鲜 国
(成兰铁路有限责任公司，四川 成都 610036)
成兰铁路隧道施工机械化配套应用分析
鲜 国
(成兰铁路有限责任公司，四川 成都 610036)
通过对成兰铁路隧道施工机械化配套的研究，提出了一整套新的施工机械化配套管理思路，有效地控制了施工、质量及安全，降低了风险，为今后铁路隧道工程的机械化配套施工提供了参考。
铁路，隧道，机械化，施工配套
1 工程概况
成兰铁路位于四川、甘肃两省境内，处于地震高发区，起于成都，经什邡、茂县、松潘至九寨沟，向北延伸连接在建兰渝铁路的哈达铺，全长457.651 km。先期开工的成都至川主寺(黄胜关)试验段位于四川省境内，全长275.8 km，隧道17座/175.524 km，其中最长隧道28.4 km，长度大于20 km的隧道3座，隧道占正线长度的63.64%。
基于成兰铁路长隧多、埋深大、软岩多、地震烈度高、活动断裂多、地形地质条件特别复杂的特点，成兰铁路被路内外专家公认为目前国内已完及在建最难工程之一。经风险评估成川段17座隧道中Ⅰ级风险隧道6座，Ⅱ级风险隧道10座，风险控制已成为建设管理的重中之重。如何提高隧道施工的安全性和施工效率，显得尤为重要。在如此高风险的隧道中进行机械化配套施工，近年来已成为业内研究和实践的热点[1-9]，以提高效率、降低施工安全风险。
2 机械化配套总体原则及具体做法
隧道施工机械化能够提高施工效率，减少作业人员的投入，减轻作业人员的劳动强度，保障施工安全，实现隧道快速施工，初支快速封闭成环，有利于围岩和结构稳定，其优越性无可厚非。但如何才能在隧道施工中适当投入设备，合理控制设备投入的规模，合理有效地进行机械化配套，是隧道施工机械化配套的关键。
2.1 总体原则
研究以不同断面、不同围岩、不同工法的机械设备配套技术,并按不同阶段进行配套及比对。
2.2 极高风险隧道施工机械化配套
根据中国铁路总公司及施工规范相关要求，结合成兰铁路现场实际特点，按“35611”模式组织机械化配套施工。即三全“全方位、全过程、全工序”；五性“系统性、技术性、适应性、经济性、先进性”；六点“超前地质预报、超前支护、开挖作业、初期支护、仰拱和二次衬砌六个关键点”；一通风和一集中。
成兰铁路机械化配置配套具体从超前地质预报、超前支护、开挖作业、初期支护、仰拱和二次衬砌六个关键作业线分别形成一条隧道施工机械化作业线。同时结合不同围岩、不同工法及不同断面，对全线控制工程的柿子园(14 069 m)、跃龙门(20 044 m)、茂县(9 913 m)、榴桐寨(16 262 m)、平安(28 426 m)和云屯堡(22 923 m)等隧道进行了施工机械化配套研究，提出成兰线在无轨运输条件下不同断面、不同工法三种型式(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级)的机械化配套方案，本文重点针对单线隧道Ⅰ级机械化配置进行研究。
3 隧道机械化设备配套方案
针对铁路单线隧道断面，为保证重点控制工期的极高风险隧道按期完工，6座极高风险隧道控制工期工作面均按照Ⅰ级机械化设备配套施工。严格机械设备管、用、养、修制度，科学管理，其余按照Ⅱ级进行配置，以达到快速施工的目的。
3.1 超前地质预报作业线
配置了不同型号进口多功能钻机，用于超前水平钻孔，可大大缩短钻孔时间及增加钻孔深度，该钻机配置了电脑监测系统，能够精确设定钻孔角度，准确掌握钻进深度等信息，其最大钻孔深度可达200 m,钻孔直径64 mm～194 mm，可对开挖掌子面前方进行30 m～150 m的钻探。每小时可钻进10 m以上，具有钻进速度快的优点。同时可实现套管作业，内钻杆和外套管同时钻进，成孔后可抽出内管保留套管，在管棚施工、超前注浆施工中可大大提高施工效率和成孔质量，确保前方软弱围岩能够及时得到加固，实现钻注一体化。
3.2 隧道钻爆作业线
在单线隧道钻爆作业线，可根据现场情况采用一台三臂(两臂)凿岩台车施工。相对于人工手持风钻钻爆法开挖，凿岩台车具有以下优点：一是作业人员投入少；二是作业效率高，循环进尺长，三臂(两臂)凿岩台车进行开挖作业钻孔时间比人工作业钻孔时间节约2 h左右，每循环进尺比人工作业多30%左右；三是辅助设施少，配套简单，三臂(两臂)凿岩台车在隧道作业仅需要配套高压电及高压水，减少了空压机、大容量变压器、高压风管配置；四是节能环保，作业面能见度高，环境污染小；噪声小，全断面施工仅有一台凿岩台车进行钻孔作业，而人工风钻钻孔需18台气腿式凿岩机同时作业。能耗低，和人工作业比，减少30%左右用电量；五是安全性高。三臂(两臂)凿岩台车作业时，作业人员离掌子面较远，掌子面发生围岩失稳坍塌时，基本不会伤及作业人员。
3.3 装碴运输作业线
在隧道装运作业线，根据隧道断面大小和单循环进尺2.5 m的出碴时间在2 h～3 h左右完成的工序要求，单线隧道或双车道斜井、横洞配置1台VOLVO挖掘机和1台SEM650装载机对1台大型碴车进行双机装碴，平导或单车道斜井、横洞采用一台312电动挖装机以加快装碴速度，节约循环时间，碴车为国产红岩金刚自卸汽车，单车装碴的时间控制在5 min以内。
3.4 喷锚支护作业线
在隧道喷锚支护作业线，根据不同围岩选取了不同的施工工法：全断面法、台阶法、台阶法加临时仰拱(横撑)、双侧壁导坑法或三台阶七步流水作业法等。现场配置机械设备时即考虑了适合全断面喷射混凝土的阿立瓦湿喷机械手；在台阶法施工时采用机泵分离式的科达KS80+KP25湿喷机械手；针对采用双侧壁导坑法或三台阶七步流水作业法等小断面的初期支护作业选用岩峰小型湿喷机或自行研发的Superman速喷206喷浆机进行施工。
采用机械手与传统的小型湿喷机作业相比，具有以下优点：一是人员投入少；二是工作效率高：与传统的小型湿喷机比作业效率提高1倍以上；三是安全有保障：采用传统的小型湿喷机作业时，作业人员需要借助作业台架进入裸露的围岩下方作业，易被拱顶落石伤人，而采用机械手作业时，借助机械手的长臂，人员及设备是停留在后方已支护段下方，有安全保障；采用机械手喷混凝土作业时间短，缩短了开挖后围岩的暴露时间；四是可保证初支结构的质量：采用机械手作业时，通过精确设定喷射压力、喷射量和速凝剂参数，有效保证了喷射混凝土的强度。同时引进锚杆台车、管棚钻机及适合拱顶(预留核心土)工法施工系统锚杆施工的专用钻机。
3.5 仰拱填充作业线
单线隧道施工中，受制于仰拱栈桥横移空间的限制，采用简易栈桥和两套仰拱弧形模架，一次施工仰拱长度为12 m，该形式的栈桥吊装灵活，结构简单，加工制作容易。采用仰拱弧形模架可保证衬砌轮廓符合设计要求，减少作业人员的劳动强度，保证工程施工质量并加快仰拱施工速度。
3.6 二次衬砌作业线
配置全液压整体式模板台车、混凝土输送泵、混凝土运输车及混凝土搅拌站进行二次衬砌作业。模板台车长12 m，台车空间大，易于通风，配置1台60 m3/h的混凝土输送泵，3台10 m3混凝土输送车运送混凝土；120 m3/h生产能力的全自动混凝土搅拌站生产混凝土。
为满足端部中埋式止水带的安装要求，采用分块式钢端模进行止水带安装固定，端模(挡头模板)分为两部分加工，靠内净空部分的模板采用螺栓固定在模板台车上。台车就位后将支撑千斤顶、加固螺旋顶撑到位后，沿内端模安装环向中埋式止水带，再安装止水带与初支面(防水板)之间的外端模，最后封堵端模与初支面(防水板)之间的缝隙。操作简单方便，安装速度快；便于控制止水带的中心线，使中心线与施工缝重合，安装的止水带圆顺、平直，不会发生扭曲现象。
3.7 隧道施工通风、集中加工作业线
全方位配套了强力通风、集中加工两条配套作业线，配置全自动化拌合站、洞外工厂化集中加工车间；通风作业线除选用相配套的大功率轴流式风机(变频式长距离通风机)外，为解决隧道长距离通风问题，研究了新型全隔离式进风巷道和大风箱的通风方案。
4 机械化配置配套实施效果
公司通过按“35611”模式组织机械化配套施工后，在风险控制、质量控制及提高功效方面取得了实效。
4.1 有效降低掌子面安全突发事件的发生
2013年9月29日3时50分，柿子园隧道1号横洞HD1K0+233.8里程处(埋深44 m)，受晓坝场2号断层等因素影响，突发岩溶突水突泥，并持续发展，造成地表塌陷，洞内持续涌水，正是基于现场按机械化配套要求施工，避免了人员伤亡安全事故的发生。
2014年2月24日，跃龙门隧道3号斜井施工至XJ3K1+510时，现场实施超前水平钻探，累计钻进52 m时，水量突然增大，有明显的水压，水从孔口喷出5 m～6 m，出水量达133 L/s，迅速将掌子面淹没，由于现场采用了机械化程度较高的钻孔设备，给人员安全撤离赢得了时间，避免了人员伤亡安全事故的发生。
4.2 不同围岩级别、不同工法条件下的进度指标
成兰铁路通过机械化配套后施工至今，在辅助坑道，单线，双线Ⅲ级围岩全断面，Ⅳ，Ⅴ级围岩台阶，Ⅳ，Ⅴ级围岩三台阶法施工情况下，月平均进度指标见表1，均接近或达到Q/CR 9004—2015铁路工程施工组织设计规范要求的指标高值，月最高施工进度均达到Q/CR 9004—2015铁路工程施工组织设计规范要求的指标高值，并且在安全质量方面得到了提升和保证。
表1 不同围岩级别、不同工法条件下的进度指标
5 结语
本文在其他机械化施工研究的基础上，总结了机械化施工，关键需要配套，才能有效发挥机械化施工的作用，也是降低安全事故的有效途径。从全方位、全过程、全工序及不同断面、不同工法推行隧道施工机械化配置配套，是降低铁路建设风险，顺利、成功建设成兰铁路行之有效的手段。然而，由于国内目前人工施工成本与机械化施工成本相比较，人工施工成本仍存在着明显的优势，成为铁路隧道推行施工机械化的阻力。
施工机械化是提高工效的有效途径。以前所提的机械化施工主要针对全断面施工，本文针对台阶法施工提出了机泵分离的湿喷机械手或适合三台阶施工的superman湿喷机；采用调研煤矿结合成兰实际研发的专用拱部系统锚杆施工机械；在软岩小断面开挖中，采用小型挖掘机代替手工开挖，大大提高了隧道的施工工效。
施工机械化是提高隧道工程质量的根本。通过在成兰推行机械化配置配套明显提高了关键工序的施工质量，比如采取多点焊机加工网片，避免了人为操作带来的漏焊、过焊等质量问题；全面推行湿喷机械手，大幅提高了喷射混凝土的施工质量，确保了初期支护的强度；通过仰拱弧形模板的采用既解决了仰拱分层施工问题，同时确保了施工质量，这些均体现了采用机械化的优势。
鉴于推行机械化存在的诸多问题，我们将根据成兰线的特点，同时结合其他线成功的经验进一步完善机械化配套的研究，使其能发挥更大的作用。
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Application analysis on construction mechanization in Chengdu-Lanzhou railway tunnel
Xian Guo
(Chengdu-LanzhouRailwayCo.,Ltd,Chengdu610036,China)
Through the research on the mechanization matching of Chengdu-Lanzhou railway construction, this paper proposed a new set of management based on the study of machine configuration during the tunnel construction. The construction process would be safe, qualified. What’s more, the risk for the project might be reduced. It is meaningful for the future railway tunnel engineering.
railway, tunnel, mechanization, construction matching
1009-6825(2016)27-0144-03
2016-07-13
鲜 国(1965- )，男，高级工程师
U455
A
