长大隧道施工机械化配套技术及装备研究详解

开挖作业线
开挖台架 风钻 电动空压机 装载机
锚喷支护 作业线 仰拱作业线
衬砌作业线
湿喷机械手 简易仰拱栈桥 全液压衬砌台车 混凝土输送泵
装运作业线
挖掘机
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混凝土输送车
自卸汽车
防水板作业线
铺设台架+人工
二、隧道施工机械化配套技术研究
（2）隧道施工机械化配套原则 隧道施工机械化配套总体原则 隧道施工机械化配套包括隧道施工设备选型和设备的
二、隧道施工机械化配套技术研究
隧道施工作业线设备配置 ① 开挖作业线设备配置 配置2台WE3三臂全电脑凿岩台车（瑞典ATLAS Copco）
进行钻孔作业，采用1台装药台车装药。凿岩台车同时承担 超前支护和锚杆钻孔作业。注浆采用注浆台车（集成了浆 液搅拌、注浆泵等设施）。
WE3C0三臂电脑台车
注浆台车
一、前 言
面对我国大规模的铁路隧道建设，隧道机械化快速施工 是势在必行。第一、由于我国地质条件复杂，开展长大隧 道机械化配套快速施工技术研究，降低施工风险是大规模 铁路建设快速施工迫切要求；第二、面对日益增长的劳动 力成本，机械化快速施工是避免隧道修建过程中安全事故 频发，导致作业人员群死群伤现象需求；第三、建设和谐 社会，机械化快速施工是建筑工程修建文明施工、低碳环 保、优质工程的需求，第四、开展隧道机械化快速施工技 术与设备国产化技术研究是振兴民族工业，节约外汇，提 高自主创新能力，提升国家竞争力的需求.所以开展长大隧 道钻爆法快速施工关键技术与装备国产化研究意义重大。
隧道施工作业线设备配置
①开挖作业线设备配置
毕尔巴鄂公路隧道
二、隧道施工机械化配套技术研究
作业面配置1台ATLAS Copco WE3三臂全电脑凿岩台车；1 台装药台车装药。
WE3三臂全电脑凿岩台车
装药台车
②出碴作业线设备配置
作业面配置1台CAT966H装载机装碴、1台CASE反铲配合，
二、隧道施工机械化配套技术研究
（1）国内外隧道施工机械化配套技术发展现状 国外隧道施工机械化配套技术发展现状 ➢ 瑞典斯德哥尔摩市北部环城高速公路NL35标隧道工程 工程概况 隧道全长2.4km，设置为双洞双向4车道（局部为三车
道），为渐变隧道，平均开挖断面180m2，岩性主要为花岗 岩，岩体局部破碎；由于裂隙水发育，采用径向及掌子面 注浆堵水，工期为开挖支护30个月，加上设备安装工期为 48个月。总投资10亿瑞典克朗，折合人民币约11亿元。
3台以上VOLVOA30D（30T）自卸运输车运输。
CAT966H装载机
②初支作业线设备配置 1台全液压锚杆台车;1台钢架安装车；1台喷砼三联机机 械手（湿喷机、存储、泵送，芬兰产），3台砼运输车。
二、隧道施工机械化配套技术研究
全液压锚杆台车 钢拱架安装车
洞内拱架安装 三联机机械手
二、隧道施工机械化配套技术研究
工程概况
二、隧道施工机械化配套技术研究
毕尔巴鄂隧道为一高速公路隧道， 设置为双洞双向4车道，隧道长约3km， 位于西班牙毕尔巴鄂市郊，采用机械 化钻爆法施工，先贯通上大半台阶， 后施工下台阶的方法进行施工。隧道 围岩较破碎，地下水较丰富。土建部 分工期5年，总投资1.17亿欧元，当时 的平均造价18.3万元/延米。
长大隧道钻爆法施工机械化配套技术与装备研究
二零一五年六月
主要内容
一、前 言 二、隧道施工机械化配套技术 三、隧道施工装备国产化研究 四、隧道施工节能通风技术 五、结语
一、前 言
到2012年底，我国建成的铁路隧道已经超过7100公里。 在建铁路隧道总长度超过7400公里，正在设计和规划建设 的隧道总长度近10000公里。铁路里程达9.8万公里，居世 界第二位，仅次于美国；高铁运营里程达9356公里，居世 界第一位。中国已成为世界上隧道最多、发展最快、地质 条件和结构形式最复杂的国家。
三 联 机 械 手
二、隧道施工机械化配套技术研究
④ 衬砌作业线设备配置 1台12m长衬砌台车。
衬砌模板台车
二、隧道施工机械化配套技术研究
➢ 通过对瑞典、西班牙三个国外隧道工程施工机械设备配套情 况的专题调研，可以得出以下结论： 1、国外隧道施工单价高、工期长。 2、开挖、出碴运输、钻孔注浆和锚杆施作、初支、喷混凝 土、通风和衬砌等各工序都配置了全机械化作业生产线，机械 化程度高且配套完整。 3、作业人员少，安全程度高， 3个项目各隧道施工作业人 员每班仅7～10人（未含出碴人员），与我们的工序比较，人员 仅为1/8～1/12，在施工出现重大异常时，能有效杜绝群死群伤 事故。 4、国外的设备租赁市场发达，其施工设备主要是通过租赁， 目前，在我国还不能实现。
二、隧道施工机械化配套技术研究
人们认识到机械化作业是今后隧道施工技术的发展方向， 我国的学者：沈培源（1980）、轩辕啸雯（1984）、王梦 恕（1997）、貌信光（2008）等结合大瑶山、米花岭、桃 花铺2#隧道、宜万铁路野山关隧道等隧道工程对长大隧道 钻爆法施工机械化配套技术进行了较为详细的研究，并取 得了一系列的研究成果。
一、前 言
本课题已被列入铁道部科技司和中国中铁股份有限公司 重大科研计划，通过对长大隧道钻爆法快速施工关键技术 与装备研究，以提升隧道机械化施工技术和装备国产化水 平，形成我国铁路长大隧道修建机械化配套体系，推动我 国隧道技术创新和科技进步。
二、隧道施工机械化配套技术研究
二、隧道施工机械化配套技术研究
配用量两个主要方面。施工设备选型主要依据隧道施工的 特性，隧道围岩类别、工期、工效等系统地选取最佳的配 套机械；设备选型后，设备配用量以机械设备最佳利用率 为前提，使机械化配套的综合施工能力与施工进度相匹配， 追求经济和社会效益最大化。
二、隧道施工机械化配套技术研究
各作业工序设备配套原则 根据隧道机械化施工各作业工序的特点，综合考虑整体工
序之间衔接，提出了隧道“运输能力＞装碴能力、装碴能力 ＞开挖能力；开挖能力＞施工组织要求能力”为主的作业工 序设备配套原则。 （3）隧道施工机械化配套设备选型研究
由于不同隧道施工特性不同，作业线设备选型和配用量 也各相迥异。综合考虑施工方案、工期、隧道断面形状尺寸、 设备作业空间及作业效率等方面，对隧道施工作业线机械化 设备进行选型。
注浆台车上的注浆泵
二、隧道施工机械化配套技术研究
②出碴作业线设备配置 1台大功率装载机装碴（3~3.5m3/斗）、1台反铲配合，
大容量自卸运输车（25T、30T）运输。 ③初支作业线设备配置
喷砼采用湿喷法，三联机（湿喷机、存储、泵送，芬 兰产）机械手配合施工，砼运输车运输砼。锚杆施工以 凿岩台车钻孔，利用升降车人工安装。 ➢ 西班牙毕尔巴鄂BAILBAO高速公路隧道
为国外引进，目前国内也有制造，按凿岩钻机数量分为：单臂、 二臂、三臂和四臂，山岭隧道中多采用二臂、三臂和四臂。液 压凿岩台车按其走行方式可分为轨道走行、轮胎走行式及履带 走行式；按其结构形式可分为实腹式、门架式两种。工程中应 用较多的实腹结构轮胎走行全液压凿岩台车。
二、隧道施工机械化配套技术研究
实腹结构轮胎走行式全液压凿岩台车
综合考虑隧道断面尺寸、台车作业空间、作业效率因素， 单线隧道开挖作业线一般配置1台液压三臂凿岩台车；双线隧 道开挖作业线配置2台液压三臂凿岩台车。
二、隧道施工机械化配套技术研究
配用量计算 作业空间上计算： 250km/h双线隧道的宽*高为12820mm*12000mm，单线隧
二、隧道施工机械化配套技术研究
采用三臂凿岩台车在施作爆破孔时兼作超前地质预报钻孔。
C6型多功能钻机 RPD-150C钻机
MK-5坑道钻机 三臂凿岩台车
二、隧道施工机械化配套技术研究
开挖作业设备选型 隧道钻爆法机械化开挖作业的施工案例中，一般有机械化
开挖和人工开挖两种方式。 机械化开挖一般采用液压凿岩台车开挖。液压凿岩台车多
二、隧道施工机械化配套技术研究
隧道施工作业线设备配置 ①开挖生产线设备配置 每个作业面配置1台WIRTH单臂掘进机。
WIRTH单臂掘进机
二、隧道施工机械化配套技术研究
②出渣作业线设备配置 每个作业面配置1台装载机装碴、1台反铲配合，3台以 上25~30T自卸运输车运输。 ③初支作业线设备配置 1台喷砼三联机机械手（湿喷机、存储、泵送，芬 兰产），3台砼运输车。
率的重要保证。在铁路隧道施工中，超前地质预报作为 工序已纳入了隧道施工组织管理中。
超前地质预报的方法很多，其中超前地质钻探是最直 接接、最直观、最有效的方法。实施中，常采用长短距 离预报结合的方法进行。
目前长距离的地质钻探常采用C6、RPD-150C等多功能 钻机进行施作，预报距离可达150m。中距离（≤50m）采 用MK-3、MK-5型坑道式钻机进行施作。短距离（≤5m）
(3)作业线设备选型研究 作业线划分。 7条作业线：超前地质预报、开挖、喷锚支护、装运、
仰拱、防水板铺设、二次衬砌作业线。
选型主要依据。
综合考虑因素：隧道施工方案、工期、断面尺寸、 设备作业空间及作业效率等因素，对隧道施工作业线机 械化设备进行选型和配用量的研究。
二、隧道施工机械化配套技术研究
超前地质预报作业设备选型 超前地质预报是长大隧道确保施工安全，提高施工效
二、隧道施工机械化配套技术研究
国内隧道施工机械化配套技术发展现状 我国铁路隧道机械化施工是20世纪80年代开始的，首
次运用于衡广复线大瑶山隧道建设，然后在大秦线、南昆 线、京九线和西康线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，以王梦恕 院士为代表的大瑶山隧道钻爆法机械化施工配套模式是长 大铁路隧道机械化配套的第一个标志；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 发展的另一个标志。这两次技术飞跃对我国隧道施工技术 发展影响重大。它不仅使隧道施工进度明显加快，而且使
一、前 言
不匹配，国产化程度低，因而影响作业效率，难以广泛形 成先进的机械化作业线，特别是在开挖出碴、喷锚、支护、 和二次混凝土衬砌工序，设备国产化程度低，工效差、工 序循环时间长，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，大多数仍用人工为主的作业， 工序循环时间长，围岩扰动大，安全风险高，支护困难， 进度缓慢。造成软岩隧道既不能快速施工，也不能形成机 械化作业。而国外隧道施工，各施工工序都配置了全机械 化作业生产线，机械化程度比较高，且配套齐全，施工效 率高。
虽然我国铁路隧道建设的规模和总量已经远远领先世界 其他国家，成为了名副其实的世界“隧道大国”。但我国 的隧道修建技术水平还未迈入世界“隧道技术强国”的先 进行列，特别是我国铁路长大隧道机械化快速施工技术水 平尚处于初期阶段，以钻爆法为基础的机械化快速施工
一、前 言
技术体系尚未形成，总的技术发展速度缓慢，整体技术仍 很落后。主要表现在：第一，以钻爆法为基础的机械化快 速施工技术体系尚未完成，在机械化作业线设备配套技术、 环境控制、施工安全与风险控制、岩溶高压水、大变形治 理等方面，许多设备配套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、主要技术性能参数与铁路隧道现有施工条件
➢ 西班牙马德里高速铁路隧道 工程概况
该工程为2.08km长的EJEL.A.V.高速铁路隧道，位于 西班牙首都马德里市郊，隧道上方为运营中的高速公路， 附近有部分建筑物，为避免隧道开挖对周边环境造成的 破坏，隧道开挖采用了悬臂式掘进机。设置为单洞双线， 内轨面以上开挖断面85.7m2，地质以变质石英砂岩为主， 岩石抗压强度约80MPa。
边界条件的处理
二、隧道施工机械化配套技术研究
隧道施工技术的进步往往是伴随着机械设备的发展和新型 材料的出现而发展的
大锤+钢钎
风动钻眼
液压凿岩台 车
盾构、TBM
手推车出碴、 木支撑
汽车出碴、 喷锚支护
管片衬砌支护
二、隧道施工机械化配套技术研究
我们通过对贵广铁路油竹山、岩山、天平山、同马山、大寨隧 道机械化施工设备配套进行了调研，隧道围岩级别为Ⅲ级，采用全 断面开挖，其作业线设备配置框架如下：