摘要：纵观近十来年铁路建设的飞速发展，已经由规模化向高质量、高标准转型，特别是隧道施工的发展状况，劳动力缺乏,人工工资迅猛增涨，质量要求越来越高，行业竞争越来越激烈，安全责任也进一步凸显重要地位，隧道施工的根本出路在于全面实现隧道施工的机械化。文章对刘家寨隧道的机械化配套做了一些探讨，为今后类似隧道工程施工提供参考。
关键词：铁路隧道；机械化配套；三臂台车；施工
1工程概况
刘家寨隧道位于湖南省龙山县水沙坪乡水沙坪村东侧山区，隧道进口端位于水沙坪村东侧一陡坡下，出口位于在建茨岩塘至永顺二级公路上部，隧道全处于可溶岩地区，隧道进口里程DK102+613，出口里程DK105+691.5,全长3078.5m，最大埋深155m，最小埋深78m，为双线单洞隧道。隧道采用1座横洞辅助施工。横洞长度460m，与线路交于DK103+750，平角90°，设计坡度1.6%，采用无轨运输方式，按单车道+错车道设计。
2机械配备原则及总体方案
2.1配置原则
2.1.1差异性
根据施组安排，按关键线路、重点作业口、一般作业口进行分级配置。一般情况下,施工机械化程度越高,生产效率就越高,施工进度也越快。本隧道不可预知的地质风险大，为了确保工期，应选择性能好、产量高、安全可靠的设备,各工序作业设备之间要互相匹配，且数量要能满足要求。
2.1.2经济性
设备选型应考虑隧道施工实际和企业投资能力，优先选用经济合理的节能型设备，优先利用企业自有设备，同时结合实际经济状况进行选型。配套方案应将经济比选作为决策的重要依据之一。
2.1.3可靠性
要求各单机在运转过程中稳定地保持其良好的技术性能，可靠地在规定时间和作业条件下完成工期所要求的额定功率。
2.1.4可操作性
所有机械设备，必须便于操作、维修、保养和零配件采购。各工区的设备，尽量按照标准配置，有利于相互调配。
2.1.5方案可行性
机械设备的选型与配套和施工方案密切相关。施工时选用以液压式凿岩机、挖装机、砼喷射机组、装载机、衬砌模板台车、仰拱栈桥和重载运输等为主要特征的大型机械设备配套，组成钻爆、装运、超前支护、喷锚支护、衬砌等机械化作业线的有机配合，严格机械设备管、用、养、修制度，科学管理，达到安全、快速施工目的。
2.1.6满足隧道断面及结构尺寸要求
隧道属地下工程,洞内空间有限,故设备选型时除考虑其性能、互相匹配的因素以外,还必须考虑设备本身的外形尺寸和走行方式。如选型不当,设备在洞内可能无法正常工作,或互相之间形成干扰。此外，还有两个主要问题需要考虑,一是装碴设备的工作半径,若太小，则影响装碴速度，太大，则设备的能力又得不到充分发挥;二是所有的运输和随时进出洞设备的外形尺寸要能满足通过衬砌台车和错车安全距离的要求。
2.1.7环保职业健康要求
洞内的空气污染主要来自于爆破产生的粉尘、有害气体和设备产生的废气。洞内通风距离长,排烟难度大,因此应尽量选用电动设备,少用或不用内燃设备,以改善洞内工作环境,保证操作人员的身体健康。
2.2配置总体方案
结合刘家寨隧道地处溶蚀峰丛、单口掘进距离长、施工任务重和地质条件复杂多变等特点，项目部依据既定的长隧短打、均衡资源、提高效率的原则，确定采用无轨运输，配置超前地质预报作业（C6钻机）、掘进作业（含出碴，液压三臂台车开挖，装运一体化）、支护作业（机械喷砼手）、仰拱作业（自行式仰拱桥）、二衬作业（衬砌台车、水沟电缆槽移动模架）以及辅助作业线（大功率移动空压机），实现全面配套，点面协调，工区配合，最大化地提高机械使用效率。
3管理模式
成立隧道机械化施工队，一个队负责一个工区。施工队设队长1人，副队长1人，土木技术主管1人、机械技术主管1人。队部设技术室、机物室、工经室、财务室和综合办公室。作业班组分为：机械操作班(含钻爆、锚杆拱架安装、喷射混凝土)、机械维修与保养班、找顶运输班、衬砌班、钢筋班及通风电工班和勤杂班。
4机械配置方案及实施
刘家寨隧道主要为Ⅱ、Ⅲ级围岩，宜采用全断面开挖，三臂台车钻孔，支护采用机械手进行喷砼作业，仰拱施工采用自行式液压仰拱栈桥（配套模板），防水板作业采用防水板铺设台车，二衬作业配置模板台车、混凝土输送泵和混凝土运输车，水沟电缆槽作业配置移动模架，砼由混凝土搅拌站集中生产和供应。
4.1配套方案
超前地质预报设备：采用意大利生产的C6钻机进行超前钻孔。C6钻机可以准确判断前方围岩，预测预报长度可达30m-50m，准确性高，同时行走方便，钻进速度快。以Ⅲ级围岩为例，每小时可钻进8-10米。由于该机械使用内燃动力，工作能动性强，基本不受环境制约，同时采用先进尾气处理技术（无烟、无味、无尘），完全能达到环保要求。
掘进和出碴设备：采用三臂台车钻眼，出碴采用装载机（大于3m3以上）配合自卸车（大于20T）出碴。
支护设备：采用普茨迈斯特带机械手湿喷机（Sika-PM500PC）进行喷射混凝土施工，能够快速提高施工效率，减少作业人数（操作只需要3人），改善了作业环境，降低混凝土喷射回弹率和混凝土喷射成本。该机械最大工作流量能达到30m3/ｈ，正常作业达到20m3/ｈ以上，回弹率能控制在10%左右。由于该设备具有较高的生产能力，是单台普通喷射机的5至8倍,并具有转移方便、自带空压机等特点，在隧道施工中更显施工灵活性。
仰拱施工作业：采用一台自制的自行式液压仰拱移动栈桥（配套模板）。操作方便、衬砌循环快、工作效率高，解决了仰拱施工模板安装、加固困难、整体性差、易跑模变形和不易捣固等技术难题，提高了仰拱施工质量，使仰拱开挖后能及时封闭成环，确保了隧道结构安全。
防水板作业：采用防水板铺设台车。防水板铺设台车能减轻作业人员劳动强度，提高防水板铺设速度，减少作业人员投入，便于提高防水板铺设质量。
二衬作业：配置衬砌模板台车、混凝土输送泵和混凝土运输车。
水沟电缆槽作业：配置一台水沟移动模架、混凝土运输车。
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4.3配套作业效率
技术准备：超前地质预报，折合每循环20min，测量放样45min,技术准备作业时间合计65min。
开挖作业：采用三臂台车钻眼,每眼时间为2min左右，钻眼作业时间120min。
装药连线及爆破作业：50min。
通风时间：30min。
装碴运碴作业:210min。
喷砼作业（含初喷）：120min。
合计每循环时间为：65min+200min+50min+30min+210min+120min= 675min。每月理论循环数为：64循环。
每循环爆破有效进尺在3.0m左右，每月能达到192m，满足施工进度要求。
仰拱作业：采用2台自行式仰拱栈桥配备模板，月进度为240m/月，二衬作业：采用2台二衬台车，月进度可达到260m/月。
水沟电缆槽作业：采用一台移动模架，月进度可达240m/月。
5机械化作业与传统作业对比
开挖作业对比：按刘家寨隧道出口III级围岩全断面开挖，使用三臂凿岩台车，单个钻杆钻孔速度平均可达2m/min，现场实际钻孔深度3.7m左右，单孔所需时间为2分钟。利用三个臂同时钻孔，平均每循环钻孔时间为2小时，加上台车进洞行走、水电准备、测量放样等时间，整个钻孔循环3小时。相对传统人工操作风动气腿凿岩机可节约1至1.5个小时；利用三臂凿岩台车施工，掌子面钻孔工序只需三名操作员就可以完成，其中两名操作台车钻臂，一名协调指挥。而传统人工全断面开挖需要16~18名司钻人员同时钻孔。在当前人工费用大大增加的情况下，为隧道开挖施工节约了成本。
喷锚作业对比：湿喷机械手施工过程中只需2人便可，每循环喷射作业时间2小时左右，而传统人工喷射混凝土作业需要6~8人，全断面喷射循环作业时间达5~6小时。
仰拱作业对比：仰拱采用自行式液压移动栈桥，在保证栈桥上各种车辆设备正常通行不影响掌子面施工的情况下，桥下同时进行隧道的仰拱初期支护、钢筋绑扎、衬砌及回填施工，桥面可拼卸的面板方便了混凝土灌注，隧道出渣及进料与仰拱施工可平行作业，减少了仰拱施工给隧道掘进造成的干扰，加快了隧道施工速度，保证了各自施工的顺畅。
水沟电缆槽作业：水沟电缆槽采用自制移动模架施工，移动模架仅需2人操作，模板安装由液压系统控制，施工效率高、速度快，浇筑后成型美观，质量可靠、脱模方便；而传统采用组合钢板施工，不仅人员、材料投入多，成本高，而且施工效率低，结构线性无法保证，质量缺陷较多。
超欠挖控制对比：三臂凿岩台车的钻杆定位后，即可按水平或固定倾角推进，与人工控制钻杆推进相比，可显著降低作业难度，有效提高钻孔质量，更好的控制超欠挖。
安全对比:机械化配套施工相对于传统施工，不仅可以提高作业效率，降低人工成本，也提高了作业的安全性，降低事故发生的可能性，特别是在隧道掌子面处危险作业的区域。
6有关制度管理要求
机械化配套施工是一个完整的管理系统，施工队必须制定行之有效的制度，并严格实施，包括超欠挖控制考核制度；机械完好率考核制度；机械强制保养、维护制度，以及进度和收入挂钩制度。
7设备管理要求
隧道凿岩台车、喷砼机械操作手、洞内挖机、装载机归施工队统一管理，对设备的使用次数、机械完好率和维修费用设定预算指标。
必须加强土木技术人员与机械技术人员的协调沟通，施工作业时，液压凿岩台车操作手必须严格按爆破设计进行钻孔，施工队的管理层必须对钻孔质量逐孔检查验收。重点要确保液压凿岩台车、喷砼机械操作手的使用率和完好率。
8结束语
隧道施工机械化配置是一个科学决策、动态调整、比较选择的过程，各个工点根据地质情况、现有机械设备、隧道断面大小等进行选择和优化，同时要根据不同作业面、不同施工阶段和各承包企业的能力而定。通过对黔张常铁路刘家寨隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩的机械配套的实践，在长距离硬岩施工的设备配套研究方面，具有重要意义，可为今后同类隧道施工提供借鉴和参考。
参考文献
[1]铁建设〔2009〕226号高速铁路隧道施工技术指南[S]
[2]TB10003-2005铁路隧道设计规范[S]
[3]关宝树.隧道工程施工要点集.人民交通出版社2003年
论文作者:付廷达
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/4/30