铁路隧道开挖作业机械化与施工技术研究

赵前进

（中国铁路昆明局集团有限公司，昆明650000）

1 引言

20 世纪80～90 年代，大瑶山隧道的钻爆机械化施工与西康铁路秦岭隧道的全断面隧道掘进机施工，是我国铁路隧道开挖作业向机械化发展的标志，对我国的隧道建设以及施工技术的发展有重要的影响。

2 铁路隧道开挖概述

在隧道开挖工程中，钻爆法由于其适用性强、高效的特点成为最主要的隧道施工方法[1]。传统钻爆法通常为人工手持风动钻工设备和简易开挖台架配合实施钻爆，虽然操作难度小，但由于人工操作的原因，对施工环境与人员安全的保障无法得到满足，并且人工操作效率低，施工质量难以保证，超挖、欠挖现象时常发生。近年来，随着隧道建设数量的增加，人们对工程质量的要求不断提高，铁路建设单位面临着诸多困境，如不断提升的建设难度、逐渐上涨的劳动力成本、不断提高的技术要求以及隧道建设的机械化快速施工等。传统人工钻爆无法满足当前施工需求，机械化设备与技术的配套迫在眉睫。

隧道凿岩套车是为了解决隧道施工开挖作业机械化而诞生的产物，我国在20 世纪60 年代开始研发和应用。在之后的30 年中，随着铁路隧道建设的不断推进，对凿岩台车技术的研发，逐渐实现了全电脑导向以及全自动控制。但与国际先进公司的研发成果相比，还有一定的差距。

3 工程概况

某铁路隧道全长6 563m，起止里程为DK365+150～DK371+713，采用进、出口双向掘进，最大深埋316m。隧道围岩成分主要由粉质黏土、页岩及灰岩构成，岩性复杂。灰岩地区有岩溶地质发育，页岩地层横穿灰质页岩夹煤线，碳质页岩层岩体易破碎，施工过程容易造成突水突泥、瓦斯泄漏以及岩体塌方。隧道风险等级Ⅱ。

4 机械化设备选型

通过将铁建重工ZYS113 全电脑三臂凿岩台车与德国阿特拉斯全电脑凿岩台车各项数据的对比分析（见表1），结合隧道工程单洞单线双向掘进的施工要求，以及隧道的实际地质情况，选用2 台铁建重工ZYS113 全电脑凿岩台车。

表1 铁建重工与阿特拉斯全电脑凿岩台车数据对比

5 机械化施工配套技术

5.1 机械化配套原则

施工机械与施工方法配套；单线铁路长隧道断面较小，无轨运输阻碍通风，因此，采用有轨运输；动力选型以电-液为主；充分考虑机械可靠性、经济性、生产能力；考虑引进设备的国产化，易损件、零配件供应方便。

5.2 成本要求

铁路隧道施工机械设备配套，不必盲目追求性能、技术和产量，从整机性能出发，单机性能与生产力匹配即可；保证在规定作业条件和作业时间下保持稳定功率和机械性能，从施工质量、机械稳定性、时间损失中取得平衡；机械运行对操作人员及周边施工人员有安全保障机制，如防护装置、过载保护、自动手动切换控制等；机械寿命与设计相符，耐用性达标；维修、检查和保养方便，易损件、配件采购渠道通畅；充分考虑经济成本，优先选择节能型设备；兼容性强，能满足多地形、地质作业；优先选择低噪音、低污染、弱震动、防潮性能好的设备。

6 凿岩台车超欠挖控制方法

隧道超欠挖控制是隧道施工的主控项目，欠挖会导致后期衬砌厚度不足，提高运营过程中的安全风险，超挖会导致初支混凝土数量增加，增加施工成本，所以，利用开挖机械有效控制隧道超欠挖有极为重要的意义[2]。

初支超欠挖的线行控制能有效减少爆破后超挖所造成的空洞、围岩扰动。可在三臂凿岩台车上配备全站仪，对围岩进行线行扫描，获取超欠挖数据并分析，以便于及时调整爆破参数。

6.1 凿岩台车开挖施工流程

整个开挖流程按定位、钻爆设计导入、自动钻孔、装药、爆破、排险出渣的顺序进行。施工过程中需注意以下几点问题：钻爆设计，通过超前地质预报与全站仪扫描结果相结合取得围岩数据，经过综合分析后调整钻爆参数，导入凿岩台车电脑；铁建重工ZYS113 型凿岩台车可实现全自动钻孔作业，需在作业前将钻孔位置、孔位、角度、深度输入车载电脑即可实现全自动作业；铁建重工ZYS113 型凿岩台车自配工作吊篮，为施工人员提供安全的装药环境。

6.2 长短眼爆破控制超欠挖

全断面开挖采用铁建重工ZYS113 型三臂凿岩台车进行全断面钻研爆破，遭遇软弱围岩无法垂直开挖轮廓线时，会造成钻研过程出现外插角，可采用长眼爆破对开挖进尺短进行有效超挖控制。抬高常眼起眼高度，外插短眼能有效控制全断面隧道遂底超挖、欠挖。使用凿岩台车凿孔更加精准，减少了超欠挖量，这样也减少了因为处理超欠挖造成的费用。

6.3 爆破效果

结合施工地的地质情况，实时调整爆破参数，通过缩小眼间距、减少装药量、局部缩小开挖轮廓等措施减少超欠挖，保证周边围岩稳定性。

7 凿岩台车装药作业平台数量优化

凿岩台车的装药作业采用人工完成，钻爆台架可实现全断面同时装药。但是铁建重工ZYS113 型三臂凿岩台车操作筐数量有限，仅有的2 个操作筐作业面较少，装药速度不能满足施工需求。可通过加装快速作业筐在钻臂前端，通过2部台车共6 个作业臂同时进行装药作业，提高凿岩台车施工效率。铁建重工ZYS113 型三臂凿岩台车没有快速装药的功能，可通过增加吊篮的方式改善装药效率，吊篮装药试验数据（见表2），吊篮尺寸以及数量要根据实际装药需求定制，承重量需超过150kg。

表2 装药分布与时间对比

8 结语

单线铁路长隧道作业范围小、工程环境较差，隧道开挖机械化施工的关键还是在机械化配套设备的选择以及施工技术的研究。不同长度、不同地质特点的隧道所需的机械化配套方案及施工技术不同，合理运用凿岩台机性能优势，选择最优爆破方案，能有效地实现铁路隧道开挖作业的快速施工。在保证好设备的正常维修、保养的同时，尽量减少资金占用。机械化作业线是我国铁路隧道建设未来发展趋势，具有很高的研究价值。