隧道施工中的机械设备配套技术

熊军华

（中铁十一局集团第二工程有限公司，湖北十堰 442013）

0 工程概况

新建浦城至梅州铁路建宁至冠豸山段全线站前工程PM-2标段正线起止里程为DK226+700～DK256+300，正线长度28.352 km；建宁县北站疏解线起止里程SJDK226+700～SJDK232+050，疏解线长度5.341 km。主要工程内容：改移道路、砍伐挖根、取弃土（渣）场防护；路基（含全线范围内的护轮轨，不含电缆槽）、桥涵（含PM-3标范围内的T梁制架、T梁桥面系但不含电缆槽，全线范围内的护轮轨）、隧道及明洞（不含隧道照明）、无砟道床及全线弹性支承块预制、轨道（含全线范围内的轨道但冠豸山站改DK203+631～DK206+150除外）；桥隧接地极和接触网预埋件、声屏障、隧道电缆沟槽（不含填砂）；隧道、路基、站场连通管道等站后接口工程；其他运营生产设备及建筑物（不含给排水但隧道消防给水除外）、站台面铺装、站台雨棚、地道装饰及附属），大临及过渡工程。

1 施工机械设备综合配套原则

结合本项目的特点，对机械设备的各项技术参数进行分析，强化设备之间的配合能力，确保满足施工周期和施工质量等方面的要求。在机械设备选择过程中需要按照7个原则进行：①在机械设备选择过程中，需要考虑到施工规模、施工场地和施工距离等方面因素，确保设备生产能力符合施工要求；②机械设备在进行选择过程中，需要确保机械设备的生产效率，机械设备便于操作，容易检修，具有一定的环保能力；③选择国产机械设备。国产机械设备在运转费和购置费等方面费用较低，并且在配件采购方面较为方便，并且售后服务较好；④在机械设备选择过程中，需要选择通用型机械，不到特殊情况下不得使用特殊类型的机械设备；⑤在进行机械设备的需求量计算时，需要突出重点问题；⑥根据机械设备的功率和备用电源容量等进行充分的考虑，确保机械设备的正常运行，保证施工周期；⑦对施工环境进行分析，科学合理的布置机械设备的位置，并且对机械设备进行动态化管理，及时调整设备位置，这样才能保证机械设备的整体运作能力符合要求[1]。

2 主要机械设备选择

2.1 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[2]。

（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。

2.2 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。

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）。

式中 Vd——凿岩机械的实际凿进速度，m/min

φ——同时开动干扰系数

β——工作时间利用系数。φ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。

2.3 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。

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

ΔS—— —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）。

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。

2.4 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。

3 结束语

在隧道工程施工过程中，机械设备的选型和配套是影响施工质量的一个重要因素，不仅对施工速度影响较大，而且对施工安全和施工效益也有较大的影响，所以要重点做好施工机械设备的选型工作。由于隧道施工多为地下工程，作业面比较窄，施工条件差，不同工序之间存在较大的干扰，特别是水工隧道、铁路隧道等小断面地下坑道作业时，更需要选择专门的施工设备。本文所述工程，通过合理进行机械设备选型以及科学化管理，施工工期较计划工期缩短了7个月。工程的经济效益和工程施工质量显著提升，设备正常运转率达到96%，没有出现机械设备闲置浪费的情况。

［1］周胜.大断面富水黄土隧道开挖方法优选及设备配套研究［D］.兰州：兰州交通大学，2016.

［2］张伟.基于双臂凿岩台车的隧道施工设备配套及经济性研究［D］.西安：长安大学，2015.