工程机械第四讲第五节

第四章隧道机械施工第一节概述

一、我国铁路施工现状我国铁路隧道机械化施工是自上世纪八十年代才开始的。以大瑶山隧道建设为起点，然后在大秦、南昆、京九、西康等新线建设中推广、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，大瑶山隧道是钻爆法机械化施工技术发展的标志，秦岭隧道则是TBM施工技术发展的标志。这两次技术跨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，而且使人们共同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，没有机械化，就不会有快速施工，就难以在较短时期内完成大规模的各类隧道建设任务。而其它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。

截止到2008年底，我国已建成铁路隧道总长度超过200km，在建铁路隧道总长已超过4700km，即将开工和规划建设的隧道总长度超过5000km，预计到2012年，我国建成通车的铁路隧道的总数量将突破10000座，总长度将突破10000km。

二、隧道的施工方法

隧道开挖是隧道施工中最主要的作业，隧道的施工方法因其设置深度不同，可分为明挖法和暗挖法。明挖法是先把隧道及其上方的土壤全部挖开，之后修筑衬砌，再回填土壤把隧道掩埋起来，如修筑明洞或浅埋的地下铁道。暗挖法是全部工程都在地下进行。暗挖法常用的开挖方法有矿山法、盾构法和掘进法。1、矿山法把隧道断面分成若干部分，按先后顺序，用钻眼爆破的方法进行开挖；当断面开挖到一定程度或全部挖好后，进行衬砌，因此，矿山法也称钻爆法。

矿山法开挖隧道有三项主要作业，即钻孔、爆破和装碴出碴。其施工步骤有：1）钻孔2）施爆3）通风4）出碴5）支撑6）衬砌。装碴出碴主要有两种方式：有轨运输和无轨运输。采用矿山法开挖隧道，一定要保证风、水、电的供应。2、盾构法盾构法最大的优点是可以防止土壤坍塌，便于安装衬砌，适用于软弱不稳定的地层中修筑较长的隧道，诸如水底隧道及地下铁道等。但盾构本身构造比较复杂，设备多，造价高，需要有专门的拼装室和拆卸室，且拼装费时，成本很高。其施工步骤有：1）机械开挖2）出碴3）通风4）支撑5）衬砌。开挖过程中应注意：土质隧道开挖不易维持直立、洞顶易于坍塌，水位影响大，地层下沉。3、掘进法掘进机的头部装有一个圆盘形的切割机构，其上装有切割岩石的刀具，工作时用旋转动作或摆动动作来切除工作面上的岩石，随着切割机构不断切割前进，就可以切出一个圆形断面。所以一台掘进机可以代矿山法中钻眼、爆破和装碴所需的若干台不同类型机械。因此也可称其为联合掘进机。掘进机一般应用在整体性较好的中硬岩层开挖作业中，在这样的岩层中作业，由于机身的中段装有几对可伸缩的支撑靴板，切割机构推压力所产生的反推力就通过这些支撑靴板传到坑道的侧壁上。当岩层不稳定时，掘进机需靠盾构千斤顶传到已拼装好的衬砌上。目前，掘进机按其结构特征可分为护盾式、支撑式和支撑护盾式三种类型。

虽然我国已进入隧道施工机械化新时代，但总的技术发展速度缓慢，整体技术仍相当落后，这主要表现在：第一，以钻爆法为基础的快速施工技术体系尚未完成，在钻孔、爆破、地质预报、围岩稳定性控制、快速支护与衬砌、机械化作业线设备配套技术、施工通风与环境控制、施工安全与风险控制、自然生态环境保护与治理等方面，许多关键技术难题尚未取得突破，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。

第二，以钻爆法为基础的机械化设备配套几乎只有在硬岩或围岩稳定性较好的条件下才能实现快速施工，而且作业线的主要设备都立足于从国外引进，自主创新开发的品种少、质量较差、故障多，因而影响作业效率。由于引进设备价格昂贵，大量采购必然导致成本高，对外商依赖程度高，反过来对自主创新形成阻滞作用。这样，就难以在大多数工程上形成先进的机械化作业线，制约了全行业整体技术的全面发展和进步。

第三，对于软岩和土质隧道，大多数仍用钻爆法或人工为主的作业，对围岩扰动大，安全风险高，支护困难，进度缓慢。把基本成熟的硬岩施工机械化配套方案用于软岩隧道既不能快速施工，也不是真正意义上的机械化。第四，对于TBM施工，我国只处在技术发展的初级阶段，只能说我们刚学会使用TBM建设隧道。到目前，所有引进TBM施工现场都有为数不少的国外专家在工作，帮助处理各种技术和管理方面的问题。而且TBM是一种特殊设备，就必须根据工程的具体情况对机组进行新的技术组合和设计，而且在不同的施工条件下，同类TBM将有不同的表现，真正掌握TBM的理论和技术，还需要更多的工程实践和科技攻关才能实现，甚至有些技术必须从基础理论和方法开始研究。第二节矿山法用施工机械

一、凿岩机凿岩机是一种钻凿炮眼的石方工程机械。主要用于隧道的掘进，石料的开采，混凝土的破碎及其它石方工程。1、凿岩机的分类及其特点国产凿岩机的类型如下：按动力可分为风动、内燃、电动和液压四种；按操作形式可分为手持式、气腿式、向上式和导轨式四种2、凿岩机选择1）动力类型的选择可根据现场的动力条件、施工要求和安全可靠性进行选择：（1）凡是零星的露天石方工程，如少量片石的开采、电杆基坑挖掘以及孤石的排除等，可优先选用内燃凿岩。（2）从节能方面考虑，应尽量选用电动凿岩机。但电动凿岩机目前尚有不完善之处，如在瓦斯环境中作业不安全（3）由于风动凿岩机使用安全可靠，并容易使钻眼与装岩平行作业，在石方工程施工中得到广泛应用。（4）优先选择本单位现有凿岩机种类。（5）选择时应考虑动力设备的配套齐全，2）操作型式的选择（1）零星石方施工和不便于使用气腿式凿岩机施工的狭窄工作面，可以选用手持式凿岩机。（2）一般石方施工应尽量采用或创造条件采用气腿式凿岩机。（3）当开凿与地面成60度以上的向上炮眼，最好选用向上式凿岩机（4）当钻眼眼深度超过3米时，为便于操作和控制，最好选用导轨式凿岩机。（5）大型石方工程应考虑凿岩台车。

3、凿岩机工作台数的计算1）按钻孔数量计算（石方开挖采用）每台凿岩机一个台班应钻的炮眼数为：同时工作的凿岩机台数2）按采石产量计算（采石作业采用）

4、提高凿岩机效率的措施凿岩机的技术性能是设计或试验出来的理论数值，在实际使用中，由于使用条件和机械技术状况是变化的，往往达不到理想效果，为此，除合理选择机型和正确操作使用外，还可以采取各种措施，创造良好的工作条件，提高凿岩机的作业效率。1）保持合理的工作气压常用风动凿岩机的合理气压为0.5~0.6MPa2）保证供水要求目前石方施工大都采用湿式凿岩，不但可以降低粉尘，而且由于水岩石的软化作用，凿岩机的转速可以提高20%~30%；又由于水的冷却作用，钎头的磨损量可以降低10%~20%，钎杆的使用寿命也将延长。3）采用黄甘油润滑多年来，许多凿岩机使用单位试用黄甘油，直接用强风一次吹入机体内部进行润滑。4）加强施工管理施工管理主要是针对机械使用方面。在组织上要采取定机、定人、定位、定时、定质、定量等措施。5）保持机况良好凿岩机技术状况良好是提高凿岩效率的关键。机况不良则凿岩速度下降，动力消耗增加，严重时甚至不能正常作业。

二、隧道衬砌机械隧道开挖之后，除了围岩稳定性很好的以外，一般均需衬砌。隧道衬砌要紧跟开挖作业，以免围岩暴露时间过长而降低稳定性。衬砌的类型有多种：石衬砌、混凝土衬砌、喷射混凝土衬砌、喷锚衬砌以及复合衬砌等。1、就地灌注混凝土衬砌就地灌注混凝土衬砌的施工包括立模、搅拌、运输、灌注和拆模等几道工序。作业中一般采用机械搅拌，翻斗车或混凝土输送车运送，卷扬机或混凝土输送泵提升，人工拆装拱架及模板。或用衬砌台车、混凝土输送泵或风动混凝土压送器灌注混凝土等衬砌台车也称不移动式金属模板台车，是由模板、台车和操纵设备三个主要部分组成的，根据台车和模板的相互关系，可分为整体式和穿行式两种。整体式衬砌台车也称为平移式钢模台车，其模板与台车制成一个整体，在灌注混凝土时，由台车承受混凝土的重量。这种台车结构简单，整体稳定性好，缺点是在没有早强剂的情况下，等待拆模时间长，立模灌注只能间歇进行，影响衬砌速度。穿行式钢模式台车其模板部分与台车是可以分离的，当台车就位后，用垂直千斤顶和侧面支撑使模板固定在设计位置上，灌注混凝土时台车可与模板分离，然后台车退回到可以拆模的灌注段收起模板，带着模板经过前面已安装好的模板，穿行到新的灌注位置去架设，这样，混凝土的灌注作业可以逐段连续进行，从而提高了衬砌速度。2、喷射混凝土将喷射的混凝土作为衬砌或临时支护近年来在隧道施工中被广泛采用。国际称其为“新奥法”。它是原理是：利用混凝土将围岩表面粘成一个整体，充分发挥岩体本身的自承能力。喷射混凝土和干喷法和湿喷法，我国目前主要采用干喷法。主要工作步骤如下：先把砂、石、水泥以及速凝剂按一定比例干拌均匀，然后将其装入专门的混凝土喷射机，在高压风的推动下，使干料沿管路连续地供给喷头，干料在喷头处与水混合，成为液状的混凝土混合料，以较高的压力和速度喷向坑道围岩的表面上，形成一层与岩面粘结牢固的衬砌结构。可以看出，喷射不用模板，并把混凝土的搅拌、运输、灌注和捣固这些工序结合在一起，速度快、效率高，是一种新工艺。喷射混凝土有以下优点：1、由于喷射的混凝土是在高速、高压的情况下粘附在围岩表面和缝隙中，这样的混凝土具有较高密实度，因而在强度、粘结力、抗渗性等方面，都比一般灌注的混凝土高。2、喷射混凝土不但能与岩壁牢固粘结，而且混凝土还可以射入岩缝，把由于爆破扰动过的围岩粘结成一个整体共同维持坑道围岩的稳定。3、喷射混凝土工序可以紧跟在开挖工作的后面，在很短的时间内就能获得承载能力，可以及时阻止围岩的变形，减少或制止围岩变形的进一步发展。4、喷射混凝土衬砌的厚度可以大大减薄，所以，坑道的开挖断面可以缩小，从而减小土石方的开挖量，提高了工效。5、喷射混凝土可以不用拱架、模板、节省了材料，简化了工序，并使坑道内的工作空间宽敞，有利于采用大型施工机械。混凝土喷射机械混凝土喷射机械有双罐式、螺旋式和转子式三种主要类型。

目前，在混凝土喷射机械中还有一种混凝土喷射三联机，它把料仓、搅拌和运输及喷射等三个部分组成一整套喷射机械。

3、隧道施工空压机压缩空气是转眼、装渣、喷射砼等作业的主要动力。为使机械正常工作，必须要供应足够的风量和风压，一般要求风压为0.5—0.7MPA。其中：——每台风动机具的耗风量——每种风动机具的台数——风动机具的同时工作系数；——机具磨损系数，一般为1.2-1.3L——风管的总长（m）

——每公里的管路漏风量，一般为1.5-2.01）供风量计算压缩空气在输送过程中，由于管路及附件要造成一定的损耗，所以，隧道施工中所需的供风量应包括机具需要的用风量和由于管路及附件造成的损耗两部分，如以Q表示供风量，则Q为：2）、空压机的选择和空压站空压机是一种通用机械，按原理可分为活塞式、螺杆式和滑片式。活塞式空压机是靠活塞在汽缸里往复运动而产生高气压。螺杆式和滑片式则是靠装在汽缸里的一对螺杆或带有滑动片的转子的旋转动作而产生压气。后两种压气具具有结构简单而紧凑、效率高、输气脉动小的特点。

选择的原则：1、工期长短、工地条件2、本单位机械的保有情况空压机站容量的确定：除了满足前面计算的供风量外，还要考虑工地所处的海拔位置的影响。还要有一定的储备量，一般为需装机容量的30%左右。知道空压机站的容量后，就可以选择空压机的型号和台数。4、隧道施工通风机1）对隧道施工通风的要求铁路施工《规范》规定，隧道内施工作业段的空气必须符合下列卫生标准：1、粉尘浓度：含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘应在2mg/m3；2、有害气体浓度：3、氧气含量不低于20%；4、隧道内气温不宜超过25℃。2）隧道的通风方式：1、风管式通风压入式、吸出式和混合式2、巷道