****隧道机械设备配套技术
摘 要：通过****隧道的施工实践，探讨了高速公路长大隧道机械设备的选型与配套技术，详细介绍了为提高隧道的施工进度而组建的掘进、锚喷、衬砌三条作业线的机械设备选型及配套。从而保证施工生产工作顺利进行，对其他隧道施工具有借鉴意义。
关键词：****隧道；机械设备配套；施工进度 1.工程概况
**省**公路建设项目为**省“十二五”重点建设项目之一，路线全长62.757km，公路等级为Ⅰ级双向四车道高速公路。其中****隧道全长1165m（左洞1165m，右洞1164m），属分离式隧道。隧道地质复杂，不良地质多，节理裂隙发育，Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道总长的94.6%。隧道进口段210m为小净距隧道，进口处测线间距仅7.38m，属超小净距，同时进口处于坡洪积扇不良地质段，施工难度较大。因地质结构复杂，围岩类型多样，施工工法转换频繁，施工组织难度较大，主要采用台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）施工。隧道长1165m，为公路长大隧道，施工现场地形复杂，施工道路狭窄，交通不便，施工准备时间长，临时设施耗费大。隧道进口受地形限制，进洞困难，采用出口进洞，独头掘进，独头掘进距离长，施工组织和施工机械配套难度较大。 2.施工机械选型原则
施工机械的选型与配套，直接影响隧道施工的工期、质量、安全、成本等。选择机械设备时主要应综合考虑以下几个因素：
⑴施工方案。机械设备的选型与配套应与施工方法相适应。
⑵隧道自身规模。隧道长，投资大，适合大型机械设备发挥其能力，相对摊销成本比较低，比较经济；相反，对于小隧道，使用大量的机械设备，成本过大，再加上设备的调动费用，经济上不合算。
⑶工期。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。因此工期要求紧时，应选择性能好、产量高的设备，且数量要能满足要求。
⑷配套的机械设备之间生产能力相匹配。各种设备之间互相匹配，防止出现部分设备生产能力得不到充分发挥。
⑸机械设备的通用性、易维修性。例如出碴自卸车、装载机等，选该类机械设备时，应考虑机械的通用性、易维修性，一些进口大型机械功效很高，但备用机械零件不通用、不易维修，出故障时反而会影响施工。 3.机械设备选型配套
隧道施工的机械设备配置主要围绕三条作业线进行，即挖装运作业线、锚喷作业线、二次衬砌作业线。除此之外还有风、水、电保障设备。
3.1挖、装、运作业线
⑴开挖
目前国内隧道施工钻孔掘进设备一般两种选择：三臂（或两臂）液压凿岩台车和YT-28风动凿岩机（风枪）。两种设备各有自身特点，对比如表1所示：
表1 三臂液压凿岩台车与YT-28风动凿岩机对比表
序号 1 2 3 4 5 6 7 对比项目 适用开挖工法 使用情况 超欠挖控制 工效 使用成本 通用性、易维修性 其他 三臂液压凿岩台车 全断面法 外形尺寸大、重量大、移动不便 超挖较大、适用于硬岩 YT-28风动凿岩机 各种工法 尺寸小、自重轻、拆卸移动方便 备注 超欠挖控制较好、适用于各种类型围岩 单孔钻孔工效低，可根据工作面情单孔钻孔工效快，可钻6-8m深孔，况，安排多台风枪同时作业，总作但每次仅三孔同时作业。 业时间与三臂台车相差无几。 进口机械，使用成本较高 进口机械，不易维修 可用于岩爆、岩溶等不良地质段 普通设备，使用成本低 普通设备，通用性好、易维修 适用于普通地质状况 根据表1的对比情况，结合现场实际：****隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道总长的94.6%，开挖方法以台阶法、环形开挖预留核心土法为主，综合考虑确定选用YT-28风动凿岩机作为开挖钻孔工具，配备自制钻孔台架，进行开挖掘进作业。根据隧道断面（Ⅲ级围岩86.65㎡，Ⅳ级围岩98.52㎡，Ⅴ级围岩107.2㎡）面积，每个作业面合理配置17台风枪钻孔作业。
⑵出碴运输
常用的隧道出碴运输方式为无轨运输和有轨运输两种，其适用条件如表2所示。
表2 有轨与无轨运输适用条件对比表
序号 1 2 3 4 5 6 对比项目 隧道长度 装运能力 灵活性 经济投入 倒运 环保 有轨运输 特长或长隧道 大 差 大 需二次倒运 污染小 无轨运输 中长隧道或短隧道 一般 好 小 无需二次倒运 污染大 备注
而****隧道全长1165m（左洞1165m，右洞1164m），属长隧道。根据以往施工经验，国内隧道独头掘进在1500m以内多采用无轨运输。综合考虑****隧道采用出口进洞，独头掘进的具体情况，结合有轨与无轨运输适用条件对比表（表2），确定采用无轨运输方式，配备装载机装碴，自卸车将洞碴直接运出洞外。经过比选，出碴自卸车采用陕汽奥龙300型自卸车（最大载重25t）。根据经验，隧道出碴时基础配备3台自卸车：即掌子面1台正在装碴，1台等待装碴，1台弃碴场卸碴。然后根据弃碴运输距离加配车辆，一般加1台/500m。****隧道长1165m，隧道口至弃碴场约500m，弃碴距离为1665m，所以需要加配3台自卸车，如此****隧道出碴需要配备自卸车8台（2台备用）。同时，每个掌子面配备一台装载机用于装碴，经过比选采用龙工LG855B型装载机。施工时，左右线掌子面工序错开，交替出碴作业。
3.2锚喷作业线
锚喷作业即初期支护作业，****隧道Ⅲ级围岩初期支护设计：拱墙φ22药卷锚杆+10cm厚C20喷射混凝土，Ⅳ级围岩初期支护设计：拱墙φ22药卷锚杆+I16钢架+22cm厚C20喷射混凝土，Ⅴ级围岩初期支护设计：拱墙φ25中空锚杆+I20钢架+26cm厚C20喷射混凝土。根据经验，锚杆作业采用YT-28风枪即可。而初期支护中工作量最大的是喷射混凝土作业，目前国内隧道施工喷射混凝土作业一般采用小型混凝土喷浆机，需要大量人工配合作业，存在效率低，污染大，回弹大，拌合料浪费大的缺点。
经过市场调查和比选，确定采用耿力PZ-7I自动上料喷浆机。自动上料喷浆机是目前国内较为先进的喷浆专用设备，它以提高效率，降低污染为研发目的，解决了传统喷浆机使用中人工手动上料的弊端，从而改变了以往喷浆工序上存在的“低效率、高能耗、高回弹、污染大”的特点。两种机械的性能对比见表3。
表3 小型混凝土喷浆机和自动上料喷浆机对比表
序号 1 2 3 4 5 6 对比项目 工效 能耗 污染情况 配合人工 购买成本 其他 小型混凝土喷浆机 工效低，3～5m3/h 自动上料喷浆机 工效高，7～9m3/h*2 备注 含2台喷浆机 含2台喷浆机 能耗高，人工上料，喷浆机空转率高 能耗低，自动上料，喷浆机空转率低 污染大，人工上料，粉尘严重。 人工上料，配合工人较多， 需5～7人/台 价格低，约9000元/台 污染相对较小，自动上料，粉尘相对较少。 自动上料，配合工人少， 需2～3人/台 价格相对高，约99000元/台 自动上料，省料、省工；自带动力行人工上料，材料浪费较大；移动不便，走，移动方便，施工准备时间较短，施工准备时间长，约30min。 约15min。 根据以上表3中两种混凝土喷浆机的对比，结合人工成本及施工实际情况，综合考虑确定每个掌子面配备1台自动上料喷浆机用于喷射混凝土作业。 3.3二次衬砌作业线
根据设计图纸和施工生产任务，****隧道二次衬砌采用12m液压式整体钢模衬砌台车，共配置3台：左右洞普通段各配置1台，隧道紧急停车带加宽段配置1台。每台衬砌台车两天一个作业循环，完全保证了衬砌5m/d的目标。
隧道出口配置了2台山东联创HSZ50型混凝土自动拌和站，生产能力50m3/h，配备1台龙工LG855B装载机为配料机装料。采用4台12m3斯太尔混凝土罐车运输混凝土，每个掌子面配备1台HTB60混凝土输送泵进行混凝土灌注。
另外每个二次衬砌作业面配备1台自制防水板施工台车，用于防水板和二衬钢筋施工。 3.4施工通风设备
施工通风也是长大隧道施工的难点，必须通过风量、风压的计算和比选来确定通风机的型号。 ⑴通风要求 ① 风速
洞内风速要求：隧道全断面开挖时应不小于V=0.15m/s。
②风量
在隧道内每人需要新鲜空气不宜小于4m3/min。 ⑵通风设计
① 根据同一时间，洞内工作人员最大人数计算需风量 Q1=K.M.Qn
K—风量备用系数，采用1.2
M—同时在洞内工作人数（取95人，隧道开挖30人，初期支护20人，仰拱施工15人，二次衬砌施工20人，其他施工人员10人）
Qn—每人工作人员所需新鲜空气，取4m3/min 计算得：Q1=456m3/min。 ② 按照风速要求计算需风量 Q2=60VA=60×0.15×110=990 m3/min V—风速0.15 m/s A—隧道断面110㎡ ③风机风量计算：
风管直径1.5m，通风距离1200m；百米损耗率p100=1%，则风管漏风系数 p =
1?1?p100?L100=
1?1?0.01?1200100=1.13
取以上计算需风量的最大值990 m3/min，则 最大需风量为Q=PQ=1.13×990=1118.7 m3/min ④风压的计算 P=λ×
Lρ× D212000.7×=4.2KPa。
21.5λ-达西系数取0.015；D-风管直径配φ1.5m；L-供风长度取1200m（最长通风距离），ρ取0.7 则风机的风压P=0.015×⑶风机选型
根据计算，隧道左右洞各配置陕西华威风机SDF（C）-N012.5型风机1台，功率为2×110KW，采用φ1.5m风筒管路进洞。参照风机性能曲线图（见下页），风机风量Qm=1462.5 m3/min时，风压P=5KPa＞4.2KPa。
⑷通风管
通风管选用抗静电阻燃风管，直径为1.5m，综合考虑风管漏风情况和易维修性，模板台车至洞口风管每节100m，二衬至掌子面风管每节30m。
⑸隧道风机、风管配置数量表
表4 风机、风管配置数量表
编号 1 2 风机型号 SDF（C）-N012.5 φ1500抗静电、阻燃风管 风量 （m3/min） 1350～2912 风压 Pa 1378～5355 高效风量 转速 最高功最大电机功（m3/min） （r/min） 率（kw） 率（kw） 2385 1480 216 110×2 数量 2台 2400m 3.5高压供风设备
隧道内每个掌子面配备17台风枪，1台自动上料喷浆机。根据1台风枪需风量3.5m3/min，1台自动上料机需风量28m3/min，共同作业需要风量87.5m3/min。根据市场调查和比选，确定采用新型24m3/min螺杆式空压机，根据需风量配置5台该型号空压机（1台备用）。高压风管采用φ150mm无缝钢管，供风枪、喷浆机、风镐等动力用风。 3.6施工用电设备
计算所有用电设备得最大额定功率和为1099kw，需用系数取0.85，得隧道施工所需最大用电负荷为934kw。在隧道出口安装2台630KVA变压器接当地10kv高压线路，变压后提供施工用电。同时配置2台100kw发电机组，供停电时应急使用。 3.7高压供水
隧道出口面临河流，经检验该水水质能满足施工要求，施工用高压水泵将河水引到高位水池，经管道引至拌和站以及施工现场。
高位水池的相对高度，以水到达最高工作面时的水压不小于3kg/cm2为准，折合水柱为30m。考虑管道中的沿程摩擦阻力损失和局部损失以及洞口与最高工作面之间的高差。根据水力学有关公式计算，综合考虑，一般1000 m左右的隧道高位水池与最高工作面之间的高差应为45～50m。经计算高位水池修建标高见下表：
表5 高压水池配置表
高位水池位置 ****隧道出口 高位水池标高（m） 2120 选址 洞口山顶上，抽水方便 高压水管选择φ108钢管；水池的输出管应设总闸阀，干路管道每隔300m应安装闸阀一个，以便维修和控制管道。 4.结束语
****隧道采用出口进洞，分左右线两个工作面施工，于2013年9月18日进洞，截止至目前，
取得了平均月成洞125m，最高月掘进295m的好成绩。经过这一年多的施工实践证明，三条机械化作业线设备选型得当、配套合理，满足了****隧道快速施工的要求。
参考文献
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[2]关宝树.隧道工程施工要点集[M]，北京：人民交通出版社，2003.
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