漫谈矿山法隧道技术第十一讲——谈隧道施工机械化

关宝树

(西南交通大学，四川 成都 610031)



漫谈矿山法隧道技术第十一讲
——谈隧道施工机械化

关宝树

(西南交通大学，四川 成都 610031)

阐述我国隧道施工机械化的现状。指出：1)我国缺乏专门研究和制造隧道施工机械的企业；2)隧道施工机械化的水平参差不齐；3)由于客观原因一些大型施工机械得不到充分利用，甚至弃之不用；4)遇到施工难题没有可以选择的施工机械可以利用，制约了隧道施工机械化的发展。在一般围岩条件下，我国重点隧道的施工机械化水平，基本上能够满足施工要求；但在不良围岩条件下，机械化的差距特别突出，与预支护技术相适应的施工机械的研制和开发必须提到日程上来。重点介绍了日本的几种施工机械：1)与围岩补强或预支护相适应的施工机械，如长钢管超前支护专用钻注一体机及搭载在台架上的液压凿岩机、控制拱脚下沉的弯曲钻机；2)提高施工效率的施工机械，如钻孔机械(多臂钻孔台车、排钻)、喷射机械(双机械手干喷，大容量、低粉尘的新型喷射系统，长臂喷射机)；3)单跨、双跨、三跨仰拱栈桥；4)充分发挥施工机械综合能力的集约化施工机械，如多臂TWS(隧道机组工作站Tunnel Work Station)、移动式大功率通风除尘机。指出提高隧道施工机械化的程度，大幅度缩短单项作业的时间，发挥综合机械化的威力,确保快速施工和工程质量是当务之急，机械化或工厂化施工是大势所趋，特别是在TBM法和盾构法在我国基本上已经实现工厂化施工的情况下，矿山法隧道也应该逐步向这个方向发展，这也是时代的要求。

隧道；矿山法；机械；施工机械化

0 引言

古语说得好：“工欲善其事，必先利其器”“巧妇难为无米之炊”，我国的隧道施工机械化，有赖于适应隧道施工要求的施工机械装备的开发和研制。在向“装备强国”迈进的今天，对隧道施工机械的开发和研制也应该提到日程上来。

由于各种隧道施工机械的开发和发展，目前隧道的基本作业都已实现了机械化，但视各国的国情不同，机械化的程度有所不同。我国的现状是缺乏专门研究和制造隧道施工机械的企业；隧道施工机械化的水平参差不齐；由于客观原因一些大型施工机械得不到充分利用，甚至弃之不用；遇到施工难题没有可以选择的施工机械可以利用，制约了隧道施工机械化的发展。因此，提高隧道施工的机械化程度，大幅度缩短单项作业时间，发挥综合机械化的威力,确保快速施工和工程质量是当务之急。

在一般围岩条件下，我国重点隧道的施工机械化水平，与国外相比，虽然有一定差距，但基本上能够满足施工要求，几条作业线基本上能够配套使用；而在不良围岩条件下，机械化的差距特别突出。这也是我国亟待开发的领域。

一般来说，地质条件差，围岩的自支护能力就很弱，开挖后掌子面的自稳时间很短，甚至开挖后就立即发生崩塌；因此，在这种围岩条件下，就要采取“先支后挖”的对策。也就是说在开挖前对周边围岩进行补强，提高其自支护能力，避免开挖后产生过大的变形或崩塌。这种技术称为预支护或围岩补强技术，与之相适应的施工机械的研制和开发必须提到日程上来。

目前，隧道施工讲求一个“快”字，要求大力缩短单项作业的时间，提高作业效率，这也要求隧道施工机械能够适应“快”的要求，多功能的施工机械不断涌现，就是一个证明。

在隧道施工机械化方面，如何发挥隧道施工机械的综合能力，即所谓的配套能力，是非常重要的，必须针对其中的薄弱环节下功夫。

1 与围岩补强或预支护相适应的施工机械

围岩补强或预支护技术，牵涉面较多，其中包括超前支护、拱脚下沉控制以及掌子面锚杆等，此处仅以应用较多的长钢管超前支护、拱脚下沉控制重点做些说明，详细内容请参见《软弱围岩隧道施工技术》[1]一书。

1.1 长钢管超前支护

长钢管超前支护，日本称之为AGF(All Ground Fastening)工法，是已经标准化的支护方法(见图1)。该方法是开挖前在掌子面前方沿隧道外周配置长10～15 m的钢管，形成拱形结构。为使钢管和围岩形成一体，应在其间充填水泥浆或其他注浆材料。

(a) 隧道横断面

(b) 隧道纵断面

其在洞内或洞外施工的概貌见图2。

(a) 洞内施工

(b) 洞口施工

多采用类似图2的专用钻机钻孔并注浆，也有采用图3所示的搭载在钻孔台架上的液压钻进行钻孔。

1.2 控制拱脚下沉的弯曲钻机

隧道支护脚部的围岩强度不足是引起隧道开挖地表下沉和隧道整体下沉的重要原因之一。作为控制支护脚部下沉的对策，我国基本上是采取钢架下设置垫板、扩大拱脚和打锁脚锚杆(管)的方法。日本基本上是采用以脚部钢管为代表的脚部补强桩；但在以往的对策中，因为是在上半断面开挖后进行施工，其抑制初期下沉的效果比较差；因此开发出弯曲钻机，预先在围岩开挖前在预计设置钢架的位置打支持桩，而后进行开挖并架立钢架，对控制脚部下沉的效果极佳。其概貌见图4和图5。

图3 搭载在台架上的液压凿岩机(单位：mm)

(a)

(b)

该钻机具有以下特点：

1)能够进行弯曲钻孔，对掌子面前方脚部围岩进行补强；

2)采用弯曲干钻钻孔，施工不扰动围岩；

3)能够形成φ500 mm、深3.5 m的大口径、高强度桩体；

4)适应地质范围广，包括黏性土、砂质、砾质土、固结粉砂岩和泥岩等。

2 提高施工效率的施工机械

例如提高钻孔效率的“排钻”、型钢钢架架设机械、大容量喷混凝土机械等。

(a) 机械设计图

(b) 机械全景

(c) 机械安装现场

2.1 钻孔机械

在大多数场合，我国钻孔仍然处于手持式风钻的水平，一部分隧道采用了2臂或3臂钻孔台车，也引进了微机控制的钻孔台车，但应用效果不佳，甚至弃之不用。

为了满足隧道大断面开挖的要求，我国开发了多功能钻孔台架，可以在台架上同时采用20台手持式风钻钻孔。这是不得已的办法。

日本在新干线隧道、双车道公路隧道，开挖面积在80～100 m2的上半断面开挖中，多采用3～4臂台车(3臂：1～2台)。最近因为钻机性能的提高，多采用3臂台车。而在超短台阶与全断面法结合的方法中，3臂台车已经成为主流机型(见图6)。为了能够在超短台阶的全断面法中从下部断面直接进行上部断面的钻孔，最近机型有了改进，出现了上下4臂的钻孔台车(见图7)。

图6 最新的3臂钻孔台车

图7 4臂钻孔台车

在大断面开挖中，过去多是2台3臂钻孔台车并用，在实际操作上多有不便，因此又开发出6臂钻孔台车(见图8)，用1台钻孔台车进行全断面钻孔，大大缩短了钻孔时间。

图8 6臂钻孔台车(新干线铁路隧道)

Fig.8 Six-boom drilling jumbo (used in Shinkansen.Railway Tunnel)

为减少超挖并提高钻孔定位的准确性，微机控制钻孔台车的使用愈来愈普遍。

隧道爆破通常采用光面爆破或控制爆破，特别是在采用预裂爆破的场合，要沿开挖轮廓开槽形成自由面，为此日本开发了所谓的“排钻”(见图9)，大大缩短了钻孔时间，其钻机概貌见图10。此钻机也可以用于预衬砌的施工。

图9 多孔液压凿岩机(单位：mm)

图10 带2个4孔凿岩臂的钻孔台车概貌

2.2 喷射机械

在大断面隧道中，为满足快速施工、缩短施工循环时间的要求，日本开发了重视早期强度形成的干喷、大容量、低粉尘的新型喷射系统SF-2(AL-285喷射机1台，AL-306机械手2台)(见图11)[2]。

(a)

(b)

本系统的特点如下：

有些企业在做企业风险内部审计的过程中，往往只对公司的财政收入和支出作出审计报告，只对财务方面的收支专况有所关注，而忽视了对业务领域及其信息系统上的拓展。

1)由于采用2台喷射机，能够进行大容量(20～24 m3/h)喷射，喷射时间比过去缩短一半；

2)2台喷射机设置在台车中央侧部，荷载平衡改善了走行性，而且缩短了材料管的长度(比过去缩短一半)；

3)喷射机械手具有升降机构，也能够适应超短台阶的喷射；

4)由于采用低粉尘干喷工法，因W/C小，早期强度形成快，特别是大涌水时也能用喷混凝土封堵。

无论哪一种都搭载了吐出量在20 m3/h以上的高能力喷射机，即使水灰比小、黏性高的混凝土，只要给予适当的和易性，就能进行稳定的喷射作业。喷射机械手，对应上半断面台阶法和超短台阶的全断面法等开挖方法，包括掌子面正面、仰拱前方及下方的范围内都能喷射。实用的喷射机械，就要具备以快速施工为目的的大容量、高质量有效喷射混凝土的能力。

通常，喷射作业为保证操作员的安全和卫生环境，可通过遥控喷射机械手进行远距离喷射。

(a) 长臂喷射机(出碴前喷射)

(b) 普通喷射机(出碴后喷射)

Fig.12 Comparison of relax zone between long manipulator shotcrete machine and comment shotcrete machine

与普通喷射机相比，长臂喷射机的喷射范围达宽17.1 m、高13.1 m。图14为伸展最长的状态，图15和图16为试验施工的概貌。

图13 出碴与喷射平行作业示意图

图14 长臂喷射机外貌

图15 洞口喷射状况

图16 从碴堆后方喷射状况

2.3 仰拱栈桥

在大多数情况下，仰拱或者与二次衬砌同时修筑，或者提前二次衬砌修筑，但后者的情况居多。为了不影响后续作业的进行，仰拱多采用仰拱栈桥修筑。为此，开发了各种构造的仰拱栈桥。

图17—19分别为日本采用的单跨、双跨和三跨仰拱栈桥的标准构造。一般采用单跨仰拱栈桥较多。为了加快仰拱的修筑速度，可以采用双跨或三跨仰拱栈桥。

图17 单跨仰拱栈桥

图18 双跨仰拱栈桥

图19 三跨仰拱栈桥

我国一些单位也相继开发了仰拱栈桥，但都是单跨的。

3 充分发挥施工机械综合能力的措施——施工机械的集约化发展

目前，在隧道内可能采用的各种机械如图20所示。

这些机械，在长时间内都是单独应用的，各自发挥其功能。所谓的配套，不外乎是把它们组合在一条线上，发挥相互支援的作用。

图20 隧道可能采用的各种机械

Fig.20 Machines used in tunnel

目前的倾向是首先实现机械组合化(Tunnel Work Station，简称TWS)，例如把钻孔机械与喷射机(见图21)、或与型钢钢架架设机(见图22)等搭载在一个台架上，同时进行喷混凝土作业与架设型钢钢架作业，大大缩短循环作业时间[3]。

图21 2臂TWS(新干线隧道爆破开挖用)

Fig.21 Double-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

图22 4臂TWS(新干线隧道爆破开挖用)

Fig.22 Four-boom TWS used in blasting excavation of Shinkansen.Railway Tunnel

爆破后为了能够迅速进入下一循环，必须让爆破后开挖工作面的环境保持良好状态，为此进行通风和除尘是必要的作业。图23是日本开发的移动式的通风除尘机，处理能力为2 000 m3/min，吸尘效率达90%，已在多座隧道施工中应用，效果良好。图24是一个移动式的通风除尘装置。这2种方式，都是为了让掌子面附近空间的空气质量快速达到要求后，迅速开始下一循环作业。

一般的隧道开挖是由专用的施工机械进行钻孔、爆破开挖(或者机械开挖)、出碴、喷射混凝土和打设锚杆等一系列作业组成的。这些作业及施工机械在隧道狭窄的作业环境下移动、交替，由于受施工和安全性的制约，掘进速度的提高是有限的。

近年来，为解决此问题，提高施工效率及掘进速度，开发出以钻孔台车为基础把各种专用施工机械组合成一个台车的多功能型全断面开挖机，日本称为隧道机组工作站(Tunnel Work Station，简称TWS)(见图25)。

图23 履带式开挖面通风除尘装置

图24 搭载在汽车上的开挖面通风除尘装置(单位:m)

(a)

(b)

图26是以泥岩为主体的软岩为对象，以早期闭合的快速施工为目的，由自由断面掘进机、凿岩机、喷射机、全周模板和皮带运输机等组成的机械开挖方式的全装备型大断面用TWS。

以凝灰角砾岩为主体的中硬岩隧道为对象，由凿岩机、喷射机和钢支撑架设机等组成能够进行爆破开挖及机械开挖的万能型大断面隧道用TWS。

(a) 侧面

(b) 正面

(c) 全景

图26 3臂TWS(高速公路隧道机械开挖用)

Fig.26 Triple-boom TWS used in highway tunnel

以花岗岩为主体的硬岩隧道为对象，由凿岩机、喷射机等组成能够进行爆破开挖快速施工的大断面隧道用TWS(见图27)。

图27 4臂TWS(高速公路隧道爆破开挖用)

Fig.27 Four-boom TWS used in blasting excavation of highway tunnel

以安山岩质凝灰角砾岩为主体的软岩隧道为对象，由凿岩机、喷射机等组成的TWS和自由断面掘进机、通风、变电设备用后方台车组成的，适用于小断面隧道的机械开挖的早期闭合、快速施工的系统。

采用TWS的最大目的是快速施工，与过去采用专用施工机械的方法相比，根据预算基准值比较，在硬岩爆破开挖中，平均月进尺与过去方式相比约提高45%；在软岩机械开挖中，平均月进尺与变更前方式相比约提高70%。

4 小结

此讲的主要目的，是希望我国在隧道施工机械化上更向前推进一步，虽然实施机械化施工会节省人力，不太符合国情，但一方面提高工人的技术素质，一方面提高隧道施工机械化水平，仍然是一个不可忽视的问题。机械化或工厂化施工是大势所趋，特别是在TBM法和盾构法在我国基本上已经实现了工厂化施工的情况下，矿山法隧道也应该逐步向这个方向发展，这也是时代的要求。

[1] 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.(GUAN Baoshu,ZHAO Yong.Construction technology for weak rock tunnel[M].Beijing:China Communications Press,2011.(in Chinese))

[2] 小岛英鄕.长大山岳トンネルにおける生产性向上への取组み[J].トンネルと地下,2016,47(7)：25-34.(Kojima Aigoh.Technologies for improving productivity in long and larger mountain-crossing tunnels[J].Tunnel and Underground,2016,47(7):25-34.(in Japanese))

[3] 长谷部健司.トンネルワクステション(TWS)[J].建设机械，2011(1)：28-33.(Hasebe Kenji.TWS used in tunnel[J].Construction Machinery,2011(1):28-33.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method:Lecture XXI:Mechanization of Tunnel Construction

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The state-of-the-art of the mechanization of tunnel construction is presented.The problems,i.e.lack of professional researching and manufacturing company of tunnel construction equipment in China,unbalance of tunnel construction mechanization,inadequate use or abandon of some large-scale equipment and lack of feasible equipment for special projects,are pointed out.The construction mechanization level of some key tunnels in comment surrounding rocks in China can meet the construction requirements,and that of some tunnels in bad surrounding rocks varies much.The author suggests that the researching and manufacturing of construction equipments are very important for related pre-support technology.Some tunnel construction equipments used in Japan,including equipments related to surrounding rock strengthening or pre-support,i.e.steel pipe advance support dedicated drilling and grouting machines,hydraulic rock drilling jumbos and bending drilling machines,equipments which can improve construction efficiency,i.e.drilling machines and shotcrete machines,invert trestles (single span,double span and triple span) and intensive construction machines,i.e.multi-boom TWS for Tunnel Work Station and removable powerful ventilation fans,are introduced emphatically.It is very important to improve the tunnel construction mechanization level,shorten the construction schedule and guarantee the construction quality.The construction mechanizations of TBM method and shield method have been achieved and it should be also the trend for mining method.

tunnel; mining method; equipment; construction mechanization

2015-08-10

关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail:guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.001

U 45

A

1672-741X(2016)10-1163-08