隧道工程機(jī)械化施工的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

馮世春

（云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，昆明 650000）

1 研究背景

在路橋施工中，機(jī)械化作業(yè)已基本代替了人力勞動(dòng)，尤其是在隧道工程中，其逐漸被用于具有危險(xiǎn)性的高強(qiáng)度工作中，成為社會(huì)生產(chǎn)生活必不可少的工具。與此同時(shí)，人工費(fèi)也在逐年增加。在這一背景下，新科技、新工藝、新材料的應(yīng)用，讓我國(guó)工程機(jī)械化施工發(fā)展成為趨勢(shì)，不僅很大限度地實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化和智能化，還在提高施工效率的同時(shí)，有效地降低了成本[1，2]。

在工程實(shí)踐中工法、工藝不斷提升和不斷運(yùn)維的前提下，隧道工程越來(lái)越長(zhǎng)、越來(lái)越寬，且工程技術(shù)越來(lái)越難、越來(lái)越復(fù)雜。目前，我國(guó)隧道工程施工技術(shù)如圍巖監(jiān)控量測(cè)反饋分析技術(shù)、圍巖穩(wěn)定技術(shù)、支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)技術(shù)等已發(fā)展成熟，其中大部分技術(shù)已處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，甚至一些技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但必須意識(shí)到的是，現(xiàn)階段我國(guó)隧道工程新型機(jī)械裝備大面積應(yīng)用還有很多不足，故而本文主要針對(duì)該情況對(duì)隧道工程施工機(jī)械進(jìn)行了分析。

2 隧道工程施工方法及機(jī)械現(xiàn)狀

2.1 隧道開(kāi)挖

在隧道開(kāi)挖工序中，主要工法有鉆爆法、非鉆爆法。在施工過(guò)程中，主要的施工流程為開(kāi)挖、鑿孔及爆破；在工作過(guò)程中要注意支護(hù)、通風(fēng)照明、防塵等。目前，隧道工程施工主要采用新奧法，普遍采用的機(jī)械有鑿巖機(jī)械、裝渣及運(yùn)輸機(jī)械，非爆破法主要有盾構(gòu)法、TBM 法。

在鑿巖機(jī)械方面，主流采用的工程機(jī)械為氣動(dòng)鑿巖機(jī)，而最多的是風(fēng)鉆。風(fēng)鉆采用氣水聯(lián)動(dòng)、氣腿快速退回、氣壓調(diào)節(jié)等機(jī)構(gòu)，其控制手柄集中于柄體，機(jī)構(gòu)新穎、操作方便，且配備的消音罩能降低噪聲和隨意改變排氣方向，能夠改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件；此外，風(fēng)鉆炮口直鉆孔深度可達(dá)5 m。在高速公路隧道施工中，通常一個(gè)全斷面掌子面需要配備風(fēng)鉆15～18 臺(tái)，人工20 人，一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間4 h，市場(chǎng)水平工人人工費(fèi)8 000 元/（月/ 人）。

在高速公路特長(zhǎng)隧道施工中，采用全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)適用于二臺(tái)階或全斷面開(kāi)挖等施工方法（見(jiàn)圖1）。目前，國(guó)內(nèi)先進(jìn)的全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配置有超前地質(zhì)鉆探功能，可以快速探明前方溶洞、瓦斯等，并根據(jù)鉆孔信息形成地質(zhì)報(bào)告[3]。一般來(lái)說(shuō)，全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)能夠自動(dòng)加桿鉆探φ45 mm～φ142 mm 的探孔，鉆孔深度可達(dá)30～50 m。全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)WMD 地質(zhì)分析軟件通過(guò)對(duì)鉆孔信息的收集形成地質(zhì)云圖，直觀反應(yīng)掌子面前方地質(zhì)情況。通過(guò)綜合分析掌子面前方情況，不僅能夠更科學(xué)地判定前方地質(zhì)情況，而且還能對(duì)掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行分類，從而為現(xiàn)場(chǎng)施工提供準(zhǔn)確的依據(jù)。根據(jù)超前地質(zhì)鉆探結(jié)果，可確定下一步開(kāi)挖方案，以保障在安全可控的前提下進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

圖1 全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)

全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配套有爆破設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)機(jī)械自帶的軟件將隧道各項(xiàng)參數(shù)導(dǎo)入后，可以建立隧道輪廓斷面并設(shè)計(jì)炮孔。施工時(shí)，通過(guò)分析器可進(jìn)行掌子面炮孔定位，并自動(dòng)生成炮孔點(diǎn)位、深度及角度等。通常情況下，操作手完全按照電腦顯示控制炮孔的角度和深度，如圖2 所示。

圖2 全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)控制室

通過(guò)電腦控制炮孔的角度和深度，可以最大化地提高鉆孔質(zhì)量，并有效提升循環(huán)進(jìn)尺和爆破效果。循環(huán)進(jìn)尺能夠達(dá)到4.5 m/ 循環(huán)，超欠挖能控制在15 cm 內(nèi)。全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)配置高效液壓鑿巖機(jī)，沖擊功率達(dá)31.9 kW，且能夠自動(dòng)控制鑿巖機(jī)開(kāi)孔、防卡釬、防空打功能?，F(xiàn)場(chǎng)鉆5 m 炮孔成孔時(shí)間在1.5～2 min，一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間1.5 h，1 臺(tái)全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)只需2 名操作手，人工費(fèi)15 000 元/（月/ 人）。

根據(jù)2 種開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備進(jìn)行成本分析對(duì)比，見(jiàn)表1。

由表1 可知：（1）全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖工作效率是傳統(tǒng)風(fēng)鉆人工開(kāi)挖的2.7 倍；（2）在安全上，采用全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖減少了施工掌子面的作業(yè)人員數(shù)量，僅需2 人操作，而采用人工開(kāi)挖需要20 人左右。

表1 隧道開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備選型對(duì)比

采用全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖時(shí)，操作人員基本上在已經(jīng)支護(hù)好的段落進(jìn)行作業(yè)，且在封閉的駕駛室內(nèi)操作，因此，施工安全系數(shù)大幅度提升。此外，由于全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)采用封閉駕駛室，因此，可以把噪聲降低到75dB 以下，以防止工作人員患?jí)m肺病、聽(tīng)力喪失等職業(yè)病。在成本方面，全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)可以多個(gè)工地周轉(zhuǎn)使用，按機(jī)械5 年折舊計(jì)算，雖然采用全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)成本較高，但對(duì)于工期在2 a 以上的隧道施工成本相差不大，即工期越長(zhǎng)成本增加越不明顯。

但是，全智能三臂鑿巖臺(tái)車(chē)體形巨大，不適用三臺(tái)階法、CD 法及CRD 法等軟巖開(kāi)挖工法。所以，對(duì)不同的圍巖應(yīng)針對(duì)性地采取相應(yīng)機(jī)械設(shè)備，設(shè)備的制造還需與工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合更深入地開(kāi)發(fā)，或者從工法上更深入地研究，以適用隧道工程施工。

2.2 裝渣及運(yùn)輸機(jī)械

在隧道工程施工中，出渣作業(yè)占了整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的40%，因此，對(duì)裝渣及運(yùn)輸機(jī)械的研究是提高掘進(jìn)工作的重點(diǎn)。

為了滿足隧道工程的施工要求，并適應(yīng)大斷面和全斷面開(kāi)挖的需要，裝渣機(jī)械正發(fā)展高效連續(xù)裝碴和無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備。目前，舊式的有軌運(yùn)輸設(shè)備已基本被淘汰，當(dāng)下國(guó)內(nèi)主要有正裝側(cè)卸式裝載機(jī)裝渣、自卸運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

然而，就裝渣及運(yùn)輸機(jī)械現(xiàn)狀而言，其還沒(méi)有更好的機(jī)械設(shè)備，同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)該道工序研究還處于空白，因此，機(jī)械設(shè)備還需要進(jìn)一步研發(fā)。

2.3 隧道初支及噴錨

隧道初期支護(hù)在隧道施工中是最危險(xiǎn)的一道工序。目前，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始采用多功能立架臺(tái)車(chē)和濕噴機(jī)械臂進(jìn)行施工，多功能立架臺(tái)車(chē)由于采用機(jī)械替代人力，1 個(gè)立架班由原來(lái)的8人減少到4 人。其主要意義體現(xiàn)在：

1）大大降低人工投入，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少安全風(fēng)險(xiǎn)；

2） 濕噴機(jī)械臂由原來(lái)的1 個(gè)噴漿班6 人減少到2 人，工效提高、用電量減少、噴射回彈量減少，從而大大降低了施工成本與粉塵，使整體施工環(huán)境得以提升，隧道施工更加安全。

2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)有1 個(gè)可以移動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)外殼（盾殼），內(nèi)裝有開(kāi)挖刀盤(pán)、排土、拼裝襯砌和推進(jìn)等機(jī)械裝置，并采用了液壓、機(jī)電控制、測(cè)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)的一體化施工，在歐美等國(guó)被廣泛使用。其中，以美國(guó)、德國(guó)、日本的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械最先進(jìn)。

在我國(guó)，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，這大大降低了盾構(gòu)機(jī)成本。但受鋼材、機(jī)械制造技術(shù)等限制，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)往往斷面較小，主要應(yīng)用在地鐵隧道、水利工程引水洞等小斷面隧道施工中，高速公路隧道應(yīng)用極少。但可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著國(guó)內(nèi)材料學(xué)的發(fā)展、機(jī)械制造技術(shù)的提高，發(fā)展大斷面盾構(gòu)機(jī)將成為未來(lái)趨勢(shì)。

2.5 TBM掘進(jìn)

TBM 掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)、電、液、光和信息等多項(xiàng)技術(shù)于一體的隧道機(jī)械設(shè)備，一次完成隧道開(kāi)挖、排碴與襯砌，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高效、快速、智能化、自動(dòng)化施工。因此，其又稱工程機(jī)械的“航空母艦”。

隨著20 世紀(jì)90 年代初國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)工程引入盾構(gòu)法和TBM 法，盾構(gòu)和TBM 法不斷應(yīng)用于公路隧道、鐵路隧道、水利隧洞、煤礦巷道、核工業(yè)地下空間、國(guó)防隧道等工程，施工工法創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，有力推動(dòng)了我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)使用數(shù)量超過(guò)1 000 臺(tái)套。

高速公路、鐵路隧道多位于山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣。該問(wèn)題對(duì)于TBM 選型難度極高，所以也是制約推廣的主要原因之一。另外，TMB 掘進(jìn)機(jī)雖然工作效率極高，但一次性投入很大，一臺(tái)直徑為13 m 單護(hù)盾設(shè)備價(jià)格約為2 億元，資金占用率極高，而項(xiàng)目結(jié)束后當(dāng)機(jī)械處于閑置時(shí)，保養(yǎng)費(fèi)用觀，約為800 萬(wàn)元/a。

3 隧道工程機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)

3.1 工程機(jī)械的自動(dòng)化與智能化

隨著材料技術(shù)、工程制造技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)械車(chē)載計(jì)算機(jī)輔助土方作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)，主要指通過(guò)研究土方機(jī)械動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，對(duì)工程機(jī)械的各工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，該技術(shù)主要利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)土方機(jī)械的作業(yè)工況、作業(yè)介質(zhì)和機(jī)器狀況進(jìn)行分析并反饋給操作人員，從而讓工作人員能夠及時(shí)了解施工狀況并進(jìn)行處理?？梢哉f(shuō)，工程機(jī)械中自帶的分析和決策程序，是工程機(jī)械自動(dòng)化和智能化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

3.2 工程機(jī)械的成套化與系統(tǒng)化

成套化和系統(tǒng)化是工程機(jī)械發(fā)展的主要趨勢(shì)和必然趨勢(shì)。國(guó)外許多著名大公司已逐步實(shí)現(xiàn)了其產(chǎn)品系列化進(jìn)程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時(shí)，產(chǎn)品能夠通過(guò)中央控制室的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械各個(gè)部分的有機(jī)結(jié)合和施工工序的協(xié)調(diào)配合。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)各個(gè)企業(yè)的隧道工程機(jī)械裝備水平參差不齊，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有很大距離。目前國(guó)內(nèi)人工成本雖然直線上升，還未達(dá)到頂峰，但人工成本一定會(huì)不斷增長(zhǎng)，而由于人工費(fèi)水平還未達(dá)到一定水平，且新型機(jī)械不能得到大面積推廣、價(jià)格虛高、機(jī)械裝備也存在一些缺點(diǎn)，因此當(dāng)人工費(fèi)超過(guò)一定水平時(shí)，機(jī)械化自動(dòng)化施工必然會(huì)是工程發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的推廣研發(fā)來(lái)說(shuō)，并不是施工單位一方能做到的，同時(shí)大型機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化、智能化、成套化、系統(tǒng)化并不是純粹的施工問(wèn)題，也是一個(gè)企業(yè)的管理問(wèn)題，需多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)難題。對(duì)此，施工企業(yè)要在裝備制造業(yè)上加大投入研發(fā)或聯(lián)合大型機(jī)械設(shè)備制造商戰(zhàn)略合作進(jìn)行研發(fā)，并與先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)等結(jié)合，走在技術(shù)前沿，讓工程行業(yè)與裝備制造業(yè)互相融入，以共同解決我國(guó)隧道施工中的安全管理、成本管理等問(wèn)題，從而進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)隧道施工的發(fā)展。