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(kāi)始的，以衡廣復線(xiàn)大瑤山隧道建設為起點(diǎn)，然后在大秦、南昆、京九、西康等鐵路建設中推廣完善，形成了多種機械化施工成套技術(shù)和設備配套模式?？梢哉f(shuō)，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)展的標志，20世紀90年代西康鐵路秦嶺特長(cháng)隧道則是全斷面硬巖掘進(jìn)機(TBM)施工技術(shù)發(fā)展的標志。
　　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(jìn)度明顯加快，而且使人們認識到大規模機械化作業(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(lài)滌泉，長(cháng)期從事鐵路施工機械、液壓傳動(dòng)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(shí)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(zhù)作兩部，獲省部級科技進(jìn)步獎7項次。賴(lài)教授主持研究的《秦嶺特長(cháng)鐵路隧道施工技術(shù)》獲國家科技進(jìn)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(lài)滌泉教授為首的課題小組就開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過(guò)一年左右的設計制造及40多天、200多個(gè)小時(shí)的廠(chǎng)內試驗，WZ330型隧道挖裝機于2009年9月18日成功下線(xiàn)。
　　沒(méi)有機械化，就不會(huì )有快速施工，就難以在較短時(shí)期內完成各類(lèi)大規模的隧道建設任務(wù)，這一點(diǎn)目前在鐵路建設施工企業(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(lái)實(shí)施，并且要與機械化施工的要求相適應才能繼續發(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(lái)20年，我國交通隧道的工程規模將越來(lái)越大，技術(shù)難度也越來(lái)越高。為加快工程建設，必須迅速提高機械化施工技術(shù)水平，推進(jìn)國產(chǎn)化裝備的技術(shù)進(jìn)步。為此，筆者采訪(fǎng)了賴(lài)滌泉教授，他結合自己的研究課題，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(jìn)的最新動(dòng)態(tài)。
　　鉆爆法施工機械化成套設備攻關(guān)
　　近年來(lái)，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，主要表現在20世紀80年代后大量引進(jìn)的一些先進(jìn)設備如全液壓鑿巖臺車(chē)、低污染自卸車(chē)、噴錨三聯(lián)機等設備因投入大、臺班費用高已逐步退出施工現場(chǎng)，取而代之的是傳統的人工鑿巖、國產(chǎn)設備裝渣運渣、小型濕噴機噴漿襯砌等。再加之我國勞動(dòng)力資源豐富，勞動(dòng)力價(jià)格低，可顯著(zhù)降低工程造價(jià)，施工企業(yè)對國外技術(shù)依賴(lài)程度也降低了。
　　賴(lài)教授從這種現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上通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新和科技攻關(guān)，使這些 “土設備”具有比較先進(jìn)的技術(shù)性能、作業(yè)線(xiàn)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階段國情、更有普遍推廣應用前景的機械化配套模式。
　　最近10年來(lái)，賴(lài)教授通過(guò)大量的隧道施工現場(chǎng)調查，與國內的工程施工企業(yè)和設備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了廣泛深入的交流，走產(chǎn)學(xué)研相結合的道路，分別針對測量、劃線(xiàn)、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(chē)或有軌車(chē)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(chē)，鋼拱架安裝作業(yè)需要的拱架安裝機組，防水板鋪設作業(yè)需要的防水板鋪設機，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(dòng)棧橋等隧道施工系列設備的完全國產(chǎn)化進(jìn)行立項研究，分階段進(jìn)行項目攻關(guān)，從理論到實(shí)踐都取得了積極進(jìn)展。
　　以WZ330型隧道挖裝機為例：賴(lài)教授在實(shí)地調研中發(fā)現，鉆爆法施工中裝渣工序占用大約60%的作業(yè)時(shí)間，優(yōu)良的裝載設備對提高工效、加快進(jìn)度起著(zhù)關(guān)鍵作用。
　　目前鐵路隧道施工所使用的裝載設備品種較多，也基本上能達到與運輸設備相配套的要求。但是挖掘式裝載機和一般其他裝渣設備不同，它是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的刮板輸送機將石料裝入后續運輸車(chē)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(shí)進(jìn)行就有了可能性，從而縮短循環(huán)時(shí)間，加快開(kāi)挖速度，提高功效并且安全、快速、節能，工作面環(huán)境好。目前，施工單位普遍采用的是從德國引進(jìn)的ITC312挖掘裝載機。該機采用電力驅動(dòng)，工作面環(huán)境較好；能連續裝載，效率高；在合理組織施工時(shí)能做到裝運與錨噴、鉆孔、測量等平行作業(yè)，縮短循環(huán)時(shí)間；加之所需作業(yè)空間較小、故障少等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為重點(diǎn)工程的首選裝渣設備。但是引進(jìn)的ITC312型挖掘裝載機不僅價(jià)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，整機穩定性差，液壓系統維修不方便等，所以賴(lài)教授帶領(lǐng)課題攻關(guān)組在國產(chǎn)化研究中重點(diǎn)解決了這些問(wèn)題。
　　賴(lài)教授認為，對于大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，應當走引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng )新的道路。設計理念要新，技術(shù)起點(diǎn)要高，同時(shí)結合國情，分析引進(jìn)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)與不足，進(jìn)行必要的技術(shù)改進(jìn)和再創(chuàng )新。與引進(jìn)機型相比，WZ330型挖裝機需要在提高裝載能力、提高整機工作穩定性、擴大整機工作范圍、提高刮板輸送系統和履帶行走系統的抗磨能力、提高液壓電氣系統的抗磨能力、有效控制造價(jià)等六大方面進(jìn)行攻關(guān)。
　　經(jīng)過(guò)項目課題組、工程施工單位和設備生產(chǎn)企業(yè)的通力協(xié)作，按以上思路開(kāi)發(fā)的國產(chǎn)WZ330型挖裝機已于2009年9月18日成功下線(xiàn)，樣機正在進(jìn)行各種工況下的工程應用試驗。賴(lài)教授高興地對筆者說(shuō)，試驗數據表明，實(shí)際的應用效果優(yōu)于引進(jìn)的原裝產(chǎn)品。
　　混凝土噴射機械手也是賴(lài)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(jìn)行噴漿作業(yè)對改善工人勞動(dòng)條件十分重要?；炷翝駠姍C能在惡劣的工作環(huán)境下實(shí)現自動(dòng)均勻地噴敷混凝土，在作業(yè)過(guò)程中還可調節噴射角度、速度，使其達到最佳狀態(tài)，盡量減少回彈。賴(lài)教授調查發(fā)現，目前引進(jìn)的機械手價(jià)格高，不適于普遍推廣，但如果能實(shí)現國產(chǎn)化，價(jià)格就會(huì )大大降低，就有條件普遍采用。所以，賴(lài)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(jìn)行攻關(guān)，主要研究?jì)热莅üぷ鳈C構 (機械手)的運動(dòng)軌跡和多桿空間機構優(yōu)化、噴錨工藝與工作流程、整機結構形式和工作參數的匹配及優(yōu)化等。賴(lài)教授對筆者說(shuō)，這一課題成果2010年即將問(wèn)世。
　　鑿巖臺車(chē)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(chē)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(chē)在國內隧道施工中應用較少，大多都是手持式風(fēng)槍人工鉆眼，勞動(dòng)強度較大，因此急需以機械化的施工模式來(lái)替代。目前國內也有廠(chǎng)家生產(chǎn)鑿巖臺車(chē)，但賴(lài)教授認為還需在以下方面進(jìn)行深入研究。一是開(kāi)發(fā)全液壓鑿巖臺車(chē)，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，國內曾長(cháng)期開(kāi)展研究，但進(jìn)展緩慢，與國外產(chǎn)品差距較大；二是多自由度鉆臂的機構優(yōu)化設計研究；三是臺車(chē)動(dòng)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(lài)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(jìn)展。
　　自卸車(chē)目前已普遍用于隧道施工，但是國產(chǎn)自卸車(chē)的缺點(diǎn)是尾氣排放量大，且一氧化碳及煙霧濃度高。賴(lài)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(chē)變成低污染自卸車(chē)。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(shí)還不能有效控制一氧化碳排放，但若能顯著(zhù)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(lèi)、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(shí)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(guò)濾及排氣管結構優(yōu)化相結合的方法將可以基本實(shí)現控制污染排放的目標。
　　鉆注一體機在國外隧道施工中已較成功地應用，這是針對地質(zhì)構造情況復雜、施工難度較大的隧道施工的一把利器。賴(lài)教授說(shuō)，該設備的國產(chǎn)化重點(diǎn)是需要對鉆桿注漿、攪拌和壓漿等施工工藝進(jìn)行系統研究，然后將相應的工作機構進(jìn)行組合和集成，形成功能較強的鉆注一體機。
　　另外，賴(lài)教授對多工位鉆孔臺架、拼裝式　(組合式)襯砌臺車(chē)、拱架安裝機組、防水板鋪設機、仰拱模板臺架及移動(dòng)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備。