长大隧道快速掘进机械配置
中铁十二局第二工程公司 山西 太原 030001
摘要：长大隧道快速掘进机械配置是否合理决定工程是否能按时完成，高效的机械配置还能够缩短工期，提高工程效益。本文就某隧道进口如何进行机械配置，实现长大隧道快速掘进进行概述。
关键词：隧道；掘进；机械配置
一、 工程概述
某合同段为梁隧道，两隧道工程均为上、下行分离的双洞单向行驶2 车道隧道。1 号隧道上行隧道里程为 K0+875 ～ K1+175，长 300m，为3.685% 上坡；下行隧道里程 K0+853 ～ K1+160，长 307m，为 3.800% 上坡。2 号隧道上行隧道里程为 K1+267 ～ K1+730，长 463m，为 3.681%下坡；下行隧道里程为 K1+240 ～ K1+593，长 353m，为 2.689% 下坡。
两隧道设计净宽 9.75m，净高 5.0m. Ⅱ类围岩最大开挖宽度 12.44m，最大开挖高度 9.88m. 隧道采用锚喷砼做初期支护，复合式衬砌。墩隧道具有以下主要特点：①隧道短。两隧道长度都较短，最长的 2 号上行隧道只有 463m. ②开挖断面大。两隧道单向行驶均为 2 车道，Ⅱ类围岩最大开挖宽度 12.44m，最大开挖高度 9.88m，开挖断面 105.7m2 . ③埋深浅。隧道进、出口埋深浅，元墩 1 号隧道、2 号隧道上、下行进、出口均有明洞，隧道的最大埋深也只有 40m ～ 90m. ④地质条件差。元墩 1 号隧道穿越岩层为泥岩夹页岩，薄层构造，层理发育，易风化成碎片状，全部为Ⅱ、Ⅲ类围岩，元墩 2 号隧道Ⅱ、Ⅲ类围岩也占52.7% ～ 64.1%. Ⅱ、Ⅲ类围岩岩石也较破碎。⑤有地下水。地下水由大气降水补给，由于岩体破碎，地表水易于渗入，成地下水。地下水使泥岩软化，降低强度。
二、长大隧道施工机械化选型与配套
（一）钻爆作业线
凿岩设备是山岭隧道钻爆法施工的龙头设备，配置是否合理将直接影响到工程进度和经济效益。在钻爆掘进中目前应用最多的有液压台车、手持风动凿岩机、液压凿岩机。凿岩设备的选用应考虑到岩石性质、断面大小、进度要求、工程量大小和造价等影响因素。凿岩设备根据结构形式主要分为三种类型可供选择 : 开敞式硬岩掘进机 , 如德国 Wirth生产的双排支撑靴结构和美国 Robbins 公司的单排支撑靴结构。其特点是适用于地址条件比较稳定的隧道 , 否则掘进时 , 需在护盾后及时进行喷锚支护 ; 单护盾式硬岩掘进机 , 它有完整的圆形护盾 , 在掘进时依靠推进缸支撑在安装好的管片或整体衬砌上获得支反力 ; 双护盾式硬岩掘进机 , 其特点就在于由于前后护盾和伸缩护盾和支撑靴作用 , 能保证其在不同地址条件下施工。
本隧道采用 2 台 AtlasCopco 三臂台车进行全断面开挖施工。该设备采用电力作为动力，由液压动力机组驱动，配有先进的电子控制系统；台车工作高度 12m，工作宽度 14m，一次可覆盖面积 168m2，钻孔速度在普通岩层中可达 2.5m/min，硬质花岗岩中可达 2.0m/min，最大钻深5.24m，在潮湿、多尘的环境下均可正常工作。2011 年 4 月底开始使用，开挖月进度最高达到 198.6 米的单口掘进速度。每台台车配备 6 名操作人员，分两个作业班组进行施工。凿岩台车在实际使用中提高了施工工效，单孔 5 米深的炮孔成孔时间为 1.5 分钟～ 2 分钟，全断面开挖单循环时间控制在 3 小时～ 4 小时，加快了掘进的速度。项目部采用全断面光面爆破，现场实际统计平均线性超挖均能控制在 10 厘米以内。同时凿岩台车兼顾施钻系统锚杆眼孔的任务，提高了初期支护的施工效率和质量。
（二）装运碴作业线
1、装碴设备选择
装碴机械的选择应使之能在开挖断面内高效作业，并和运输机械相匹配，灵活方便，污染小，维修费用低。隧道运输有 3 种方式：无轨运输、有轨运输、皮带运输。
无轨运输 : 利用自卸车辆作为运输工具，多应用于大断面隧道和短隧道。其优点是机动灵活，弃碴不需二次倒运，可直接运至弃碴场。缺点是洞内受内燃废气和噪声污染严重，在长隧中施工通风难以解决。对隧底损坏严重，轮胎消耗大，在小断面隧道施工中受限制。
有轨运输 : 在隧道内铺设轨道，利用电瓶车牵引出碴车和进料车运输。其优点是无废气和噪声污染，施工通风容易解决，对隧底不会造成损坏，特别适合于长大隧道和小断面隧道。缺点是机动性差，一次投资较大，施工管理复杂，弃碴场较远时需在洞外设二次弃碴倒运站。
通过对这两种运输方式的比较，可得出，在独头掘进 1000m 以下的短隧道中，可采用无轨运输方式；在独头掘进 1000m 以上的长隧道中，可以首选有轨运输方式。 配备数量 N 根据需装出的石渣数量 V 和循环时间要求的装渣时间 T 及现场实际装载生产率 A 确定，同时考虑备用量，一般为一台。N=V/AT+n’。一次爆破循环的装渣量 V 应考虑松散系数、超挖量（公式略）。装载设备的现场实际生产率 A 除考虑装渣设备的本身能力外，还应考虑运输车辆的外运能力（公式略）。 配备数量还受作业时工作面尺寸的限制。
2、运输车辆的选择与数量
斗车一般用于断面较小，出渣量不大时。根据装载和运输条件尽可能采用大容量车辆，装渣机的生产率随斗车容量成比例增长。
要求快速掘进时应选用梭车或槽式列车，出渣量大时可采用梭车列车组。（目前梭车最大的有 30 方，一般常用 18 方）。运输材料、工具、设备采用平板车。
运输材料、工具、设备采用平板车斗车数量根据往返时间、单列容量、装渣效率等确定应满足掌子面连续装渣的要求，并有一定的富裕系数（一般为 10%）（公式略）。有时为减少列车运行中错车影响施工进度，按列车单趟出完渣所需要的数量来配备。机车数量根据列车列数配备，另加检修备用量。蓄电池组数量根据机车数量和蓄电池充放电时间等进行计算确定。
（三）出渣运输
1、装渣设备
隧道进出口各使用 1 台斗容量 1m3 的 PC220-6 小松挖掘机进行装渣，配合 3 台梭式搭接有轨运输矿车，1 台 ZLC40B 型侧卸式装载机在弃渣场平整，4 ～ 6h 可出完废渣，进行下一个掘进循环。初衬支撑完后，进行仰拱施工仍然使用该挖掘机装渣。
装运碴设备数量的确定：
梭矿需用量计算：通过对每循环松碴量、挖掘装载机生产能力、梭矿每循环需用量、梭矿实际配备量，2km 以内正洞需 3 列梭矿即 6 辆梭矿，平导需 4 辆梭矿。一般隧道单口掘进 1 ～ 2km 配 4 ～ 6 台、2 ～ 3km配 6 ～ 8 台梭矿出碴，以后每增 1km 增加 2 台梭矿出碴。
有轨运输施工前期按两个正洞和一个平导工作面，同时工作系数按0.6 计，则实际需配置梭矿数量：(6×2+4)×0.6=9.6( 辆 )，取 10 辆。
有轨运输施工后期按四个正洞和一个平导工作面，同时工作系数按0.5 计，则实际需配置梭矿数量：(12×4+10)×0.5=29( 辆 )。
2、运渣设备
机车和矿车应统一考虑，选择大容量矿车必然要选择大功率机车，二者必须匹配。牵引设备采用 CDXT-12 直流变交流蓄电池机车，该机型牵引力大，制动力强，维修简单，可靠性强，可牵引 2 台搭接矿车，粘重≥ 12t，最小曲线半径 12m。每台车设 1 付电瓶组备用，选用 CKKF-200/290 可控硅整流充电机充电。在坡度 7‰情况下，12t 蓄电池机车可以拖动 2 节 16m3 梭矿。
运输设备采用搭接式 16m3 梭矿，两车为一组，轨距 900mm。16m3梭矿尺寸 12840×1580×2490mm，载重 32t，理论最大时速 15Km，功率2×15KW。有轨运输出碴需二次倒运，在洞外临时碴场设置 15 ～ 20m 卸碴栈桥 2 座。
四、机械化配套效果
自台车于 2011 年 4 月 25 日进洞实施机械化施工后 , 整个机械化生产线开始起动和高速运转起来 , 先进的机械设备配备配套方案的机械效能和效果开始体现 , 施工速度明显加快 , 循环时间不断缩短 , 平均月成洞均保持在 160m 以上 , 特别是 7 ～ 9 月 , 创造了连续三个月独头月掘进超 200m, 连续三个月月成洞超 200m 的施工进度纪录 , 极大地缩短循环时间和加快了施工进度。
结束语
本工程隧道的洞身工程地质复杂，在技术管理根据具体围岩情况和施工的安全风险、经济效益综合考虑选取最优的掘进施工方案；合理的机械人员配备、现代化的调度、科学文明的现场施工、严明的奖罚制度为该隧道快速掘进提供了如虎添翼的动力。
参考文献
[1] 向前进 . 长大隧道机械化施工设备配套与环保 [J]. 建筑机械化 ,2010 年 11 期 .
[2] 王毅东 . 隧道长距离独头掘进经验 [J]. 山西建筑 , -2009 年22 期 .
