隧道施工機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展

隧道施工機械化的現(xiàn)狀與發(fā)展

0圍巖條件下隧道施工機械化的水平越古老的語言是“如果你從事一項工作，首先你必須利用它?！薄芭撕茈y做沒有米的磚?！敝袊乃淼罊C械化依賴于滿足隧道施工要求的設備的開發(fā)和開發(fā)。在向“裝備強國”邁進的今天,對隧道施工機械的開發(fā)和研制也應該提到日程上來。由于各種隧道施工機械的開發(fā)和發(fā)展,目前隧道的基本作業(yè)都已實現(xiàn)了機械化,但視各國的國情不同,機械化的程度有所不同。我國的現(xiàn)狀是缺乏專門研究和制造隧道施工機械的企業(yè);隧道施工機械化的水平參差不齊;由于客觀原因一些大型施工機械得不到充分利用,甚至棄之不用;遇到施工難題沒有可以選擇的施工機械可以利用,制約了隧道施工機械化的發(fā)展。因此,提高隧道施工的機械化程度,大幅度縮短單項作業(yè)時間,發(fā)揮綜合機械化的威力,確?？焖偈┕ず凸こ藤|(zhì)量是當務之急。在一般圍巖條件下,我國重點隧道的施工機械化水平,與國外相比,雖然有一定差距,但基本上能夠滿足施工要求,幾條作業(yè)線基本上能夠配套使用;而在不良圍巖條件下,機械化的差距特別突出。這也是我國亟待開發(fā)的領域。一般來說,地質(zhì)條件差,圍巖的自支護能力就很弱,開挖后掌子面的自穩(wěn)時間很短,甚至開挖后就立即發(fā)生崩塌;因此,在這種圍巖條件下,就要采取“先支后挖”的對策。也就是說在開挖前對周邊圍巖進行補強,提高其自支護能力,避免開挖后產(chǎn)生過大的變形或崩塌。這種技術稱為預支護或圍巖補強技術,與之相適應的施工機械的研制和開發(fā)必須提到日程上來。目前,隧道施工講求一個“快”字,要求大力縮短單項作業(yè)的時間,提高作業(yè)效率,這也要求隧道施工機械能夠適應“快”的要求,多功能的施工機械不斷涌現(xiàn),就是一個證明。在隧道施工機械化方面,如何發(fā)揮隧道施工機械的綜合能力,即所謂的配套能力,是非常重要的,必須針對其中的薄弱環(huán)節(jié)下功夫。1前支護、拱東南角沉控制圍巖補強或預支護技術,牽涉面較多,其中包括超前支護、拱腳下沉控制以及掌子面錨桿等,此處僅以應用較多的長鋼管超前支護、拱腳下沉控制重點做些說明,詳細內(nèi)容請參見《軟弱圍巖隧道施工技術》1.1隧道鋼管支護長鋼管超前支護,日本稱之為AGF(AllGroundFastening)工法,是已經(jīng)標準化的支護方法(見圖1)。該方法是開挖前在掌子面前方沿隧道外周配置長10~15m的鋼管,形成拱形結(jié)構(gòu)。為使鋼管和圍巖形成一體,應在其間充填水泥漿或其他注漿材料。其在洞內(nèi)或洞外施工的概貌見圖2。多采用類似圖2的專用鉆機鉆孔并注漿,也有采用圖3所示的搭載在鉆孔臺架上的液壓鉆進行鉆孔。1.2控制頂部下沉施工隧道支護腳部的圍巖強度不足是引起隧道開挖地表下沉和隧道整體下沉的重要原因之一。作為控制支護腳部下沉的對策,我國基本上是采取鋼架下設置墊板、擴大拱腳和打鎖腳錨桿(管)的方法。日本基本上是采用以腳部鋼管為代表的腳部補強樁;但在以往的對策中,因為是在上半斷面開挖后進行施工,其抑制初期下沉的效果比較差;因此開發(fā)出彎曲鉆機,預先在圍巖開挖前在預計設置鋼架的位置打支持樁,而后進行開挖并架立鋼架,對控制腳部下沉的效果極佳。其概貌見圖4和圖5。該鉆機具有以下特點:1)能夠進行彎曲鉆孔,對掌子面前方腳部圍巖進行補強;2)采用彎曲干鉆鉆孔,施工不擾動圍巖;3)能夠形成ue788500mm、深3.5m的大口徑、高強度樁體;4)適應地質(zhì)范圍廣,包括黏性土、砂質(zhì)、礫質(zhì)土、固結(jié)粉砂巖和泥巖等。2提高施工效率的制造機械例如提高鉆孔效率的“排鉆”、型鋼鋼架架設機械、大容量噴混凝土機械等。2.1日本的大斷面鉆孔臺架在大多數(shù)場合,我國鉆孔仍然處于手持式風鉆的水平,一部分隧道采用了2臂或3臂鉆孔臺車,也引進了微機控制的鉆孔臺車,但應用效果不佳,甚至棄之不用。為了滿足隧道大斷面開挖的要求,我國開發(fā)了多功能鉆孔臺架,可以在臺架上同時采用20臺手持式風鉆鉆孔。這是不得已的辦法。日本在新干線隧道、雙車道公路隧道,開挖面積在80~100m在大斷面開挖中,過去多是2臺3臂鉆孔臺車并用,在實際操作上多有不便,因此又開發(fā)出6臂鉆孔臺車(見圖8),用1臺鉆孔臺車進行全斷面鉆孔,大大縮短了鉆孔時間。為減少超挖并提高鉆孔定位的準確性,微機控制鉆孔臺車的使用愈來愈普遍。隧道爆破通常采用光面爆破或控制爆破,特別是在采用預裂爆破的場合,要沿開挖輪廓開槽形成自由面,為此日本開發(fā)了所謂的“排鉆”(見圖9),大大縮短了鉆孔時間,其鉆機概貌見圖10。此鉆機也可以用于預襯砌的施工。2.2車中央側(cè)部噴混凝土噴法在大斷面隧道中,為滿足快速施工、縮短施工循環(huán)時間的要求,日本開發(fā)了重視早期強度形成的干噴、大容量、低粉塵的新型噴射系統(tǒng)SF-2(AL-285噴射機1臺,AL-306機械手2臺)(見圖11)本系統(tǒng)的特點如下:1)由于采用2臺噴射機,能夠進行大容量(20~24m2)2臺噴射機設置在臺車中央側(cè)部,荷載平衡改善了走行性,而且縮短了材料管的長度(比過去縮短一半);3)噴射機械手具有升降機構(gòu),也能夠適應超短臺階的噴射;4)由于采用低粉塵干噴工法,因W/C小,早期強度形成快,特別是大涌水時也能用噴混凝土封堵。無論哪一種都搭載了吐出量在20m通常,噴射作業(yè)為保證操作員的安全和衛(wèi)生環(huán)境,可通過遙控噴射機械手進行遠距離噴射。一般來說,如果能夠在開挖后、出碴前進行噴混凝土作業(yè),就能夠抑制掌子面前方松弛區(qū)域的擴大;但是,一般噴射機的臂長,受噴射范圍的制約,都必須在出碴后才能進行噴射作業(yè)。因此,加長噴射機的臂長,使之能夠在碴堆存在的情況下進行噴射作業(yè)(見圖12),在噴射的同時,還可以進行出碴作業(yè)(見圖13)是比較理想的,為此,日本古河會社和清水會社共同開發(fā)了長臂噴射機。與普通噴射機相比,長臂噴射機的噴射范圍達寬17.1m、高13.1m。圖14為伸展最長的狀態(tài),圖15和圖16為試驗施工的概貌。2.3仰拱棧橋的修建在大多數(shù)情況下,仰拱或者與二次襯砌同時修筑,或者提前二次襯砌修筑,但后者的情況居多。為了不影響后續(xù)作業(yè)的進行,仰拱多采用仰拱棧橋修筑。為此,開發(fā)了各種構(gòu)造的仰拱棧橋。圖17—19分別為日本采用的單跨、雙跨和三跨仰拱棧橋的標準構(gòu)造。一般采用單跨仰拱棧橋較多。為了加快仰拱的修筑速度,可以采用雙跨或三跨仰拱棧橋。我國一些單位也相繼開發(fā)了仰拱棧橋,但都是單跨的。3人工大斷面隧道開挖的機械組成技術-以隧道機組為目前,在隧道內(nèi)可能采用的各種機械如圖20所示。這些機械,在長時間內(nèi)都是單獨應用的,各自發(fā)揮其功能。所謂的配套,不外乎是把它們組合在一條線上,發(fā)揮相互支援的作用。目前的傾向是首先實現(xiàn)機械組合化(TunnelWorkStation,簡稱TWS),例如把鉆孔機械與噴射機(見圖21)、或與型鋼鋼架架設機(見圖22)等搭載在一個臺架上,同時進行噴混凝土作業(yè)與架設型鋼鋼架作業(yè),大大縮短循環(huán)作業(yè)時間爆破后為了能夠迅速進入下一循環(huán),必須讓爆破后開挖工作面的環(huán)境保持良好狀態(tài),為此進行通風和除塵是必要的作業(yè)。圖23是日本開發(fā)的移動式的通風除塵機,處理能力為2000m一般的隧道開挖是由專用的施工機械進行鉆孔、爆破開挖(或者機械開挖)、出碴、噴射混凝土和打設錨桿等一系列作業(yè)組成的。這些作業(yè)及施工機械在隧道狹窄的作業(yè)環(huán)境下移動、交替,由于受施工和安全性的制約,掘進速度的提高是有限的。近年來,為解決此問題,提高施工效率及掘進速度,開發(fā)出以鉆孔臺車為基礎把各種專用施工機械組合成一個臺車的多功能型全斷面開挖機,日本稱為隧道機組工作站(TunnelWorkStation,簡稱TWS)(見圖25)。圖26是以泥巖為主體的軟巖為對象,以早期閉合的快速施工為目的,由自由斷面掘進機、鑿巖機、噴射機、全周模板和皮帶運輸機等組成的機械開挖方式的全裝備型大斷面用TWS。以凝灰角礫巖為主體的中硬巖隧道為對象,由鑿巖機、噴射機和鋼支撐架設機等組成能夠進行爆破開挖及機械開挖的萬能型大斷面隧道用TWS。以花崗巖為主體的硬巖隧道為對象,由鑿巖機、噴射機等組成能夠進行爆破開挖快速施工的大斷面隧道用TWS(見圖27)。以安山巖質(zhì)凝灰角礫巖為主體的軟巖隧道為對象,由鑿巖機、噴射機等組成的TWS和自由斷面掘進機、通風、變電設備用后方臺車組成的,適用于小斷面隧道的機械開挖的早期閉合、快速施工的系統(tǒng)。采用TWS的最大目的是快速施工,與過去采用專用施工機械的方法相比,根據(jù)預算基準值比較,在硬巖爆破開挖中,平均月進尺與過去方式相比約提高45%;在軟巖機械開挖中,平均月進尺與變更前方式相比約提高70%