談隧道施工機械化技術(shù)
我國鐵路隧道機械化施工是自20世紀80年代才開始的，以衡廣復(fù)線大瑤山隧道建設(shè)為起點，然后在大秦、南昆、京九、西康等鐵路建設(shè)中推廣完善，形成了多種機械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式�？梢哉f，大瑤山隧道是我國鐵路隧道鉆爆法機械化施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，20世紀90年代西康鐵路秦嶺特長隧道則是全斷面硬巖掘進機(TBM)施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。
這兩次技術(shù)飛越對我國隧道施工技術(shù)發(fā)展影響甚大。它不僅使隧道施工進度明顯加快，而且使人們認識到大規(guī)模機械化作業(yè)是今后隧道施工技術(shù)的發(fā)展方向。
石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院(原石家莊鐵道學(xué)院機械工程分院)教授賴滌泉，長期從事鐵路施工機械、液壓傳動與控制、隧道通風(fēng)與環(huán)境控制領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。他在隧道施工技術(shù)和施工機械化方面具有豐富研究和實踐經(jīng)驗，先后主持省、部級科技攻關(guān)項目8項，發(fā)表論文30多篇，出版著作兩部，獲省部級科技進步獎7項次。賴教授主持研究的《秦嶺特長鐵路隧道施工技術(shù)》獲國家科技進步一等獎。
2009年，他又主持攻克了一項鐵路隧道施工機械化的項目——“WZ330型隧道挖裝機國產(chǎn)化”項目。該項目是鐵道部2009年科技計劃項目之一，是隧道快速施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究的子課題。早在2008年，以賴滌泉教授為首的課題小組就開展了技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過一年左右的設(shè)計制造及40多天、 200多個小時的廠內(nèi)試驗，WZ330型隧道挖裝機于2009年9月18日成功下線。
沒有機械化，就不會有快速施工，就難以在較短時期內(nèi)完成各類大規(guī)模的隧道建設(shè)任務(wù)，這一點目前在鐵路建設(shè)施工企業(yè)中已形成共識。而其他各種施工技術(shù)也必須在機械化條件下來實施，并且要與機械化施工的要求相適應(yīng)才能繼續(xù)發(fā)展下去。
21世紀是隧道與地下工程更加迅速發(fā)展的世紀。未來20年，我國交通隧道的工程規(guī)模將越來越大，技術(shù)難度也越來越高。為加快工程建設(shè)，必須迅速提高機械化施工技術(shù)水平，推進國產(chǎn)化裝備的技術(shù)進步。為此，筆者采訪了賴滌泉教授，他結(jié)合自己的研究課題，詳細地介紹了我國隧道施工機械化的關(guān)鍵技術(shù)與裝備攻關(guān)改進的最新動態(tài)。
鉆爆法施工機械化成套設(shè)備攻關(guān)
近年來，我國隧道鉆爆法施工機械化技術(shù)水平有逐步下降的趨勢，主要表現(xiàn)在20世紀80年代后大量引進的一些先進設(shè)備如全液壓鑿巖臺車、低污染自卸車、噴錨三聯(lián)機等設(shè)備因投入大、臺班費用高已逐步退出施工現(xiàn)場，取而代之的是傳統(tǒng)的人工鑿巖、國產(chǎn)設(shè)備裝渣運渣、小型濕噴機噴漿襯砌等。再加之我國勞動力資源豐富，勞動力價格低，可顯著降低工程造價，施工企業(yè)對國外技術(shù)依賴程度也降低了。
賴教授從這種現(xiàn)象背后看到了積極的發(fā)展趨勢。他想，如果在這些低成本配套的基礎(chǔ)上通過技術(shù)創(chuàng)新和科技攻關(guān)，使這些 “土設(shè)備”具有比較先進的技術(shù)性能、作業(yè)線的綜合效率和安全環(huán)境，就可能完全依靠自己的力量形成一種符合我國現(xiàn)階段國情、更有普遍推廣應(yīng)用前景的機械化配套模式。
最近10年來，賴教授通過大量的隧道施工現(xiàn)場調(diào)查，與國內(nèi)的工程施工企業(yè)和設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進行了廣泛深入的交流，走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路，分別針對測量、劃線、鉆孔作業(yè)需要的多工位鉆孔臺架，裝渣作業(yè)需要的挖掘式裝載機，運渣作業(yè)需要的低污染自卸車或有軌車輛，噴錨作業(yè)需要的自行式作業(yè)平臺和噴射機械手，襯砌作業(yè)需要的拼裝式 (組合式)襯砌臺車，鋼拱架安裝作業(yè)需要的拱架安裝機組，防水板鋪設(shè)作業(yè)需要的防水板鋪設(shè)機，管棚及超前鉆探作業(yè)需要的鉆注一體化機組，仰拱施工需要的仰拱模板臺架及移動棧橋等隧道施工系列設(shè)備的完全國產(chǎn)化進行立項研究，分階段進行項目攻關(guān)，從理論到實踐都取得了積極進展。
以WZ330型隧道挖裝機為例：賴教授在實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，鉆爆法施工中裝渣工序占用大約60%的作業(yè)時間，優(yōu)良的裝載設(shè)備對提高工效、加快進度起著關(guān)鍵作用。
目前鐵路隧道施工所使用的裝載設(shè)備品種較多，也基本上能達到與運輸設(shè)備相配套的要求。但是挖掘式裝載機和一般其他裝渣設(shè)備不同，它是通過專門的刮板輸送機將石料裝入后續(xù)運輸車輛，作業(yè)空間小，作業(yè)效率高。在多工位鉆孔臺架的作業(yè)空間能與之相匹配的條件下，裝渣作業(yè)與鉆孔、噴錨作業(yè)同時進行就有了可能性，從而縮短循環(huán)時間，加快開挖速度，提高功效并且安全、快速、節(jié)能，工作面環(huán)境好。目前，施工單位普遍采用的是從德國引進的ITC312挖掘裝載機。該機采用電力驅(qū)動，工作面環(huán)境較好；能連續(xù)裝載，效率高；在合理組織施工時能做到裝運與錨噴、鉆孔、測量等平行作業(yè)，縮短循環(huán)時間；加之所需作業(yè)空間較小、故障少等一系列優(yōu)點，已成為重點工程的首選裝渣設(shè)備。但是引進的ITC312型挖掘裝載機不僅價格昂貴，性能上也有缺陷，如履帶和刮板抗磨性能較低，輸送機寬度較窄，整機穩(wěn)定性差，液壓系統(tǒng)維修不方便等，所以賴教授帶領(lǐng)課題攻關(guān)組在國產(chǎn)化研究中重點解決了這些問題。
賴教授認為，對于大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)化開發(fā)，應(yīng)當(dāng)走引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的道路。設(shè)計理念要新，技術(shù)起點要高，同時結(jié)合國情，分析引進產(chǎn)品的優(yōu)點與不足，進行必要的技術(shù)改進和再創(chuàng)新。與引進機型相比，WZ330型挖裝機需要在提高裝載能力、提高整機工作穩(wěn)定性、擴大整機工作范圍、提高刮板輸送系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)的抗磨能力、提高液壓電氣系統(tǒng)的抗磨能力、有效控制造價等六大方面進行攻關(guān)。
經(jīng)過項目課題組、工程施工單位和設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的通力協(xié)作，按以上思路開發(fā)的國產(chǎn)WZ330型挖裝機已于2009年9月18日成功下線，樣機正在進行各種工況下的工程應(yīng)用試驗。賴教授高興地對筆者說，試驗數(shù)據(jù)表明，實際的應(yīng)用效果優(yōu)于引進的原裝產(chǎn)品。
混凝土噴射機械手也是賴教授十分感興趣的隧道施工機械，因為采用混凝土噴射機械手進行噴漿作業(yè)對改善工人勞動條件十分重要。混凝土濕噴機能在惡劣的工作環(huán)境下實現(xiàn)自動均勻地噴敷混凝土，在作業(yè)過程中還可調(diào)節(jié)噴射角度、速度，使其達到最佳狀態(tài)，盡量減少回彈。賴教授調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前引進的機械手價格高，不適于普遍推廣，但如果能實現(xiàn)國產(chǎn)化，價格就會大大降低，就有條件普遍采用。所以，賴教授帶領(lǐng)混凝土噴射機械手課題組，聯(lián)合有關(guān)單位進行攻關(guān)，主要研究內(nèi)容包括工作機構(gòu) (機械手)的運動軌跡和多桿空間機構(gòu)優(yōu)化、噴錨工藝與工作流程、整機結(jié)構(gòu)形式和工作參數(shù)的匹配及優(yōu)化等。賴教授對筆者說，這一課題成果2010年即將問世。
鑿巖臺車是隧道施工的典型施工機械，對于較堅硬、完整性較好的圍巖條件，鑿巖臺車鉆孔速度快、單位能耗低、人工少、安全程度高、爆破質(zhì)量好，仍是今后隧道施工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。但是目前鑿巖臺車在國內(nèi)隧道施工中應(yīng)用較少，大多都是手持式風(fēng)槍人工鉆眼，勞動強度較大，因此急需以機械化的施工模式來替代。目前國內(nèi)也有廠家生產(chǎn)鑿巖臺車，但賴教授認為還需在以下方面進行深入研究。一是開發(fā)全液壓鑿巖臺車，其技術(shù)關(guān)鍵是研究高性能液壓鑿巖機和深孔鉆具、鉆桿，國內(nèi)曾長期開展研究，但進展緩慢，與國外產(chǎn)品差距較大；二是多自由度鉆臂的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究；三是臺車動力和走行形式的研究；四是研究采用全電腦控制，以提高作業(yè)效率和鉆孔的準確性。在賴教授的主持攻關(guān)下，目前這一產(chǎn)品課題項目也取得了很大進展。
自卸車目前已普遍用于隧道施工，但是國產(chǎn)自卸車的缺點是尾氣排放量大，且一氧化碳及煙霧濃度高。賴教授認為，只要研究減少尾氣污染的技術(shù)和裝置，就可以使大量的國產(chǎn)自卸車變成低污染自卸車。從目前技術(shù)發(fā)展水平看，減少一氧化碳排放技術(shù)難度較大，成本也較高，但控制煙霧排放在技術(shù)上相對容易，成本也不高。即使暫時還不能有效控制一氧化碳排放，但若能顯著減少煙霧的排放，對于改善隧道施工的整體環(huán)境也很有意義，值得認真研究。比如，水洗法是一種溶液吸收的方法，它能有效地沉淀碳粒，溶解和稀釋碳氫化合物、醛類、二氧化硫等有刺激性氣味的氣體，凈化少量的氮氧化合物，同時能有效降低廢棄溫度，減輕廢棄排放噪聲，是機外凈化的一項重要措施。目前有水箱洗滌法、噴水洗滌法、稀釋器凈化法等多種方法。采用水洗過濾及排氣管結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法將可以基本實現(xiàn)控制污染排放的目標(biāo)。
鉆注一體機在國外隧道施工中已較成功地應(yīng)用，這是針對地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜、施工難度較大的隧道施工的一把利器。賴教授說，該設(shè)備的國產(chǎn)化重點是需要對鉆桿注漿、攪拌和壓漿等施工工藝進行系統(tǒng)研究，然后將相應(yīng)的工作機構(gòu)進行組合和集成，形成功能較強的鉆注一體機。
另外，賴教授對多工位鉆孔臺架、拼裝式 (組合式)襯砌臺車、拱架安裝機組、防水板鋪設(shè)機、仰拱模板臺架及移動棧橋等施工機械也作了深入研究和技術(shù)攻關(guān)，因為這些也是鉆爆法隧道施工不可或缺的機械化設(shè)備。
非鉆爆法施工機械的開發(fā)應(yīng)用研究
隧道施工久有 “怕軟不怕硬”的說法，意思是軟巖或土質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定性差，安全風(fēng)險大，事故隱患多，支護困難，進度慢。這些固然是由軟巖的本質(zhì)決定的，但也與鉆爆施工法關(guān)系密切。要改變這種現(xiàn)狀，關(guān)鍵是采用非鉆爆法施工，減少對圍巖的擾動，采用分部開挖、短進尺、快支護、早封閉的方法，則可大大提高安全性。目前，適于這種施工模式的設(shè)備主要是臂式掘進機、全斷面掘進機和盾構(gòu)。后二者用于掘進距離長的隧道是最經(jīng)濟的。
自西康鐵路秦嶺特長隧道成功使用全斷面掘進機以來，我國已引進多臺大直徑全斷面掘進機機組成功地建設(shè)了多座水工、鐵路隧道，盾構(gòu)技術(shù)更是在地鐵施工中得到廣泛應(yīng)用，這為非鉆爆法施工大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)自主創(chuàng)新開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。
但賴教授客觀地認為，若要實現(xiàn)完全的中國制造，還必須組織較大規(guī)模的科技攻關(guān)，以解決諸多設(shè)計和制造中的關(guān)鍵技術(shù)難題。特別是全斷面掘進機機組，由于每個工程的特點和對機組的實際要求不同，通常在訂貨前都要根據(jù)工程的實際情況進行設(shè)計和技術(shù)組合。這樣，掌握全斷面掘進機的基本理論和設(shè)計方法就成為技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)性工作。但目前我國在該方面的研究成果甚少，必須進行全面系統(tǒng)的研究，形成完整的理論體系，為自主創(chuàng)新創(chuàng)造條件。
我國超過10公里的特長隧道多采用 “長隧短打”的鉆爆法施工策略，主要原因是受到工期限制，加之我國全斷面掘進機裝備研發(fā)技術(shù)滯后，引進全斷面掘進機的代價過高。所以賴教授從我國國情和施工的經(jīng)濟性出發(fā)，認為改變現(xiàn)狀的主要途徑是加快研發(fā)小斷面掘進機。
由于小斷面掘進機造價低，所開發(fā)技術(shù)難度相對較低，使用時安裝、運輸較方便，輔助工期短，應(yīng)用范圍更廣，可以直接形成小斷面 (如輔助導(dǎo)坑、引水洞、地鐵等)隧道。對于大斷面交通隧道，可以用小斷面掘進機施工超前導(dǎo)洞，然后用鉆爆法擴挖成洞，以減少輔助導(dǎo)坑的長度和工程總量。其施工速度比鉆爆法快，但造價比采用大型全斷面掘進機低。技術(shù)成熟后，有可能成為特長隧道的主導(dǎo)施工方法之一。
賴教授回顧說到，20世紀70年代，我國鐵路、礦山等部門曾大力研究過小斷面掘進機，取得部分成果。但當(dāng)時國內(nèi)的基礎(chǔ)技術(shù)落后，設(shè)備故障多，產(chǎn)品停滯在工業(yè)性試驗階段�，F(xiàn)在我國已具備研發(fā)先進小斷面掘進機的能力，是動手開發(fā)的時候了。
臂式掘進機是任意斷面掘進機，集開挖裝載與一體，對斷面形狀、開挖長度、循環(huán)進尺都沒有限制，可以邊開挖邊支護，工作效率雖不及全斷面掘進機及盾構(gòu)，但通常比鉆爆法高。國外如日本、德國、奧地利都有用臂式掘進機施工鐵路隧道的實例。我國煤礦巷道已普遍采用臂式掘進機，且發(fā)展越來越迅速，估計目前已有2000臺在工作，生產(chǎn)商近十幾家，品種約5至6種，最大截割功率300千瓦，機器重量126噸。這些設(shè)備可直接用于斷面高度6米以下的軟巖隧道，在巖石抗壓強度130米帕以下的情況下有很高的工作效率。平導(dǎo)施工月進尺可達500米至700米。
賴教授通過調(diào)查對比認為，對于鐵路軟巖或土質(zhì)隧道全斷面施工，應(yīng)開發(fā)更大型的臂式掘進機。2000年石家莊鐵道學(xué)院 (現(xiàn)為石家莊鐵道大學(xué))開展此產(chǎn)品研究，并取得初步成果，完成了截割功率160千瓦的樣機設(shè)計，由于找不到應(yīng)用單位，樣機投產(chǎn)中途停滯至今。作為一種新的施工技術(shù)，除了開發(fā)新的大型臂式掘進機，還應(yīng)研究與施工方法配套的綜合技術(shù)，形成完整的技術(shù)體系，才能進入實用化。
賴教授對筆者說，目前所帶領(lǐng)的軟巖或土質(zhì)隧道臂式掘進機施工技術(shù)項目課題組，綜合考慮該項目主要研究內(nèi)容有三大方面：
一是結(jié)合鐵道軟巖隧道施工新的特點，設(shè)計研制更大型臂式掘進機，截高大于9米，重量150噸左右。為降低能耗，提高工作效率，應(yīng)研究開發(fā)振動截割技術(shù)；行走系和裝運部的抗磨技術(shù)；提高電氣控制系統(tǒng)、液壓傳動與控制系統(tǒng)的可靠性；提高工作機構(gòu)的輔助作業(yè)功能；對于土質(zhì)隧道，要研究高效、抗粘附、耐用的專用截割頭。
二是研究與臂式掘進機施工相適應(yīng)的配套技術(shù)。對于軟巖和土質(zhì)隧道，采用機械開挖時，快速支護是關(guān)鍵。要研究在這種特殊條件下的支護形式和施工方法。對于特別破碎的軟巖和一般土質(zhì)隧道，可以采用拼裝式管片襯砌，要研究管片結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的專用機械。若用更強固的鋼筋網(wǎng)加錨桿支護，也應(yīng)由相應(yīng)機械來完成，才能真正實現(xiàn)支護早、支護快。
三是臂式掘進機加盾殼 (敞開式護盾)的機械化施工模式。以臂式掘進機在工作面前方作為開挖工具，圍巖的支護由盾殼承擔(dān)的施工方式在理論上和技術(shù)上都是可行的。利用盾殼可以徑向注漿加固圍巖，形成加強圈，也可以在盾殼前移后，在盾后施行噴錨、鋼筋網(wǎng)、拱架、管片等支護作業(yè)。與一般全斷面掘進機和盾構(gòu)不同的是盾殼的總體長度較短，前行的步長可根據(jù)掘進機截深實時調(diào)控。機組的造價和運行費用都遠低于盾構(gòu)，更適于短距離的掘進目標(biāo)。這是一個更需要大膽探索的課題。
從與賴教授的談話中，筆者看到了他在攻克鐵路隧道快速施工機械化的關(guān)鍵技術(shù)系列課題項目上所付出的努力和表現(xiàn)出來的工作熱情，同時也感到了他的課題研究項目意義重大。因為隨著我國大規(guī)模鐵路建設(shè)的展開，隧道建設(shè)的數(shù)量將越來越多，建設(shè)標(biāo)準越來越高，建設(shè)條件更加復(fù)雜。貴廣鐵路共新建隧道221 座，總長累計占正線長度的53.9%。蘭渝鐵路線路全長820公里，隧道230座，總長累計占線路總長的72%。如果賴教授的相關(guān)課題項目能夠一一攻破，那么對于我國鐵路隧道建設(shè)施工水平的提高無疑將大有裨益。
賴教授最后充滿激情地說道，總結(jié)近幾年鐵路建設(shè)技術(shù)裝備的發(fā)展過程，我們對推動隧道施工機械化事業(yè)充滿信心。我國高速鐵路路基、橋梁、線路工程重大設(shè)備以及動車組技術(shù)的引進、吸收、再創(chuàng)新過程僅用了幾年時間，我們同樣可以在較短的時間內(nèi)全面實現(xiàn)隧道機械化技術(shù)裝備的研發(fā)，快速推進隧道施工機械化的歷史進程，并與中國隧道建設(shè)者一道開創(chuàng)有中國特色的隧道施工技術(shù)的新時代。
