谈隧道施工机械化技术

谈隧道施工机械化技术我国铁路隧道机械化施工是自20世纪80年代才开始的，以衡广复线大瑶山隧道建设为起点，然后在大秦、南昆、京九、西康等铁路建设中推广完善，形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式。可以说，大瑶山隧道是我国铁路隧道钻爆法机械化施工技术发展的标志，20世纪90年代西康铁路秦岭特长隧道则是全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术发展的标志。这两次技术飞越对我国隧道施工技术发展影响甚大。它不仅使隧道施工进度明显加快，而且使人们认识到大规模机械化作业是今后隧道施工技术的发展方向。石家庄铁道大学机械工程学院(原石家庄铁道学院机械工程分院)教授赖涤泉，长期从事铁路施工机械、液压传动与控制、隧道通风与环境控制领域的教学和科研工作。他在隧道施工技术和施工机械化方面具有丰富研究和实践经验，先后主持省、部级科技攻关项目8项，发表论文30多篇，出版著作两部，获省部级科技进步奖7项次。赖教授主持研究的《秦岭特长铁路隧道施工技术》获国家科技进步一等奖。2009年，他又主持攻克了一项铁路隧道施工机械化的项目——“WZ330型隧道挖装机国产化”项目。该项目是铁道部2009年科技计划项目之一，是隧道快速施工关键技术及装备研究的子课题。早在2008年，以赖涤泉教授为首的课题小组就开展了技术攻关，经过一年左右的设计制造及40多天、200多个小时的厂内试验，WZ330型隧道挖装机于2009年9月18日成功下线。没有机械化，就不会有快速施工，就难以在较短时期内完成各类大规模的隧道建设任务，这一点目前在铁路建设施工企业中已形成共识。而其他各种施工技术也必须在机械化条件下来实施，并且要与机械化施工的要求相适应才能继续发展下去。21世纪是隧道与地下工程更加迅速发展的世纪。未来20年，我国交通隧道的工程规模将越来越大，技术难度也越来越高。为加快工程建设，必须迅速提高机械化施工技术水平，推进国产化装备的技术进步。为此，笔者采访了赖涤泉教授，他结合自己的研究课题，详细地介绍了我国隧道施工机械化的关键技术与装备攻关改进的最新动态。钻爆法施工机械化成套设备攻关近年来，我国隧道钻爆法施工机械化技术水平有逐步下降的趋势，主要表现在20世纪80年代后大量引进的一些先进设备如全液压凿岩台车、低污染自卸车、喷锚三联机等设备因投入大、台班费用高已逐步退出施工现场，取而代之的是传统的人工凿岩、国产设备装渣运渣、小型湿喷机喷浆衬砌等。再加之我国劳动力资源丰富，劳动力价格低，可显著降低工程造价，施工企业对国外技术依赖程度也降低了。赖教授从这种现象背后看到了积极的发展趋势。他想，如果在这些低成本配套的基础上通过技术创新和科技攻关，使这些“土设备”具有比较先进的技术性能、作业线的综合效率和安全环境，就可能完全依靠自己的力量形成一种符合我国现阶段国情、更有普遍推广应用前景的机械化配套模式。最近10年来，赖教授通过大量的隧道施工现场调查，与国内的工程施工企业和设备生产企业进行了广泛深入的交流，走产学研相结合的道路，分别针对测量、划线、钻孔作业需要的多工位钻孔台架，装渣作业需要的挖掘式装载机，运渣作业需要的低污染自卸车或有轨车辆，喷锚作业需要的自行式作业平台和喷射机械手，衬砌作业需要的拼装式(组合式)衬砌台车，钢拱架安装作业需要的拱架安装机组，防水板铺设作业需要的防水板铺设机，管棚及超前钻探作业需要的钻注一体化机组，仰拱施工需要的仰拱模板台架及移动栈桥等隧道施工系列设备的完全国产化进行立项研究，分阶段进行项目攻关，从理论到实践都取得了积极进展。以WZ330型隧道挖装机为例：赖教授在实地调研中发现，钻爆法施工中装渣工序占用大约60%的作业时间，优良的装载设备对提高工效、加快进度起着关键作用。目前铁路隧道施工所使用的装载设备品种较多，也基本上能达到与运输设备相配套的要求。但是挖掘式装载机和一般其他装渣设备不同，它是通过专门的刮板输送机将石料装入后续运输车辆，作业空间小，作业效率高。在多工位钻孔台架的作业空间能与之相匹配的条件下，装渣作业与钻孔、喷锚作业同时进行就有了可能性，从而缩短循环时间，加快开挖速度，提高功效并且安全、快速、节能，工作面环境好。目前，施工单位普遍采用的是从德国引进的ITC312挖掘装载机。该机采用电力驱动，工作面环境较好；能连续装载，效率高；在合理组织施工时能做到装运与锚喷、钻孔、测量等平行作业，缩短循环时间；加之所需作业空间较小、故障少等一系列优点，已成为重点工程的首选装渣设备。但是引进的ITC312型挖掘装载机不仅价格昂贵，性能上也有缺陷，如履带和刮板抗磨性能较低，输送机宽度较窄，整机稳定性差，液压系统维修不方便等，所以赖教授带领课题攻关组在国产化研究中重点解决了这些问题。赖教授认为，对于大型技术装备的国产化开发，应当走引进、消化、吸收、再创新的道路。设计理念要新，技术起点要高，同时结合国情，分析引进产品的优点与不足，进行必要的技术改进和再创新。与引进机型相比，WZ330型挖装机需要在提高装载能力、提高整机工作稳定性、扩大整机工作范围、提高刮板输送系统和履带行走系统的抗磨能力、提高液压电气系统的抗磨能力、有效控制造价等六大方面进行攻关。经过项目课题组、工程施工单位和设备生产企业的通力协作，按以上思路开发的国产WZ330型挖装机已于2009年9月18日成功下线，样机正在进行各种工况下的工程应用试验。赖教授高兴地对笔者说，试验数据表明，实际的应用效果优于引进的原装产品。混凝土喷射机械手也是赖教授十分感兴趣的隧道施工机械，因为采用混凝土喷射机械手进行喷浆作业对改善工人劳动条件十分重要。混凝土湿喷机能在恶劣的工作环境下实现自动均匀地喷敷混凝土，在作业过程中还可调节喷射角度、速度，使其达到最佳状态，尽量减少回弹。赖教授调查发现，目前引进的机械手价格高，不适于普遍推广，但如果能实现国产化，价格就会大大降低，就有条件普遍采用。所以，赖教授带领混凝土喷射机械手课题组，联合有关单位进行攻关，主要研究内容包括工作机构(机械手)的运动轨迹和多杆空间机构优化、喷锚工艺与工作流程、整机结构形式和工作参数的匹配及优化等。赖教授对笔者说，这一课题成果2010年即将问世。凿岩台车是隧道施工的典型施工机械，对于较坚硬、完整性较好的围岩条件，凿岩台车钻孔速度快、单位能耗低、人工少、安全程度高、爆破质量好，仍是今后隧道施工技术发展的主要趋势。但是目前凿岩台车在国内隧道施工中应用较少，大多都是手持式风枪人工钻眼，劳动强度较大，因此急需以机械化的施工模式来替代。目前国内也有厂家生产凿岩台车，但赖教授认为还需在以下方面进行深入研究。一是开发全液压凿岩台车，其技术关键是研究高性能液压凿岩机和深孔钻具、钻杆，国内曾长期开展研究，但进展缓慢，与国外产品差距较大；二是多自由度钻臂的机构优化设计研究；三是台车动力和走行形式的研究；四是研究采用全电脑控制，以提高作业效率和钻孔的准确性。在赖教授的主持攻关下，目前这一产品课题项目也取得了很大进展。自卸车目前已普遍用于隧道施工，但是国产自卸车的缺点是尾气排放量大，且一氧化碳及烟雾浓度高。赖教授认为，只要研究减少尾气污染的技术和装置，就可以使大量的国产自卸车变成低污染自卸车。从目前技术发展水平看，减少一氧化碳排放技术难度较大，成本也较高，但控制烟雾排放在技术上相对容易，成本也不高。即使暂时还不能有效控制一氧化碳排放，但若能显著减少烟雾的排放，对于改善隧道施工的整体环境也很有意义，值得认真研究。比如，水洗法是一种溶液吸收的方法，它能有效地沉淀碳粒，溶解和稀释碳氢化合物、醛类、二氧化硫等有刺激性气味的气体，净化少量的氮氧化合物，同时能有效降低废弃温度，减轻废弃排放噪声，是机外净化的一项重要措施。目前有水箱洗涤法、喷水洗涤法、稀释器净化法等多种方法。采用水洗过滤及排气管结构优化相结合的方法将可以基本实现控制污染排放的目标。钻注一体机在国外隧道施工中已较成功地应用，这是针对地质构造情况复杂、施工难度较大的隧道施工的一把利器。赖教授说，该设备的国产化重点是需要对钻杆注浆、搅拌和压浆等施工工艺进行系统研究，然后将相应的工作机构进行组合和集成，形成功能较强的钻注一体机。另外，赖教授对多工位钻孔台架、拼装式(组合式)衬砌台车、拱架安装机组、防水板铺设机、仰拱模板台架及移动栈桥等施工机械也作了深入研究和技术攻关，因为这些也是钻爆法隧道施工不可或缺的机械化设备。非钻爆法施工机械的开发应用研究隧道施工久有“怕软不怕硬”的说法，意思是软岩或土质隧道围岩稳定性差，安全风险大，事故隐患多，支护困难，进度慢。这些固然是由软岩的本质决定的，但也与钻爆施工法关系密切。要改变这种现状，关键是采用非钻爆法施工，减少对围岩的扰动，采用分部开挖、短进尺、快支护、早封闭的方法，则可大大提高安全性。目前，适于这种施工模式的设备主要是臂式掘进机、全断面掘进机和盾构。后二者用于掘进距离长的隧道是最经济的。自西康铁路秦岭特长隧道成功使用全断面掘进机以来，我国已引进多台大直径全断面掘进机机组成功地建设了多座水工、铁路隧道，盾构技术更是在地铁施工中得到广泛应用，这为非钻爆法施工大型技术装备的国产自主创新开发打下了坚实的基础。但赖教授客观地认为，若要实现完全的中国制造，还必须组织较大规模的科技攻关，以解决诸多设计和制造中的关键技术难题。特别是全断面掘进机机组，由于每个工程的特点和对机组的实际要求不同，通常在订货前都要根据工程的实际情况进行设计和技术组合。这样，掌握全断面掘进机的基本理论和设计方法就成为技术开发的基础性工作。但目前我国在该方面的研究成果甚少，必须进行全面系统的研究，形成完整的理论体系，为自主创新创造条件。我国超过10公里的特长隧道多采用“长隧短打”的钻爆法施工策略，主要原因是受到工期限制，加之我国全断面掘进机装备研发技术滞后，引进全断面掘进机的代价过高。所以赖教授从我国国情和施工的经济性出发，认为改变现状的主要途径是加快研发小断面掘进机。由于小断面掘进机造价低，所开发技术难度相对较低，使用时安装、运输较方便，辅助工期短，应用范围更广，可以直接形成小断面(如辅助导坑、引水洞、地铁等)隧道。对于大断面交通隧道，可以用小断面掘进机施工超前导洞，然后用钻爆法扩挖成洞，以减少辅助导坑的长度和工程总量。其施工速度比钻爆法快，但造价比采用大型全断面掘进机低。技术成熟后，有可能成为特长隧道的主导施工方法之一。赖教授回顾说到，20世纪70年代，我国铁路、矿山等部门曾大力研究过小断面掘进机，取得部分成果。但当时国内的基础技术落后，设备故障多，产品停滞在工业性试验阶段。现在我国已具备研发先进小断面掘进机的能力，是动手开发的时候了。臂式掘进机是任意断面掘进机，集开挖装载与一体，对断面形状、开挖长度、循环进尺都没有限制，可以边开挖边支护，工作效率虽不及全断面掘进机及盾构，但通常比钻爆法高。国外如日本、德国、奥地利都有用臂式掘进机施工铁路隧道的实例。我国煤矿巷道已普遍采用臂式掘进机，且发展越来越迅速，估计目前已有2000台在工作，生产商近十几家，品种约5至6种，最大截割功率300千瓦，机器重量126吨。这些设备可直接用于断面高度6米以下的软岩隧道，在岩石抗压强度130米帕以下的情况下有很高的工作效率。平导施工月进尺可达500米至700米。赖教授通过调查对比认为，对于铁路软岩或土质隧道全断面施工，应开发更大型的臂式掘进机。2000年石家庄铁道学院(现为石家庄铁道大学)开展此产品研究，并取得初步成果，完成了截割功率160千瓦的样机设计，由于找不到应用单位，样机投产中途停滞至今。作为一种新的施工技术，除了开发新的大型臂式掘进机，还应研究与施工方法配套的综合技术，形成完整的技术体系，才能进入实用化。赖教授对笔者说，目前所带领的软岩或土质隧道臂式掘进机施工技术项目课题组，综合考虑该项目主要研究内容有三大方面：一是结合铁道软岩隧道施工新的特点，设计研制更大型臂式掘进机，截高大于9米，重量150吨左右。为降低能耗，提高工作效率，应研究开发振动截割技术；行走系和装运部的抗磨技术；提高电气控制系统、液压传动与控制系统的可靠性；提高工作机构的辅助作业功能；对于土质