铁路特长隧道施工机械配套技术

王宏礼，孙建岐

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000;2.中国中铁一局集团 第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721006)

我国铁路隧道机械化施工经历了小型设备钻爆法施工、大型无轨运输设备钻爆法施工和非钻爆法施工3个阶段，从部分机械化作业逐步走上综合机械化配套的发展过程。从人工开挖到TBM的使用，我国隧道机械化施工的综合水平与20世纪50年代相比已经发生了质的飞跃。铁路特长隧道的施工方法主要有钻爆法和隧道掘进机(TBM)法。我国铁路隧道施工只在西康线秦岭隧道、西合线磨沟岭隧道以及兰渝线西秦岭隧道采用TBM配套施工技术和TBM加钻爆法混合施工技术。目前隧道施工主要还是采用钻爆法施工。

1 工程概况

新建云桂铁路石林隧道位于弥勒—石林板桥区间，设计为单洞双线隧道，全长18 218 m，为全线最长隧道、全国最长单洞双线隧道、全国最长岩溶隧道、世界上最长采用钻爆法施工的岩溶隧道。隧道最大埋深约250 m，最小埋深拱顶以上约3 m。石林隧道设置“一平导+两斜井”的辅助坑道模式。隧道穿越岩性均为灰岩，岩溶强烈发育，部分地段极强烈发育。隧道通过6条断层和4条断层破碎带，不良地质为岩溶、高地应力。富水断层及岩溶发育地段极易发生突水、突泥等地质灾害。隧道中部埋深较大地段可能发生硬岩岩爆与软岩大变形地质现象，为I级风险隧道。隧道施工高风险源多，施工风险管理难度大，施工安全和工期控制难度大，总工期64个月，为全线重点控制工程。

根据施工管辖段的工程分布情况、工程量的大小及工期要求，隧道施工划分为四个工区组织，分别为进口工区、1号斜井工区、2号斜井工区及出口工区。每工区按流水作业组织施工，出口工区属于工期控制性工区。具体各工区施工段划分见图1。

2 施工机械设备选型及配套

2.1 机械设备选型原则

1)针对不同的施工工序按专业化组织流水作业，以性能好、效率高、机况良好的大型设备装配挖装运、锚喷、衬砌、辅助作业等主要作业线，实现各机械化作业线的有机配合，用机械化程度的提高来实现隧道施工的稳产、高产。

2)开挖能力大于施组能力;装渣能力大于开挖能力;运输能力大于装渣能力。

3)施工机械与施工方法配套，既要考虑围岩较好时的全断面法，又要兼顾地质较差时的应变方法。

4)施工机械与人员配套，一方面机械应能保证操纵人员的安全，另一方面先进的施工机械必须配备素质较高的操作人员，才能发挥其应有的作用。

5)设备配置富余系数不宜过大，以避免造成部分设备能力的浪费。

6)设备外形尺寸应与隧道断面相适应，并根据不同的施工形式优化配置;机械设备的配备要适应特长隧道施工的特点。

7)施工机械要与隧道辅助施工作业配套，如供水、排水、通风、电力、轨道等。

8)同类机械设备尽可能采用同厂家的设备，以便于维修、配件供应和通用互换，确保机械使用率。同时，充分考虑设备国产化。

图1 各工区施工段划分示意(单位:m)

2.2 施工机械设备选型及配套

2.2.1 施工机械设备配置方案

石林隧道施工采用喷锚构筑法，本着“科学筹划、动态控制、严控关键线路、均衡生产”的原则组织现场施工。施工机械设备本着“技术先进，性能可靠，满足需求，略有富余”的原则，均按无轨运输模式配备。形成开挖、装运、支护及二次衬砌等机械化平行流水作业线，实现隧道施工的快速、连续、均衡生产，全面完成工程各项预定目标。

隧道洞身Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面采用液压凿岩台车或多功能作业台架配风动凿岩机钻孔，Ⅳ、Ⅴ级围岩施工段采用多功能作业台架配风动凿岩机钻孔。隧道洞身开挖实施光面爆破，挖掘机配合侧卸装载机装渣，15 t以上的大型自卸汽车运输。初期支护采用风钻或台车打孔，人工配合多功能台架安装锚杆和挂设钢筋网片，喷射混凝土采用湿喷工艺。

根据施工总体安排，隧道在平导贯通前采用长管路压入式通风;平导贯通后采用巷道式通风与压入式通风相结合的方式。反坡排水采用三级泵站接力抽排方式。隧道正常断面二次衬砌采用仰拱先行，拱墙衬砌采用整体式液压模板台车整体浇筑，模板台车长度为12.2 m。衬砌按照围岩级别和施工工期要求分段进行施工。

2.2.2 凿岩机械

隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩施工方法以全断面为主，Ⅲ级(部分)、Ⅳ级围岩施工方法以台阶法为主，Ⅴ级一般地段以台阶法加临时横撑为主，断层及物探显示极破碎、极软弱地段以四部CD法或三台阶预留核心土法为主。

隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法施工，配备多功能台架配合风钻进行钻孔作业，非电毫秒雷管、二号岩石乳化炸药光面爆破，全断面一次成型。进口工区平导辅助正洞施工1号工作面，Ⅱ、Ⅲ级围岩开挖采用凿岩台车进行钻孔作业。Ⅲ级(部分)、Ⅳ级围岩采用正台阶法施工，分上下台阶施工，采用多功能平台风钻打眼，非电毫秒雷管、二号岩石乳化炸药光面爆破。爆破后，上断面挖掘机扒渣，下断面采用挖掘机配合侧卸式装载机装渣，自卸汽车运输。

2.2.3 装运机械

结合隧道每天最大出渣量和最佳循环进尺，并考虑出渣设备和开挖设备的配套，采用隧道自卸式汽车运渣方式，进口工区平导辅助正洞施工1号工作面选用JGMWZ340隧道挖装机装渣。该机为履带式，生产能力为340 m3/h，投入 2台(使用1台，备用1台)。正洞其它工作面各配备1台1.2 m3以上挖掘机配合3 m3侧卸装载机装渣。考虑到隧道断面和施工场地的狭窄，选用外形尺寸合适、经济实用的国产15 t汽车进行出渣作业。每个工区配备12台(使用9台，备用3台)自卸汽车。为了解决施工过程中出渣车辆会车问题，每420 m设1处会车道。

2.2.4 支护机械

超前管棚采用Z-GP150型管棚钻机钻孔并顶进钢管。管棚采用外径φ80 mm、长6 m的钢管加工。根据每组管棚的长度要求，用1 m长的φ40 mm钢管将φ80 mm的钢管逐根套接以控制管棚的顺直度，再将φ80 mm的钢管焊接。钢管沿纵向每30 cm钻孔一个。孔眼呈梅花形布置。管棚环向间距33 cm，纵向搭接长度为2 m，外插脚控制在 5°～7°。管棚之间采用φ40 mm小导管，水泥—水玻璃双液注浆泵注浆加固。Ⅳ级、Ⅴ级围岩采用小导管超前支护。小导管采用φ42 mm热轧无缝钢管，钢管壁厚3.5 mm，单根长3.5 m，每2.4 m一环。小导管利用风钻钻孔，钻进至设计孔深后利用高压风吹净孔眼内的粉尘及岩石碎屑，然后再采用人工锤击或风钻钎尾顶入小导管。其余地段均采用自进式锚杆、砂浆锚杆作为系统锚杆和喷射混凝土支护体系。局部地段设格栅或型钢刚架。φ80 mm长管棚采用Z-GP150型管棚钻机施工。锚杆采用人工风钻打孔。注浆泵注浆，TK500湿喷机喷射混凝土。

2.2.5 衬砌机械

衬砌按照“仰拱先行、拱墙整体衬砌”的原则进行施工。衬砌的施作时间依据量测而定，在围岩及初期支护变形基本稳定后进行;对自稳性很差的围岩，尽早施作衬砌，以策施工安全。一般仰拱与开挖面保持30～90 m，衬砌与掌子面保持90～200 m。仰拱施工采用架设栈桥，每8～10 m跳段开挖及浇筑混凝土，人工绑扎钢筋，浮放仰拱架，混凝土灌车运至工作面溜槽入仓，插入式振捣器振捣，人工整平。

衬砌施工与开挖平行进行，每个工作面配备1台12 m穿行式全断面液压钢模衬砌台车。液压模板台车由现场提供断面尺寸及功能要求，委托专业的厂家加工，现场组装。模板台车具备足够的强度和刚度，并且立模方便。

每个工区洞外配备1套生产率为90 m3/h自动计量的HZS90型拌合站，混凝土均在洞外自动计量的拌合站集中生产，配备4台HNJ5253GJBA型混凝土输送车运输混凝土。每个工作面配备2台HBT60A-1406Ⅲ型混凝土输送泵泵送混凝土入模，插入式捣固棒捣固。

3 施工效果

石林隧道机械设备配备见表1。石林隧道进口于2010年8月30日正式开工进洞，成为云桂铁路全线第一家开工进洞的单位;1号斜井、2号斜井、出口分别于9月底开工进洞。Z-GP150管棚钻机、CSS3型混凝土喷射机械手、JGMWZ340型挖装机、多功能作业台车等隧道专用设备投入现场使用，保证隧道施工安全快速有序进行。截止11月7日，云桂铁路石林隧道进口平导累计完成开挖206 m，铺底70 m;正洞完成开挖130 m，仰拱31 m;1号斜井完成开挖146 m;2号斜井完成开挖147 m，铺底完成45 m;出口平导完成开挖46 m，正洞开挖完成72 m(其中包括明洞52 m)。进口正洞模板台车已经组装完成，11月18日二次衬砌施工进入正式施工阶段。2月28日1号斜井安全开挖至交汇点，比施组计划工期整整提前了一个月的时间。

表1 主要机械设备配备

4 结语

通过石林隧道施工实践，表明在长管路压入式通风技术成熟的前提下，长度＜4 000 m的隧道采用无轨运输模式比较恰当。采用人工风钻打眼，灵活方便，成本较低。JGMWZ340隧道挖装机装渣效率较高。用电做动力环境污染小。运输车辆应考虑到外形尺寸和隧道净空相适应。要考虑效率和效益以及环境保护等因素，把开挖、出渣等工序统筹考虑，以确定合理的开挖循环进尺，保证机械设备和时间利用率均较高。石林隧道设备的合理配套是隧道快速施工的前提条件，也为石林隧道施工进度和施工安全提供了保障。

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