新建川藏铁路隧道钻爆法施工机械化配套新技术探讨

新建川藏铁路隧道钻爆法施工机械化配套新技术探讨

作者：朱琴生

来源：《中国科技纵横》2020年第01期

摘要：针对川藏铁路高海拔地区的低温、低压、低氧恶劣环境特征，本文对铁路隧道钻爆法施工的机械化配套新技术进行了探讨分析，为即将动工建设的川藏铁路隧道钻爆法施工提供借鉴。

关键词：川藏铁路隧道;机械化配套;新技术

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0086-02

0 引言

川藏铁路雅安至林芝段建設即将全面启动，规划建设川藏铁路，做好科学规划、技术创新、生态保护、安全可靠、配套高效的策划，才能高起点、高标准、高质量地推进工程规划建设，恶劣高原自然环境，创新大规模的机械化配套施工技术尤为重要。

1 川藏铁路工程概况

川藏铁路雅安至林芝段位于青藏高原东南部，沿线山高谷深，人迹罕至，线路穿越横断山、念青唐古拉山等山脉，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河

流，具有显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、脆弱的生态环境以及高寒缺氧的气候环境。

川藏铁路雅安至林芝段隧道75座，长度789km，20km以上隧道16座，30km以上5座，平均隧道长度大于10km，长大隧道密集，前所未有。

2 川藏铁路隧道建设面临的挑战

川藏线隧道工程有以下几大特点：工程规模大，隧道占比高、总量大、超长隧道集中;位于板块挤压碰撞带，地质条件极为复杂;穿越横断山脉，辅助坑道设置条件差;超大的地形起伏，隧道位于长大单面坡道;高原缺氧的气候环境;地质条件的不确定，工期、环保要求高。

3 机械化配套的必要性

通过柴油机机械效率数学模型，就可以计算出高海拔地区的低温、低压、低氧环境因素对施工设备机械效率的影响程度和规律[1]，人工、机械功效均会不同程度降低，常规的机械设备配套，将无法满足按期完成建设任务的需要创新机械化配套技术是保证隧道施工质量、减轻作业人员劳动强度的需要;能减少隧道施工群死群伤事故，提高隧道施工安全性，是保证施工进度的重要措施，只有进行隧道施工大型机械化配套，才能达到“快速施工、以机代人”的目标，满足建设要求。

4 川藏铁路雅安至林芝段隧道施工及机械化配套技术总体方案

4.1 基于隧道新奥法和新意法的施工总体方案

郑万高铁湖北段施工过程中，根据掌子面围岩分类及工程地质特性，进行掌子面稳定性评价，据此确定施工方法、掌子面处理措施及超前支护措施，在采取不同处理措施情况下，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩采用全断面法开挖，V级围岩采用微台阶法开挖，获得了成功[2]。

（1）单线隧道Ⅳ级围岩、双线隧道Ⅳ级硬质岩采用超前支护+全断面法施工，双线隧道Ⅳ级软质岩采用超前支护+微台阶法施工;

（2）V级围岩单双线隧道采用超前支护+掌子面加固+微台阶法施工;

（3）辅助坑道Ⅳ级围岩均采用超前支护+全断面法施工;V级围岩均采用超前支护+掌子面加固+全断面法施工。

4.2 钻爆法施工机械化配套原则

（1）分级配置原则，机械化配套方案分成高度、基本机械化两种模式;

（2）少人化原则;

（3）全机械化原则，检铺底作业线配置自行式仰拱栈桥，防排水作业线配置防水板自动安装台车，混凝土衬砌作业线配置智能化模板台车，养护作业线配置养护作业台车，沟槽作业线配置沟槽台车;

（4）大型设备管理专业化原则，先进的施工机械必须配备高素质的管理人员和操作人员，采取专业化的管理模式，最大程度的提高设备的完好率和利用率;

（5）平行作业原则，超前地质钻探和喷锚拱架安装单工序作业时间长，效率低下，针对性地进行技术革新，实现与其他工序平行作业，缩短循环时间。

4.3 机械化配套等级总体原则

考虑配置等级、海拔高度、隧道长度、控制工期等因素，对雅安至林芝段隧道按工区划分，机械化配套方案如下：

（1）双3000M原则：海拔3000m及长度3000m以上隧道采用高度机械化配套模式，其余隧道采用基本型。

（2）保工期原则：控制工期的隧道采用高度机械化配套模式，其余隧道采用基本型。

4.4 隧道钻爆法施工设备配置方案

（1）高度机械化配套方案：高度机械化配套以“快速施工、以机代人”为目标，在超前地质预报作业上配置超长距离取芯钻机（千米级）;开挖作业线配置三臂凿岩台车，混装炸药设备两台;大坡度长斜井工区采用皮带运输系统出渣提升出渣效率，支护作业线配置二臂湿喷机械手、凿岩拱架安装一体机、锚杆高压注浆等设备，后续作业线配置自行式仰拱栈桥、防水板自动铺设台车、智能化模板台车、养护作业台车、沟槽台车等设备。

（2）基本机械化配套：基本机械化配套机械主要包括：工程钻机、开挖台架、风动凿岩机、普通注浆泵、挖掘机、运渣车、普通拱架安装台架、小型混凝土湿喷机、简易仰拱栈桥、普通防水板钢筋铺设台架、普通衬砌模板台车、喷淋养护台架、简易沟槽模板台车等，满足工程目标。

5 新设备及新工艺

（1）千米级超前定向取芯钻机：SMART 8隧道岩芯勘探钻机是安百拓集团公司（原阿特拉斯科普柯）生产的长距离岩石取芯勘探钻机。SMART 8隧道岩芯勘探钻机主要特点如下：

1）可实现360角度任意方向钻进，B口径（钻孔直径60mm，取芯直径36mm）钻进能力可达到垂直钻孔深度2000m，水平1400m以上，全程无缝取芯;2）可以安放在隧道横通道上，APC自动钻进，实现单人操作，与主洞施工平行作业，大大缩短循环时间。

（2）轮式两篮三臂液压凿岩台车：可实现掌子面爆破孔、锚杆支护、管棚支护、超前探孔、注浆孔等作业，使用双作业吊篮做辅助性工作，可以大大缩短装药、安装锚杆等工序时间，加快隧道施工进度。

（3）破碎机+皮带机出渣系统：在国外，钻爆法施工的隧道也越来越多的采用连续皮带机输送出渣技术[3]，其主要优点：1）较传统出渣方式，连续皮带机的功效可提高20%-30%;2）斜井坡度大于15%时，采用皮带机出渣输送能很好的满足运输需求、降低施工成本;3）在高原严寒、低压和缺氧的气候环境下，燃油设备功效下降，严重制约工程施工效率，连续皮带机具有高原强适应性、节能减排和环保方面的优势。

（4）两臂湿喷机械手：国产的HPS5016型双臂湿喷机械手已经在安九铁路某隧道试用，喷射效果与单臂机械手相同，效率约为常规单臂机械手的1.5倍。

（5）凿岩拱架安装一体机：传统的设备工装进行软弱围岩的锚、网、拱、喷、锁脚锚杆等作业，效率低下，时间长，严重影响隧道施工进度，利用凿岩拱架安装一体机，可实现起吊、运输、架设、钻孔一体化作业，并可进行锁脚、超前小导管、系统锚杆作业，能够极大地提高支护的工作效率。

新设备新工艺如表1所示。

6 结论及建议

目前，上述的新设备新工艺在铁路隧道施工中应用极少，川藏铁路雅安至林芝段低温、低压、低氧的高原环境特征，更需要高度机械化配套施工新技术，特别是千米级定向取芯钻机、两篮三臂液压凿岩台车、凿岩拱架安装一体机的应用，可以大幅度地改善员工作业环境、降低员工作业强度、保障工程质量，降低工程成本，以达到“快速施工、以机代人、安全高效、快速施工”的目标。

参考文献

[1] 李琦.高海拔环境对施工设备机械效率的影响研究[J].铁道科学与工程学报，2016，33（12）：82-87.

[2] 王志坚.郑万高铁隧道大断面机械化施工关键技术研究[J].隧道建设（中英文），2018，38（08）：7-20.