工程機(jī)械第四講第一節(jié)

第四章隧道機(jī)械施工第一節(jié)概述

一、我國(guó)鐵路施工現(xiàn)狀我國(guó)鐵路隧道機(jī)械化施工是自上世紀(jì)八十年代才開(kāi)始的。以大瑤山隧道建設(shè)為起點(diǎn)，然后在大秦、南昆、京九、西康等新線建設(shè)中推廣、完善，形成了多種機(jī)械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式?？梢哉f(shuō)，大瑤山隧道是鉆爆法機(jī)械化施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，秦嶺隧道則是TBM施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。這兩次技術(shù)跨越對(duì)我國(guó)隧道施工技術(shù)發(fā)展影響甚大，它不僅使隧道施工進(jìn)度明顯加快，而且使人們共同認(rèn)識(shí)到大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)是今后隧道施工技術(shù)的發(fā)展方向，沒(méi)有機(jī)械化，就不會(huì)有快速施工，就難以在較短時(shí)期內(nèi)完成大規(guī)模的各類隧道建設(shè)任務(wù)。而其它各種施工技術(shù)也必須在機(jī)械化條件下來(lái)實(shí)施，并且要與機(jī)械化施工的要求相適應(yīng)才能繼續(xù)發(fā)展下去。

截止到2008年底，我國(guó)已建成鐵路隧道總長(zhǎng)度超過(guò)200km，在建鐵路隧道總長(zhǎng)已超過(guò)4700km，即將開(kāi)工和規(guī)劃建設(shè)的隧道總長(zhǎng)度超過(guò)5000km，預(yù)計(jì)到2012年，我國(guó)建成通車的鐵路隧道的總數(shù)量將突破10000座，總長(zhǎng)度將突破10000km。

二、隧道的施工方法

隧道開(kāi)挖是隧道施工中最主要的作業(yè)，隧道的施工方法因其設(shè)置深度不同，可分為明挖法和暗挖法。明挖法是先把隧道及其上方的土壤全部挖開(kāi)，之后修筑襯砌，再回填土壤把隧道掩埋起來(lái)，如修筑明洞或淺埋的地下鐵道。暗挖法是全部工程都在地下進(jìn)行。暗挖法常用的開(kāi)挖方法有礦山法、盾構(gòu)法和掘進(jìn)法。1、礦山法把隧道斷面分成若干部分，按先后順序，用鉆眼爆破的方法進(jìn)行開(kāi)挖；當(dāng)斷面開(kāi)挖到一定程度或全部挖好后，進(jìn)行襯砌，因此，礦山法也稱鉆爆法。

礦山法開(kāi)挖隧道有三項(xiàng)主要作業(yè)，即鉆孔、爆破和裝碴出碴。其施工步驟有：1）鉆孔2）施爆3）通風(fēng)4）出碴5）支撐6）襯砌。裝碴出碴主要有兩種方式：有軌運(yùn)輸（斷面較大用）。和無(wú)軌運(yùn)輸（斷面較小用）。鉆爆法施工中，裝渣工序占用大約60％的作業(yè)時(shí)間，優(yōu)良的裝載設(shè)備對(duì)提高工效，加快進(jìn)度起著關(guān)鍵作用。目前鐵路隧道施工所使用的裝載設(shè)備品種較多，也基本上能達(dá)到與運(yùn)輸設(shè)備配套的要求。但從高效、安全、快速、節(jié)能、工作面環(huán)境好的綜合要求考慮，施工單位普遍青睞從德國(guó)引進(jìn)的ITC312挖掘裝載機(jī)。該機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，工作面通風(fēng)較好；能連續(xù)裝載，效率高；在合理組織施工時(shí)能做到裝運(yùn)與錨噴、鉆孔、測(cè)量等平行作業(yè)，縮短循環(huán)時(shí)間；加之所需作業(yè)空間較小、故障少等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為重點(diǎn)工程的首選裝渣設(shè)備。采用礦山法開(kāi)挖隧道，一定要保證風(fēng)、水、電的供應(yīng)。

1)施工機(jī)械和配套設(shè)施的確定⑴開(kāi)挖機(jī)具的選擇隧道斷面小，采用鑿巖機(jī)；隧道斷面大，采用鑿巖臺(tái)車；隧道較長(zhǎng)，用電動(dòng)火車運(yùn)渣；較短，用傾卸車⑵配套設(shè)施①空氣壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)和容量，必須根據(jù)開(kāi)挖面的多少，斷面面積大小及開(kāi)挖方法等決定②照明設(shè)施③排水設(shè)施在開(kāi)挖的兩側(cè)壁附近各挖一排水溝，并以抽水機(jī)配合④彎鋼機(jī)支撐用型鋼⑤混凝土拌和廠⑥混凝土澆筑機(jī)具混凝土輸送泵⑦混凝土輸送車⑧電力、水源⑨通訊設(shè)施電話；交通設(shè)施⑩測(cè)量?jī)x器⑾安全衛(wèi)生設(shè)施⑿施工道路、出渣場(chǎng)地⒀爆材庫(kù)房2）開(kāi)挖方式的選擇選擇開(kāi)挖方式，應(yīng)考慮隧道所在區(qū)域的地形條件，工程地質(zhì)及水文條件，隧道的設(shè)置的深度，隧道的斷面形狀及尺寸，隧道的線路坡度，技術(shù)條件等，以工程地質(zhì)及水文條件為優(yōu)先考慮條件。根據(jù)巖體穩(wěn)定程度可采用全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階法、漏斗棚架法、先拱后墻法等3）隧道支撐支撐方式木支撐、鋼支撐；錨桿，噴射混凝土，一般在開(kāi)挖前，先沿線鉆取巖心樣品進(jìn)行分析，再選擇支撐方式。鋼拱架也是軟巖隧道的主要支護(hù)形式之一，其安裝過(guò)程一直采用人工操作，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，安全隱患多。軟巖隧道施工支護(hù)過(guò)程人工作業(yè)帶來(lái)的諸多危害已越來(lái)越受到關(guān)注。2、盾構(gòu)法

隧道施工久有“怕軟不怕硬”的說(shuō)法，意思是軟巖或土質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定性差，安全風(fēng)險(xiǎn)大，事故隱患多，支護(hù)困難，進(jìn)度慢。盾構(gòu)法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以防止土壤坍塌，便于安裝襯砌，適用于軟弱不穩(wěn)定的地層中修筑較長(zhǎng)的隧道，諸如水底隧道及地下鐵道等。但盾構(gòu)本身構(gòu)造比較復(fù)雜，設(shè)備多，造價(jià)高，需要有專門的拼裝室和拆卸室，且拼裝費(fèi)時(shí)，成本很高。其施工步驟有：1）機(jī)械開(kāi)挖2）出碴3）通風(fēng)4）支撐5）襯砌。開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意：土質(zhì)隧道開(kāi)挖不易維持直立、洞頂易于坍塌，水位影響大，地層下沉。對(duì)于隧道長(zhǎng)度較短的來(lái)講，用臂式掘進(jìn)機(jī)比較經(jīng)濟(jì)。臂式掘進(jìn)機(jī)是任意斷面掘進(jìn)機(jī)，集開(kāi)挖裝載與一體，對(duì)斷面形狀、開(kāi)挖長(zhǎng)度、循環(huán)進(jìn)尺都沒(méi)有限制，可以邊開(kāi)挖邊支護(hù)，工作效率雖不及TBM及盾構(gòu)，但通常也比鉆爆法高。3、掘進(jìn)法掘進(jìn)機(jī)的頭部裝有一個(gè)圓盤形的切割機(jī)構(gòu)，其上裝有切割巖石的刀具，工作時(shí)用旋轉(zhuǎn)動(dòng)作或擺動(dòng)動(dòng)作來(lái)切除工作面上的巖石，隨著切割機(jī)構(gòu)不斷切割前進(jìn)，就可以切出一個(gè)圓形斷面。所以一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)可以代礦山法中鉆眼、爆破和裝碴所需的若干臺(tái)不同類型機(jī)械。因此也可稱其為聯(lián)合掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)一般應(yīng)用在整體性較好的中硬巖層開(kāi)挖作業(yè)中，在這樣的巖層中作業(yè)，由于機(jī)身的中段裝有幾對(duì)可伸縮的支撐靴板，切割機(jī)構(gòu)推壓力所產(chǎn)生的反推力就通過(guò)這些支撐靴板傳到坑道的側(cè)壁上。當(dāng)巖層不穩(wěn)定時(shí)，掘進(jìn)機(jī)需靠盾構(gòu)千斤頂傳到已拼裝好的襯砌上。目前，掘進(jìn)機(jī)按其結(jié)構(gòu)特征可分為護(hù)盾式、支撐式和支撐護(hù)盾式三種類型。

雖然我國(guó)已進(jìn)入隧道施工機(jī)械化新時(shí)代，但總的技術(shù)發(fā)展速度緩慢，整體技術(shù)仍相當(dāng)落后，這主要表現(xiàn)在：第一，以鉆爆法為基礎(chǔ)的快速施工技術(shù)體系尚未完成，在鉆孔、爆破、地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖穩(wěn)定性控制、快速支護(hù)與襯砌、機(jī)械化作業(yè)線設(shè)備配套技術(shù)、施工通風(fēng)與環(huán)境控制、施工安全與風(fēng)險(xiǎn)控制、自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理等方面，許多關(guān)鍵技術(shù)難題尚未取得突破，施工進(jìn)度差別很大，事故隱患較多，工后環(huán)境影響較大。

第二，以鉆爆法為基礎(chǔ)的機(jī)械化設(shè)備配套幾乎只有在硬巖或圍巖穩(wěn)定性較好的條件下才能實(shí)現(xiàn)快速施工，而且作業(yè)線的主要設(shè)備都立足于從國(guó)外引進(jìn)，自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的品種少、質(zhì)量較差、故障多，因而影響作業(yè)效率。由于引進(jìn)設(shè)備價(jià)格昂貴，大量采購(gòu)必然導(dǎo)致成本高，對(duì)外商依賴程度高，反過(guò)來(lái)對(duì)自主創(chuàng)新形成阻滯作用。這樣，就難以在大多數(shù)工程上形成先進(jìn)的機(jī)械化作業(yè)線，制約了全行業(yè)整體技術(shù)的全面發(fā)展和進(jìn)步。

第三，對(duì)于軟巖和土質(zhì)隧道，大多數(shù)仍用鉆爆法或人工為主的作業(yè)，對(duì)圍巖擾動(dòng)大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，支護(hù)困難，進(jìn)度緩慢。把基本成熟的硬巖施工機(jī)械化配套方案用于軟巖隧道既不能快速施工，也不是真正意義上的機(jī)械化。第四，對(duì)于TBM施工，我國(guó)只處在技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，只能說(shuō)我們剛學(xué)會(huì)使用TBM建設(shè)隧道。到目前，所有引進(jìn)TBM施工現(xiàn)場(chǎng)都有為數(shù)不少的國(guó)外專家在工作，幫助處理各種技術(shù)和管理方面的問(wèn)題。而且TBM是一種特殊設(shè)備，就必須根據(jù)工程的具體情況對(duì)機(jī)組進(jìn)行新的技術(shù)組合和設(shè)計(jì)，而且在不同的施工條件下，同類TBM將有不同的表現(xiàn)，真正掌握TBM的理論和技術(shù)，還需要更多的工程實(shí)踐和科技攻關(guān)才能實(shí)現(xiàn)，甚至有些技術(shù)必須從基礎(chǔ)理論和方法開(kāi)始研究。第二節(jié)礦山法用施工機(jī)械

一、鑿巖機(jī)鑿巖機(jī)是一種鉆鑿炮眼的石方工程機(jī)械。主要用于隧道的掘進(jìn)，石料的開(kāi)采，混凝土的破碎及其它石方工程。1、鑿巖機(jī)的分類及其特點(diǎn)國(guó)產(chǎn)鑿巖機(jī)的類型如下：按動(dòng)力可分為風(fēng)動(dòng)、內(nèi)燃、電動(dòng)和液壓四種；按操作形式可分為手持式、氣腿式、向上式和導(dǎo)軌式四種2、鑿巖機(jī)選擇1）動(dòng)力類型的選擇可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力條件、施工要求和安全可靠性進(jìn)行選擇：（1）凡是零星的露天石方工程，如少量片石的開(kāi)采、電桿基坑挖掘以及孤石的排除等，可優(yōu)先選用內(nèi)燃鑿巖。（2）從節(jié)能方面考慮，應(yīng)盡量選用電動(dòng)鑿巖機(jī)。但電動(dòng)鑿巖機(jī)目前尚有不完善之處，如在瓦斯環(huán)境中作業(yè)不安全（3）由于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)使用安全可靠，并容易使鉆眼與裝巖平行作業(yè)，在石方工程施工中得到廣泛應(yīng)用。（4）優(yōu)先選擇本單位現(xiàn)有鑿巖機(jī)種類。（5）選擇時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力設(shè)備的配套齊全，2）操作型式的選擇（1）零星石方施工和不便于使用氣腿式鑿巖機(jī)施工的狹窄工作面，可以選用手持式鑿巖機(jī)。（2）一般石方施工應(yīng)盡量采用或創(chuàng)造條件采用氣腿式鑿巖機(jī)。（3）當(dāng)開(kāi)鑿與地面成60度以上的向上炮眼，最好選用向上式鑿巖機(jī)（4）當(dāng)鉆眼眼深度超過(guò)3米時(shí)，為便于操作和控制，最好選用導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)。（5）大型石方工程應(yīng)考慮鑿巖臺(tái)車。

3、鑿巖機(jī)工作臺(tái)數(shù)的計(jì)算1）按鉆孔數(shù)量計(jì)算（石方開(kāi)挖采用）每臺(tái)鑿巖機(jī)一個(gè)臺(tái)班應(yīng)鉆的炮眼數(shù)為：同時(shí)工作的鑿巖機(jī)臺(tái)數(shù)2）按采石產(chǎn)量計(jì)算（采石作業(yè)采用）

4、提高鑿巖機(jī)效率的措施鑿巖機(jī)的技術(shù)性能是設(shè)計(jì)或試驗(yàn)出來(lái)的理論數(shù)值，在實(shí)際使用中，由于使用條件和機(jī)械技術(shù)狀況是變化的，往往達(dá)不到理想效果，為此，除合理選擇機(jī)型和正確操作使用外，還可以采取各種措施，創(chuàng)造良好的工作條件，提高鑿巖機(jī)的作業(yè)效率。1）保持合理的工作氣壓常用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的合理氣壓為0.5~0.6MPa2）保證供水要求目前石方施工大都采用濕式鑿巖，不但可以降低粉塵，而且由于水巖石的軟化作用，鑿巖機(jī)的轉(zhuǎn)速可以提高20%~30%；又由于水的冷卻作用，釬頭的磨損量可以降低10%~20%，釬桿的使用壽命也將延長(zhǎng)。3）采用黃甘油潤(rùn)滑多年來(lái)，許多鑿巖機(jī)使用單位試用黃甘油，直接用強(qiáng)風(fēng)一次吹入機(jī)體內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)滑。4）加強(qiáng)施工管理施工管理主要是針對(duì)機(jī)械使用方面。在組織上要采取定機(jī)、定人、定位、定時(shí)、定質(zhì)、定量等措施。5）保持機(jī)況良好鑿巖機(jī)技術(shù)狀況良好是提高鑿巖效率的關(guān)鍵。機(jī)況不良則鑿巖速度下降，動(dòng)力消耗增加，嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常作業(yè)。二、鑿巖臺(tái)車

鑿巖臺(tái)車是支撐鑿巖機(jī)并能完成鑿巖作業(yè)所需的推進(jìn)、移位等運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)式鑿巖機(jī)械。為了提高隧道開(kāi)挖效率，將數(shù)把鑿巖機(jī)支架安裝在同一個(gè)臺(tái)車上，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)鉆眼工序。鑿巖臺(tái)車一般用于地質(zhì)條件好，基本不要臨時(shí)支護(hù)的大斷面。鑿巖臺(tái)車是目前隧道全斷面開(kāi)挖的主要機(jī)具之一，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：1、節(jié)省勞動(dòng)力，強(qiáng)度低，操作者不直接承受鑿巖機(jī)的振動(dòng)2、鉆孔速度高20—30（cm/min),高達(dá)60(cm/min)

3、可利用長(zhǎng)鉆桿（7180mm）4、定向性好可提高作業(yè)效率5、機(jī)動(dòng)性好二、隧道襯砌機(jī)械隧道開(kāi)挖之后，除了圍巖穩(wěn)定性很好的以外，一般均需襯砌。隧道襯砌要緊跟開(kāi)挖作業(yè)，以免圍巖暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而降低穩(wěn)定性。襯砌的類型有多種：石襯砌、混凝土襯砌、噴射混凝土襯砌、噴錨襯砌以及復(fù)合襯砌等。1、就地灌注混凝土襯砌就地灌注混凝土襯砌的施工包括立模、攪拌、運(yùn)輸、灌注和拆模等幾道工序。作業(yè)中一般采用機(jī)械攪拌，翻斗車或混凝土輸送車運(yùn)送，卷?yè)P(yáng)機(jī)或混凝土輸送泵提升，人工拆裝拱架及模板或用襯砌臺(tái)車、混凝土輸送泵或風(fēng)動(dòng)混凝土壓送器灌注混凝土等。襯砌臺(tái)車也稱不移動(dòng)式金屬模板臺(tái)車，是由模板、臺(tái)車和操縱設(shè)備三個(gè)主要部分組成的，根據(jù)臺(tái)車和模板的相互關(guān)系，可分為整體式和穿行式兩種。整體式襯砌臺(tái)車也稱為平移式鋼模臺(tái)車，其模板與臺(tái)車制成一個(gè)整體，在灌注混凝土?xí)r，由臺(tái)車承受混凝土的重量。這種臺(tái)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是在沒(méi)有早強(qiáng)劑的情況下，等待拆模時(shí)間長(zhǎng)，立模灌注只能間歇進(jìn)行，影響襯砌速度。穿行式鋼模式臺(tái)車其模板部分與臺(tái)車是可以分離的，當(dāng)臺(tái)車就位后，用垂直千斤頂和側(cè)面支撐使模板固定在設(shè)計(jì)位置上，灌注混凝土?xí)r臺(tái)車可與模板分離，然后臺(tái)車退回到可以拆模的灌注段收起模板，帶著模板經(jīng)過(guò)前面已安裝好的模板，穿行到新的灌注位置去架設(shè)，這樣，混凝土的灌注作業(yè)可以逐段連續(xù)進(jìn)行，從而提高了襯砌速度。2、噴射混凝土將噴射的混凝土作為襯砌或臨時(shí)支護(hù)近年來(lái)在隧道施工中被廣泛采用。國(guó)際稱其為“新奧法”。它是原理是：利用混凝土將圍巖表面粘成一個(gè)整體，充分發(fā)揮巖體本身的自承能力。噴射混凝土和干噴法和濕噴法，我國(guó)目前主要采用干噴法。主要工作步驟如下：先把砂、石、水泥以及速凝劑按一定比例干拌均勻，然后將其裝入專門的混凝土噴射機(jī)，在高壓風(fēng)的推動(dòng)下，使干料沿管路連續(xù)地供給噴頭，干料在噴頭處與水混合，成為液狀的混凝土混合料，以較高的壓力和速度噴向坑道圍巖的表面上，形成一層與巖面粘結(jié)牢固的襯砌結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯瑖娚洳挥媚０?，并把混凝土的攪拌、運(yùn)輸、灌注和搗固這些工序結(jié)合在一起，速度快、效率高，是一種新工藝。噴射混凝土有以下優(yōu)點(diǎn)：1、由于噴射的混凝土是在高速、高壓的情況下粘附在圍巖表面和縫隙中，這樣的混凝土具有較高密實(shí)度，因而在強(qiáng)度、粘結(jié)力、抗?jié)B性等方面，都比一般灌注的混凝土高。2、噴射混凝土不但能與巖壁牢固粘結(jié)，而且混凝土還可以射入巖縫，把由于爆破擾動(dòng)過(guò)的圍巖粘結(jié)成一個(gè)整體共同維持坑道圍巖的穩(wěn)定。3、噴射混凝土工序可以緊跟在開(kāi)挖工作的后面，在很短的時(shí)間內(nèi)就能獲得承載能力，可以及時(shí)阻止圍巖的變形，減少或制止圍巖變形的進(jìn)一步發(fā)展。4、噴射混凝土襯砌的厚度可以大大減薄，所以，坑道的開(kāi)挖斷面可以縮小，從而減小土石方的開(kāi)挖量，提高了工效。5、噴射混凝土可以不用拱架、模板、節(jié)省了材料，簡(jiǎn)化了工序，并使坑道內(nèi)的工作空間寬敞，有利于采用大型施工機(jī)械?；炷羾娚錂C(jī)械混凝土噴射機(jī)械有雙罐式、螺旋式和轉(zhuǎn)子式三種主要類型。雙罐式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，但機(jī)體較大，操作復(fù)雜，出料的連續(xù)性差。螺旋式：機(jī)體輕巧，操作比較簡(jiǎn)單，但螺旋片容易磨損，噴頭較重，工效低。轉(zhuǎn)子式：效率高，操作比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。

目前，在混凝土噴射機(jī)械中還有一種混凝土噴射三聯(lián)機(jī)，它把料倉(cāng)、攪拌和運(yùn)輸及噴射等三個(gè)部分組成一整套噴射機(jī)械。

3、隧道施工空壓機(jī)壓縮空氣是轉(zhuǎn)眼、裝渣、噴射砼等作業(yè)的主要?jiǎng)恿?。為使機(jī)械正常工作，必須要供應(yīng)足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓，一般要求風(fēng)壓為0.5—0.7MPA。其中：——每臺(tái)風(fēng)動(dòng)機(jī)具的耗風(fēng)量——每種風(fēng)動(dòng)機(jī)具的臺(tái)數(shù)——風(fēng)動(dòng)機(jī)具的同時(shí)工作系數(shù)；——機(jī)具磨損系數(shù)，一般為1.2-1.3L——風(fēng)管的總長(zhǎng)（m）

——每公里的管路漏風(fēng)量，一般為1.5-2.01）供風(fēng)量計(jì)算壓縮空氣在輸送過(guò)程中，由于管路及附件要造成一定的損耗，所以，隧道施工中所需的供風(fēng)量應(yīng)包括機(jī)具需要的用風(fēng)量和由于管路及附件造成的損耗兩部分，如以Q表示供風(fēng)量，則Q為：2）、空壓機(jī)的選擇和空壓站空壓機(jī)是一種通用機(jī)械，按原理可分為活塞式、螺桿式和滑片式?；钊娇諌簷C(jī)是靠活塞在汽缸里往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生高氣壓。螺桿式和滑片式則是