隧道施工中的机械设备配套技术

隧道施工中的机械设备配套技术

罗枝

罗枝

中铁五局集团成都工程有限责任公司四川省成都市610000

摘要：关于隧道机械化施工，其是隧道施工技术发展的重要方向，因而将隧道机械化程度提高不仅能够使隧道施工进度加快，而且还能极大的提升施工质量，降低成本。

关键词：隧道施工；机械设备；配套技术

一、我国隧道施工机械化的发展

1、人工开挖施工阶段。二十世纪初期，我国隧道的施工开挖工程主要是靠人工进行的，基本没有机械化施工工具，都由工人手工操作，其特点是施工技术落后，施工效率十分低下。对于较易挖掘的土质隧道或者松软的石质隧道，一般采用铁锹、斧子、镐和撬棍等工具进行开挖；对于坚硬的需要进行爆破的石质隧道，通常选择用钢钎和铁锤进行人工打眼；挖掘废料多数采用架子车、板车等进行人工外运，甚至有时工人用挑担的方式将废料挑运出去且隧道的照明和通风设备不健全。这一阶段，隧道工程既没有相应的专业人才的管理，也缺少对工程进行的合理的规划，施工设备简陋，施工人员的劳动力付出大，但是劳动效率却较较低。

2、小型机械和半机械化施工开挖阶段。随着技术的发展，我国隧道的施工工程在二十世纪中期逐步出现了一些小型机械设备和半机械化施工设备。例如小型发电机的应用，抽水机、鼓风机的应用。而且在这一时期采用了凿岩机进行凿岩，专门的装碴机装碴，运用了搅拌机对混凝土进行搅拌等，基本实现了隧道施工中的一些主要工序的机械化作业，从此我国隧道施工进入了一个新的里程碑。

3、机械化施工开挖阶段。进入二十世纪八十年代，公路、铁路等交通运输大发展，我国开始大力修建长大隧道，这一阶段产生了一系列的新技术和新设备，液压凿岩台车、装载机等大型机器设备形成机械设备组成套配备施工作业，这一时期我国隧道的施工技术与世界发达国家先进技术之间的差距逐渐减小。近十年，隧道施工单位不断的探索创新，将隧道的机械化施工设施配备的更加完善。

4、工厂化施工开挖阶段。二十世纪九十年代，我国引进了全断面的隧道挖掘机，实现了工厂化施工开挖作业模式。在隧道的施工进度、施工安全以及工程质量方面都有了质的飞跃。盾构/TBM法就是在这一阶段进行了运用，盾构/TBM法是可以实现挖掘、支撑、出碴和运输一体机械化施工的方法。盾构法适用于软土和浅埋隧道的施工工程，TBM法适用于硬岩和长大山岭隧道的施工工程。

二、主要机械设备选择

1、设备选择考虑的因素

机械设备的选择与隧道施工的质量、安全和施工周期有着直接的关系。因此，在进行机械设备的选择过程中，需要考虑4方面因素。

（1）施工方案。机械设备的选择和施工方案有着直接的联系。根据施工的地质环境、施工周期等因素，采用比选的方式来确定出最佳的施工方案。在隧道施工过程中，采用传统的钻爆法来进行操作，并且机械设备辅助操作，在洞内采用无轨运输和有轨运输的方式来进行物料的运输。在开挖过程中，主要采用断面法来进行操作，局部采用短台阶法来进行施工。洞内采用有轨运输的方式来进行操作。

（2）施工周期。一般来讲，在施工过程中机械化程度越高，则工作效率也会提高。因此在施工周期要求比较严的条件下，施工单位需要选择高质量的机械设备，并且在数量上符合施工的各项要求。各类机械设备需要相互配合进行工作，避免出现设备闲置现象。

（3）隧道长度。由于隧道较长，在投入大量资金的同时，还要能够适于大型机械设备的工作并且具有一定的经济效益。对于长度较短的隧道，如果使用大量的机械设备也会造成投入的资金量较大，由于大型设备需要大量调迁费用，不符合适用性的目的。从经济角度分析，施工单位需要根据隧道的规模来选择机械设备的类型并且要重视投入和产出之间的关系。

（4）环保和职业健康的要求。由于隧道内的空气污染主要来源于爆破过程中产生的粉尘、颗粒和设备工作中产生的废气。对于长大隧道，洞内的通风距离长，排烟工作存在较大难度。因此，需要最大限度地减少使用各种排烟较多的设备，需要选择大功率设备，从而使洞内的工作环境得到有效改善，确保施工人员的安全和健康。此外，在施工过程中，需要充分考虑设备的噪声对人们产生的影响。

2、凿岩机械选择

在进行凿岩设备选择过程中，需要充分考虑到岩石的特性、断面大小、工程量等方面因素的影响。

（1）对凿岩机械设备的数量进行确定，从而才能有效确定出开挖的尺寸，并按照式（1）来进行计算。

N=ΣLd/Tvd（1）

式中Ld———各循环钻孔的总长度

vd———凿岩机实际生产效率

ΣLd———开挖断面的面积

T———开挖循环作业需要耗费的凿岩时间

Tvd———各台凿岩机的作业面积

（2）凿岩机械生产率，一般根据凿岩机厂商提供的数据进行判断，见式（2）。

Vd=V0准β（2）

式中Vd———凿岩机械的实际凿进速度，m/min

准———同时开动干扰系数

β———工作时间利用系数。准和β两值一般＜1，主要根据具体工作环境进行确定，一般取值0.7～0.9

V0———纯钻速，m/min

根据结构形式可以选择凿岩设备，采用开敞式硬岩掘进机进行操作时，主要适用于地质条件稳定的隧道。在对其他地质岩石进行掘进时，需要在护盾后安装好护具。采用单护盾式硬岩掘进机进行操作时，由于其具有圆形的盾牌，能够在设备掘进时对安装好的管片进行保护。双护盾式硬岩掘进机，主要特点是具有较强的支撑作用，能够适用于各种类型的施工地点。

3、装岩与运输机械选择

在进行隧道施工过程中，主要采用3种方式来对物料进行运输：无轨运输、有轨运输、皮带运输。采用皮带运输时，效率较低，并且不具有推广性和实用性。无轨运输主要借助自卸车辆对物料进行运输，适用于短隧道和大断面隧道施工，特点是具有一定的灵活性，可以直接倒掉废渣，缺点是隧道内的尾气较多，并且存在较大的污染和噪声。有轨运输主要适用于长隧道和小断面隧道，并且能够有效地减少隧道的损坏程度，但是在轨道铺设时，需要投入大量资金。此外，由于施工管理工作较为复杂，并且轨道终端还需要借助汽车来对物料进行再次运输。因此，可以应根据隧道长短和断面大小来选择最佳的物料运输方式，需要计算石渣量和机械生产率。石渣量用式（3）计算。

Vm=Ke（Vg+W）=Ke（S+△S）L0（3）

式中Vm———每次开挖循环松散石渣量

Vg———设计断面开挖量

Ke———石渣爆破松散系数

△S———允许超挖面积

L0———开挖循环进尺

装载机生产效率计算见式（4）。Pc=3600VcKfK1/T（4）

式中T———装载机定斗容

K1———利用系数，＜1

Kf———装载满额系数，＜1

T———装载循环时间

如果使用无轨运输，可利用相同的方式对汽车的自卸效率Pc进行计算。使用式（4）可以将各个工作面需要的自卸汽车台数计算出来。对现场管理工作进行分析，有可能会存在运输意外、汽车维修等问题。

4、辅助作业线施工机械

辅助线主要包含通风系统、供水系统和排水系统和供电系统等，能够有效保证隧道的安全，确保施工顺利进行下去。

（1）通风系统。在对通风系统进行设计时，需要充分考虑到隧道的长度，并且需要确保在同一时间内能够疏散人群。对于里程较长的隧道，可以选择巷道式无风门射流通风技术，有可效地解决长隧道中存在的各类问题。

（2）用电设备。根据系数法和最大负荷法计算出隧道所需要的最大用电负荷数值。隧道施工过程中，比如在野外可以采用洞外架设高压变配中心，从变电站中引出1条线路到洞内变压器洞室，将其供给照明系统、排水系统等。此外，在洞外需要设置2条线路用于生活用电和自备发电站。

（3）施工排水系统。由于隧道内可能会存在积水现象，因此需要在洞内配备有大功率设备。此外，如果是顺坡施工，可以借助两侧水沟来对雨水等进行排水。

结束语

隧道施工机械化配套作业促进了隧道施工技术的进步，机械化配套程度及设备管理水平的高低直接影响施工企业经济、社会综合效益。因此施工企业应充分认识到设备管理工作的重要性，积极研究和推行先进管理模式和方法，切实加强机械设备系统管理，着力提升机械设备“管、用、养修”水平，彰显企业的综合实力。

参考文献

[1]康宝生．我国隧道施工机械化的发展与思考[J]．建筑机械化，2017，(9)：19-25.

[2]郭海坡.机械化施工配套在公路建设施工中的应用[J].山西建筑,2013（26）：144-146.