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1、隧道安全快速施工机械化关键技术与装备研究 S t u d y o n Ke y T e c h n i q u e o f M a c h i n e f o r S a f e a n d Ra p i d Co n s t r u c t i o n i n T u n n e l 豳石家庄铁道学院赖涤泉 L AI Di q u a n 汪西应 WANG Xi y i n g 秦皇岛天业通联重工股份有限公司 王金祥 WANG J i n x i a n g 1 现状 我国铁路隧道机械化施工是自上世纪 8 0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
2、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 TB M 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 2 0 0 8年底， 我国已建成的铁路隧道总长度 超过 4 2
3、0 0 k m， 在建铁路隧道总长已超过 4 7 0 0 k m， 即将开工和规划建设的隧道总长度超过 5 0 0 0 k m， 预 计到 2 0 1 2年， 我国建成通车的铁路隧道 的总数量将突 禁一快一慢、 协调 不一致 。 安装前还应将墩、 台支座垫 石处理干净， 检查支座平面位置和高程均应符合设计要 求， 安装后使板梁就位准确且与支座密贴， 不得脱 空， 否则应采取措施 。 如施垫钢板可使梁与支座密贴， 效果 较好。 板梁按设计位置就位后， 及时浇筑接缝混凝土。 4 结语 后张法在当前的市政 工程 以及桥梁工程应用已十 分普及， 优势也非常明显 。 诚 然， 后张法在实际应用中 会出现
4、相 关问题 ， 因此要求技术人员施 工人员必须秉 着实 事求是的原则 ， 严格 执行相关规 范， 解决相关技 术难题 ， 相信在 我国桥梁建 设 中， 后张法施工 技术会 更上一层楼。 破 1 0 0 0 0座 ， 总长度将突破 1 0 0 0 0 k m。 如此巨大的建 设规模只能依靠机械化施工才能完成。 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 ： ( 1 )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
5、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。 ( 2 )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、 主要技术性能参数有 的是与铁路隧道施工条件不匹配， 有的是配套设备之间 的技术参数不匹配 ， 因而影响作业效率。由于引进设备 参考文献 【 1 陈千书 预应力混凝土梁板后张法施工的探讨 J 】 应用能源 技术 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 4 6 2 】
6、王万远 后张法箱梁预制施工工艺及张拉过程控制【 J 】 山西 建筑 ， 2 0 0 8 ( 2 9 ) ： 3 2 3 3 2 4 【 3 张树仁 钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理 M】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 4 J T J 0 4 1 2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范【 s 】 收稿日期： 2 0 0 9 0 9 1 2 通讯地址 ： 浙江省杭州市下城区北景园荷风苑8 十1 0 2 i 2 0 0 9 1 1 建设机械技术与管理1 O 7 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
7、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。 ( 3 ) 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。 ( 4 )对于 T BM 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 T B M 建设隧道。 到目前， 所有引进 T B M 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 T BM 是一种特殊设备， 必须根据工程的具体情况对机组进行 新的技术组合
8、和设计， 而且在不同的施工条件下， 同类 T B M 将有不同的表现。 真正掌握 T B M 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。 2 1 世纪是隧道与地下工程更加迅速发展的世纪， 未来 2 O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。 2 主要研究方向 结合我国的具体情况， 研究隧道快速施工关键技术 及装备可重点开辟以下方向： ( 1 )钻爆法施工关键装备的国产 自主创新开发研 究。自上世纪 8 0年代引进大量国外先进技术装备 已近 3 0年， 我国
9、仍未走完引进、 消化、 吸收、 在创新之路。 如 先进凿岩机械、 装渣设备、 喷锚设备、 低污染 自卸车、 大 吨位牵引机车和电瓶车， 基本上没有公认的国产品牌。 许多国产中小型设备质量与国外差距太大， 而这类设备 量大面广 不可能总是依赖引进， 必须加快国产自主创 新步伐， 这对提升行业整体技术水平将起关键作用。 ( 2 )软岩及复杂地质隧道快速施工关键技术及装 备技术研究。 软岩、 土质隧道、 大断面破碎带、 富水、 富 瓦斯、 冻土、 地热害、 高危岩爆等复杂地质条件下， 由于 各有特点， 施工方法差异很大。 针对病害的处理手段不 同， 应分别根据具体情况研究其快速施工的特殊关键技 术，
10、 研究开发与之适应的技术装备， 重点要研究这类隧 道的开挖机械及支护技术。 只有实现小循环、 快开挖、 1 08 C MT M 2 0 0 9 1 l 早支护才能保证安全， 控制危害的扩大。 ( 3 )特长隧道总体设计和施工组织设计优化理论及 方法的研究。 我国铁 路隧道建设的一个普遍特点是投 资强度小， 设计施工周期短， 导致特长隧道总体设计和 工程规划方案比选不够充分， 施工组织设计更因各施工 单位的传统和经验不同， 差异很大， 有的具有一定的盲 目性， 缺乏科学组织施工的理论支持和技术支持。 特别 是特长隧道设置辅助坑道的方案上， 基本以平衡工期为 出发点， 其它因素较少考虑。 对大量设
11、置辅助坑道的现 状， 许多专家表示疑虑， 研究特长隧道优化设计理论和 方法有助于这一问题的解决 ， 一个优化的总体设计方案 和施工组织方案将会产生巨大的直接经济效益。 ( 4 )特长隧道施工通风与环境控制技术研究。 十几 年来特长隧道施工通风技术已有长足进步。 但随着施工 技术发展以及员工对环境的要求越来越高， 施工通风仍 会成为今后长大隧道施工技术难题之一。 主要应解决以 下问题 ： 铁路 隧道 施工通风与环境控制标准 。 虽已有 规范 ， 但实际未真正执行落实， 为了与国际上先进国 家接轨， 应考虑修改某些规定； 先进的通风设备开发。 如低泄漏、 强度高、 大直 径的通风管道现在仍依赖引进
12、， 与 T BM 配套的通风机 也依赖引进， 应加强设备的国产化 ； 射流风机在隧道施工中的应用仍有理论和技术 问题 尚未解决， 如复杂网络的解法、 射流风机的实际推 力和诱导风流的计算等问题需要更深入的研究； 大型施工机械设计方法和关键制造技术的研 究。 实现先进技术装备的国产自主创新开发必须首先解 决这些装置的设计方法和关键制造技术问题 ， 应结合 装备开发研究过程开展相关研究。 3 铁路隧道钻爆法施工设备配套新模式与技 术装备完全国产化 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， 主要表现在上世纪 8 0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
13、车、 喷 锚三联机等设备投入大， 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， 又加之我国劳动力资源丰 富， 工价低， 可显著降低工程造价， 对国外技术依赖程度 也降低了。 但是我们也应该看到这种现象后也蕴含着某 些积极的发展趋势。 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 依靠白已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。 这种配套模式的主 要设备组成如下： ( 1 ) 测量、 划线、 钻孔作业一
14、一多工位钻孔台架； ( 2 ) 装渣作业一一挖掘式装载机； ( 3 ) 运输作业设备一一低污染自卸车或有轨车辆； ( 4 ) 喷锚作业一一 自行式作业平台和喷射机械手； ( 5 ) 衬砌作业一一拼装式 ( 组合式) 衬砌台车； ( 6 ) 钢拱架安装作业一一拱架安装机组； ( 7 ) 防水板铺设一一 防水板铺设机 ； ( 8 ) 管棚及超前钻探一一 钻注一体化机组； ( 9 ) 仰拱施工一一仰拱模板台架及移动栈桥。 下面分别对这些设备的完全国产化研究提 出初步 构想： ( 1 ) 多工位钻孔作业台架 ( 综合台架) 引进的多工作臂全液压凿岩 台车由于价格高， 使用 维修费用也高， 已逐步被各施
15、工单位 自行设 计， 拼 装的 简易台架 ( 土台车) 取而代之。 这种台架在现阶段很有实 用性， 功效也低， 不足之处是过于简陋， 用人较多， 安全 性差； 风动凿岩机用高压 风作动力效率低 ， 能耗大 ； 另 外目前多数台架结构简单， 不能实现边装渣出渣边进行 喷锚、 支护、 钻孔、 装药等平行作业。 改进的方向是 ： 优化结构设计， 为各种平行辅助作业创造条件； 提高台架的安全性； 改善移动 ( 移位) 性能； 采用拼装结构， 提高标准化程度； 研究电动凿岩机械， 提高工作效率 ； 与其它设备合理配套， 尽可能实现相关工序 的 平行作业； 实现台架的标准化设计， 提高设备的利用率。 (
16、2 ) 钢拱架安装机( 图 1 ) 钢拱架也是软岩隧道的主要支护形式之一， 其安装 过程一直 采用人工操作 ， 费力费 时， 安全隐患多。 软岩 隧道 施工支护过程人工作业带来 的诸多危害已越来越 受到关注。 软岩或土质隧道支护是关键， 由于支护结构 形式多样 ， 工法不同， 又是人工操作 ， 造成支护质量差 图 1 钢拱架 安装机 别很大。 若对每种支护形式研究专门设备， 则设备利用 率太低。 应考虑研究一种适应各种支护作业的综合机械 化作业平台， 配以各种辅助工作装置， 完成支护作业。 钢 拱架安装机的研究受施工工法的影响较多， 由于其施工 的位置是在作业的掌子面， 而作业时会受到其他作业
17、的 干涉。 设想是将专门设计的隧道拱架安装机与钻孑 L 作业 设备相结合， 联合作业实现钢拱架举升、 定位、 锚固。 该 机还应为隧道 内其它辅助作业 ( 如管线通风系统安装维 护) 提供可升降作业平台。 主要研究 内容： 在现有的施工工法下， 进行钢拱架的机械化安 装， 就必须重点研究钢拱架的分段、 拼装、 举升、 就位等 工作环节的实现方法和相应的工作机构； 微台阶法施工和全断面开挖时钢拱架安装机的 适应性研究； 钢拱架安装机走行形式的确定； 钢拱架结构优化设计。 ( 3 ) 挖掘式装载机( 图 2 ) 钻爆法施工中， 装渣工序 占用大约 6 0的作业时 间， 优 良的装载设备对提高工效
18、， 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配套的要求。 挖掘式装载机和 一般其它装渣设备不同， 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 考虑多工位钻孔台架的作业空间与之相匹配的条件下， 就提供 了装渣作业与钻孔、 喷锚 作业 同时进 行的可能 性， 因而缩短 了循环时间， 加快了开挖速度， 提高了功效 并且安全、 快速、 节能， 工作面环境好。 2 0 0 9 1 1 建设机械技术与管理1 09 图 2 挖掘式装载机 施工单位普遍青睐从德国引进的 I TC 3 1 2挖掘装 载机 。 该机采
19、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。 引进的 I T C 3 1 2型挖装机不仅价格昂贵， 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 ， 在国 产化研究中应重点解决这些问题。 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
20、技术改进和再创新。 与引进机型相比， 挖掘式装载 机需要进行下述创新： 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可靠性和 抗磨能力； 提高液压电气系统的可靠性； 有效控制造价， 让施工单位买得起， 用得好。 ( 4 ) 低污染 自卸车 我国自卸式柴油车辆制造能力强， 品种多， 价格较 低， 已普遍用于隧道施工。 国产车的缺点是尾气排放量 大， 且 CO及烟雾浓度高， 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车变成低污染车。 从目 前技术发展水平看， 减少 C O排放技术难度较大， 成本 1 1 0 C M T M 2 0 0 9
21、 1 1 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 CO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。 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 HC、 醛类、 S O 等有刺激性气味的气 体， 净化少量的 NOx ， 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。 ( 5 ) 湿喷机械手( 图 3 ) 图 3 湿
22、 喷机械手 采用机械手进行喷浆作业对改善工人劳动条件十 分重要。 引进的机械手价格高， 不适于普遍推 但实现 国产化后， 价格就会大大降低， 就有条件普遍采用。 混凝土湿喷机能在恶劣的工作环境下实现自动均 匀的喷敷混凝土， 在作业过程中还可调节喷射角度、 速 度， 使其达到某一最佳状态， 尽量减少回弹。 主要研究 内容： 工作机构 ( 机械手) 的运动轨迹和多杆空间机构 优化 的研 究 ； 喷锚工艺与工作流程的研究； 整机结构形式和工作参数的匹配及优化。 ( 6 ) 钻注一体机( 图 4 ) 钻注一体机在国外隧道施工中已较成功应用， 国 内研发本设备需要对钻杆注浆、 搅拌和压浆等施工工 艺进行
23、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。 主要研究内容： 图 4 钻注 一体机 整机稳定性和工作机动性的研究； 钻孔和注浆的工作机构的优化 ， 目标是保证钻 孑 L 的质量和注浆速度最优； 钻注一体机 的施工工艺的研究 ， 重点研究其工 作范围、 钻孔深度、 成孔速度、 成孔效率、 注浆功效等； 快速高效钻孔机具的研究。 ( 7 ) 拼装式衬砌台车( 图 5 ) 图 5 拼装式衬砌台车 二次模板衬砌台车在国内隧道施工中已广泛使用， 目 前应在技术配套研究的基础上， 根据国内隧道施工建造 相关标准及施工能够工况和隧道的断面尺寸， 对衬砌台车 进行标准化研究，
24、 以提高衬砌台车的利用率和适应l生。 现在使用的衬砌台车采用焊接结构， 当断面形状和 尺寸改变时， 就要从新设计和制造， 浪费很大 ； 在设计上 也有缺陷， 主要是上部平台设备布置不合理 ， 作业空间 小， 通风管道难以通过。 应在充分考虑现场作业具体要 求的基础上应用模块化设计思想， 采用拼装式结构， 合 理布置平台， 使直径 1 6 m以下风管顺利通过 ， 又有足够 的作业空间。当断面尺寸、 形状改变时， 只需要更换少量 模块以减少浪费和降低造价， 也便于拆装和运输。 ( 8 ) 移动栈桥( 图 6 ) 图 6移动栈桥 现在施工中选用的栈桥 大部分都是固定的， 在移 动时借助其他施工车辆前
25、移。目前需要研究经济合理、 质量轻便、自动行走、 跨度较大、 桥面坡度较小等优点 的新型栈桥。 ( 9 ) 凿岩台车( 图 7 ) 图 7 凿岩 台车 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， 仍是今后发展的趋势。 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， 但还需在以下方面进行深人研究： 开发全液压凿岩台车的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
26、外产品差距较大； 多自由度钻臂的机构优化设计研究； 台车动力和走行形式的研究； 2 0 0 9 1 1 建设机械技术与管理1 1 1 采用全电脑控制， 以提高作业效率和钻孔的准 确性。 ( 1 0 ) 通风成套设备 上世纪 9 0年代前， 我国隧道施工通风设备基本上依 赖引进。 经过十几年的科技开发， 目前我国隧道施工通风 设备已具有足够的自主开发能力和国产供应能力。 使用的 通风机有八 l十种型号， 设计风量已达 4 8 0 0 m mi n ， 电动 机最大功率 2 X 1 8 0 k Wo 通风软管直径达 2 0 m。 技术性 能在总体上已与国外相当。 目前继续引进的通风设备主要是与大型
27、 TB M 配 套的， 单机设计风量 4 2 0 0 6 0 0 0 m mi n ， 功率 1 8 0 -2 5 0 k W， 通风软管的直径大于 2 0 m， 一般为 2 2 2 8 m。 从技术角度看， 这类风机实现 自主研制难度不 大。 而大直径通风软管看似结构简单， 但要使其强度及 耐压性， 抗泄漏性、 低摩 阻、 寿命等达 到国外产品的水 平， 无论是材料、 工艺技术及制造装备都有一定的难度。 目前广泛使用的直径较大的通风软管其技术性能仍不能 满足长距离通风的要求。 这也是我国长大隧道施工通风 技术难以向前发展的障碍之一。 要解决这一问题 ， 需要 建立专业化开发与生产基地， 从材
28、料、 工艺技术、 制造装 备、 技术标准与质量检验等进行系统的科技攻关。 实现 国产化后， 产品价格估计只有引进产品的 4 0左右。 钻爆法施工技术装备的研发指导思想可概括为： 以系统论思想为指导， 实现进 口设备 国产化， 国产设备 标准化， 设备配套系统化。 设备开发服从于隧道施工工 艺， 设备开发促进或改变施工模式。 4 铁路隧道非钻爆法施工机械的研究与开发 项 目 4 1 T B M基本理论与设计方法研究 自秦岭特长铁路隧道成功使用 T BM 以来， 我国已 引进多台大直径 TB M 机组成功地建设了多座水工、 铁 路隧道， 盾构技术更在地铁施工中得到广泛应用。 为这 类大型技术装备的
29、国产 自主创新开发打下了坚实的基 础。 但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 TB M 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 T BM 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 1 1 2 C MT M 2 0 0 9 儿 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。 主要研究 内容： ( 1 )TB M 切割机理和刀具与围岩相互作用本构关 系 ； ( 2 ) 机
30、组各部件运动学及静力学研究； ( 3 )各关键部件的结构系统动力学和结构强度、 刚 度及稳定性分析； ( 4 ) 关键部件的制造工艺学研究； ( 5 ) 机组主参数的优化设计理论和方法； ( 6 ) 机组系统技术集成与优化。 4 2 小型 T B M 的研究 我国超过 1 0 k m的特长隧道多采用 “ 长隧短打” 的 钻爆法施工策略， 主要原因是工期限制， 加之我国 T B M 装备研发技术滞后， 引进 TB M 代价过高。 改变现状的 主要途径 是加快研发小断 面 T B M。 小型 TB M 造价低， 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，
31、 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， 可以用小型 TB M 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 ， 但造价比大 型 TB M 低。 技术成熟后， 有可能成为特长隧道的主导 施工方法 之一。 上世纪 7 0年代， 我国铁路、 矿山等部门曾大力研究 过小型 T B M， 取得部分成果。 但当时国内的基础技术落 后， 设备故障多， 产品停滞在工业试验阶段。 现在我国已 具备研发先进小型 T B M 的能力， 是动手开发的时候了 o 4 _ 3 臂式掘进机的设计与研制(
32、图 8 ) 图 8 臂式掘进机 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， 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， TBM 和 盾构。 后二者用于掘进 距离长的隧道才是经济 的。 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，
33、 工作效率虽不及 T B M 及盾构， 但通常也比钻爆法 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 2 0 0 0 台在工作， 生产 商近十几家， 品种约 5 6个， 最大截割功率 2 0 0 k W， 机 器重量 8 6 t 。 这些设备可直接用于断面高度 6 1 1 1 以下的 软岩隧道， 岩石抗压强度 6 0 MP a 以下有很高的工作效 率和能耗指标。 平导施工月进尺可达 5 0 0 - 7 0 0 IT I 。 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。
34、2 0 0 0年科技司曾立项支持我院开 展此次研究， 并取得初步成果 ， 完成了截割功率 1 6 0 k W 的样机设计， 由于找不到应用单位 ， 样机投产 中途停滞 至今。 软岩或土质隧道臂式掘进机施工技术仍是今后重 要的发展方向。 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。 综合考虑该项目主要研究内容有： f 1 )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 1 T I 重量 1 2 0 t 左右。 为降 低能耗， 提高工作效率 ， 应研究开发振动截割技术 ；
35、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； 对于土质隧道 ， 要研究高效、 抗粘 附、 耐用的专 用截割头。 ( 2 )研究与臂式掘进机施工相适应的配套技术。 对 于软岩和土质隧道 ， 采用机械开挖 时， 快速支护是关 键。 要研究在这种特殊条件下的支护形式和施工方法。 对于特别破碎的软岩和一般土质隧道 ， 可以采用拼装式 管片衬砌 ， 要研究管片结 构及相应的专用机械 。 若用更 强固的钢筋网加锚杆支护， 也应 由相应机械来完成， 才 能真正实现支护早、 支护快。 ( 3 )臂式掘进机+盾壳 ( 敞开式护盾)
36、的机械化施工 模式。以臂式掘进机在工作面前方作为开挖工具， 围岩 的支护由盾壳承担的施 工方式在理论上和技术上都是 可行的， 利用盾壳可以径向注浆加固围岩， 形成加强圈， 也可以在盾壳前移后， 在盾后施行喷锚、 钢筋网、 拱架、 管片等支护作业。 与一般 TBM 和盾构不同的是盾壳的 总体长度 较短 ， 前行 的步长可根据掘进机截深实时调 控。 机组的造价和运行费用都远低于盾构， 更适于短距 离的掘进 目标。 这是一个更需要大胆探索的课题 。 5 组织联合攻关 ， 加快研发速度 我国面临铁路、 公路、 水利、 国防建设的新高潮， 面 临规模宏大 的隧道工程建设 形势， 必须加快隧道机械 化技术
37、和装备的研发步伐， 让科技成果在这一伟大历史 进程 中发挥作用。 无论是机械化施工的关键技术， 还是 相关装备， 研发任务都很艰巨， 特别是技术装备品种多， 技术相对复杂 ， 许多产品需要系列化开发， 才能满足工 程建设要求。 要使这些装备与施工工法相适应， 真正做 到能用、 好用、 耐用， 施工单位买得起、 用得上、 进度快、 效益好， 就必须组织设计研究、 产品制造、 工程施工企 业紧密合作， 联合攻关， 形成可持续健康发展机制。 进 一步加强我们与有实力的大型企业所建立的战略合作 关系是维持这种机制正常运行的有效的组织形式。 无论是施工技术研究， 还是装备开发研究， 都必须 强化创新意识
38、。 虽然照搬国外技术会降低难度， 加快进 程 ， 减少风险， 但要创立 自已的品牌， 建立 自己的技术优 势， 就必须依靠 自主创新。 有些国外技术和装备也不完 全适应我国的施工工法和现阶段的国情， 也要求我们结 合实际加以改造和创新。 总结近几年铁路建设技术装备的发展过程， 使我们 对推动隧道施工机械化事业充满信心。 我国高速铁路路 基、 桥梁、 线路工程重大设备以及动车组技术的引进、 消 化、 吸收、 再创新过程仅用了 2 -3年时间， 我们同样可 以在较短的时间内全面实现隧道机械化技术装备的研 发， 快速推进隧道施工机械化的历史进程， 并与中国隧 道人一道开创有中国特色的隧道施工技术的新时代。 收稿15 t 期： 2 0 0 9 0 8 1 2 通讯地 址 ： 河北省石家庄市北二环东路1 7 号 囊 2 0 0 9 1 1 建设机械技术与管理1 1 3
