维成本，充分彰显出设备的使用价值；④选择备用设备，当出现异常状况后可随即替换，避免施工中断现象，此项备用准备工作主要针对的是中小型设备。

3 机械配置技术要点分析

3.1 超前地质预报

立足于本隧道工程整体状况，采取合适的地质预报方式，具体如下。

（1）长距离预报。选择TSP203 超前地质预报系统（图1），该设备的工作范围可达到150 m，所得结果准确率90%，能够有效判定前方施工区域的各类不良地段，诸如断层等。

图1 TSP203 超前地质预报工具

（2）中距离预报。通过对长距离预报结果的分析，确定断层破碎带的具体位置，在掘进到位之前便要进行中距离预报，采用的是钻孔取岩芯的方式，本工程中钻孔深度约30～40 m。

（3）短距离预报。选择钻孔台车，在其支持下对开挖面钻孔，规格为Φ108 mm，深10～15 m，分析钻进过程中岩屑、水质等各项因素的变动情况，准确预报地质情况。

3.2 机械化钻爆法

全电脑SYS113 型三臂凿岩台车是本次隧道施工的关键设备，考虑到施工效率、安全性等多方面要求，本工程采用联合作业方式，辅以锚杆钻孔设备。为凿岩台车适配工作篮，以满足炸药装填等作业需求，且适配2 名司机交替作业，避免疲劳驾驶现象，提升施工作业的安全性。针对本次工程状况，单孔钻进约2 min，各孔深度约4.5 m。依据工程需求，钻孔总量190～200 个，所需时间约2 h，共使用18 箱炸药，所用导爆索总长度≥250 m。此外，设置锚杆系统，创建安全的施工环境，提升施工效率，较为关键的有超前锚杆、系统锚杆等。由于凿岩台车功耗较高，运行过程中易出现电压不足等问题，需适配便携式电源，为凿岩台车的稳定运行提供支持，避免因中途断电而中断施工的现象。

3.3 支护喷锚设备

通过多种措施提升隧道施工的稳定性，设置锚杆系统，铺设钢筋网并喷射足够厚度的混凝土，针对Ⅳ、Ⅴ级围岩，该区段额外设置钢架结构。基于YT-28 风动凿岩机钻孔，在此基础上使用KBY50/70 注浆泵有效注浆。工程中采用的是湿喷工艺，使用到KC30 型湿喷机械手（图2），各工作面均适配1 台设备。

图2 湿喷机械手

3.4 掘进、出碴设备

隧道掘进施工中，确保足够的装渣运输能力也是提升掘进速度的关键[2]。本标段施工中，弃碴总量达到156.96×104 m3，依据实际生产状况，在正常情况下，出渣量达到60 m3/h，可为长大隧道辅助导坑施工提供指导，有效控制了洞内空气污染。基于地质勘察资料得知，施工区域内分布有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中以Ⅳ围岩分布最广，无法为液压凿岩台车运行提供稳定的作业环境，对此选用的是人工风动凿岩设备，并辅以掘进作业台架。基于对隧道断面大小的分析，若采用YT-28 型风枪，在同一掌子面可适配25～28 台设备，持续施工且进入正洞后，转变为双向施工的方式，在此基础上再合理配置电动空压机等设备。

3.5 高压风设备

设置了风压站，可达到集中供风的效果，各高压风管规格一致，均使用的是Φ250 mm 无缝钢管，通过托架法将其稳固安装在边墙上，沿着整个隧道有序布置，其高度控制较为关键，不可对仰拱与铺底施工带来不良影响。以300～500 m 为间距，有序安装闸阀与三通，实际运行中若出现涌水现象，可作为应急排水管使用。在风动设备同时运行时，存在最大耗风量，同时考虑管道漏风系数，综合两大因素合理配置空压机，具体有式（1）：

式（1）中，δ 是安全系数，本工程中取值为0.3；k 是磨损的修正系数，介于1.05～1.10；km是各海拔下的修正系数，依据本工程地质情况，为1.14；∑Q 是风动机同时运行时所需的耗风量，单位m3/min，具体计算见式（2）：

式（2）中，qn 是管道漏风系数，1.15；∑q 是总耗风量。

当所有风动机同时工作时，总耗风量如式（3）所示：

式（3）中，N 是运行设备的数量；q 是单台设备耗风量；K1是各设备同时工作的系数，为0.85；K2是磨损系数，为1.10。

基于上述方法求得总耗风量，以此为基准为洞口适配合适的高压风站，以满足洞内高压用风需求。同时考虑到断面大小、出碴量、运碴距离、斜井坡度，合理配置弃碴运输设备。

3.6 二次衬砌作业线

配置的机械设备有12 m 液压模板台车与砼输送泵各1台、9 m3砼罐车共3 台，并设置1 座具有较高生产能力的搅拌站。相较于人工作业的方式而言，基于机械化的施工可显著提升效率，但对于衬砌步距提出较高要求，需要适配合适的液压模板台车，使用钢模板，从而确保施工质量。在2 模板之间设置止水带，要求一半埋入其中，余下部分露出，此方式的优点在于提升了装拆效率。模板沿隧道环向设置，使其呈双块夹板结构，但由于施工环境复杂，衬砌开挖会对其造成影响[3]，在实际施工中需要适当调整组合钢模位置，将其向左右略微移动一段距离，通常情况下为5 cm；关于衬砌加厚区域，不可采取木制模板，较为可行的是组合钢模的方式。

3.7 多级泵站排水

采用机械排水，设置多级泵站接力排水，工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近系站或临时集水坑内，其余已施工地段隧道渗（涌）水隧道内侧沟自然汇积到泵站水池内或临时集水坑内，由固定排水泵站将积水经排水管路抽排至上一级排水泵站水池内，如此由固定式排水泵站接力将洞内积水抽排至洞外，经污水处理池处理后排放；临时集水坑则根据汇水段水量大小而定。工作水泵按每组使用1 台、备用1 台配备，针对隧道涌水量大时要适当增加工作水泵。

4 结语

铁路隧道施工技术持续提升，由原本的半机械化施工逐步转变为具有现代化特性的机械配套施工方式。以某铁路隧道为背景，从该工程的施工状况与设计要求出发，提出一套设备配套技术方案，广泛覆盖至开挖、装运、衬砌等多个环节，以期给类似工程提供参考，提升铁路隧道施工的机械化水平。