談隧道施工機(jī)械化技術(shù)

        我國(guó)鐵路隧道機(jī)械化施工是自20世紀(jì)80年代才開(kāi)始的，以衡廣復(fù)線大瑤山隧道建設(shè)為起點(diǎn)，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(jī)械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式。可以說(shuō)，大瑤山隧道是我國(guó)鐵路隧道鉆爆法機(jī)械化施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，20世紀(jì)90年代西康鐵路秦嶺特長(zhǎng)隧道則是全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。
　　這兩次技術(shù)飛越對(duì)我國(guó)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(rèn)識(shí)到大規(guī)模機(jī)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(jī)械工程學(xué)院(原石家莊鐵道學(xué)院機(jī)械工程分院)教授賴滌泉，長(zhǎng)期從事鐵路施工機(jī)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(jī)械化方面具有豐富研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，先后主持省、部級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目8項(xiàng)，發(fā)表論文30多篇，出版著作兩部，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)7項(xiàng)次。賴教授主持研究的《秦嶺特長(zhǎng)鐵路隧道施工技術(shù)》獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
　　2009年，他又主持攻克了一項(xiàng)鐵路隧道施工機(jī)械化的項(xiàng)目——“WZ330型隧道挖裝機(jī)國(guó)產(chǎn)化”項(xiàng)目。該項(xiàng)目是鐵道部2009年科技計(jì)劃項(xiàng)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(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過(guò)一年左右的設(shè)計(jì)制造及40多天、200多個(gè)小時(shí)的廠內(nèi)試驗(yàn)，WZ330型隧道挖裝機(jī)于2009年9月18日成功下線。
　　沒(méi)有機(jī)械化，就不會(huì)有快速施工，就難以在較短時(shí)期內(nèi)完成各類大規(guī)模的隧道建設(shè)任務(wù)，這一點(diǎn)目前在鐵路建設(shè)施工企業(yè)中已形成共識(shí)。而其他各種施工技術(shù)也必須在機(jī)械化條件下來(lái)實(shí)施，并且要與機(jī)械化施工的要求相適應(yīng)才能繼續(xù)發(fā)展下去。
　　21世紀(jì)是隧道與地下工程更加迅速發(fā)展的世紀(jì)。未來(lái)20年，我國(guó)交通隧道的工程規(guī)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(shè)，必須迅速提高機(jī)械化施工技術(shù)水平，推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化裝備的技術(shù)進(jìn)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(xì)地介紹了我國(guó)隧道施工機(jī)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(jī)械化成套設(shè)備攻關(guān)
　　近年來(lái)，我國(guó)隧道鉆爆法施工機(jī)械化技術(shù)水平有逐步下降的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后大量引進(jìn)的一些先進(jìn)設(shè)備如全液壓鑿巖臺(tái)車、低污染自卸車、噴錨三聯(lián)機(jī)等設(shè)備因投入大、臺(tái)班費(fèi)用高已逐步退出施工現(xiàn)場(chǎng)，取而代之的是傳統(tǒng)的人工鑿巖、國(guó)產(chǎn)設(shè)備裝渣運(yùn)渣、小型濕噴機(jī)噴漿襯砌等。再加之我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，勞動(dòng)力價(jià)格低，可顯著降低工程造價(jià)，施工企業(yè)對(duì)國(guó)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(shì)。他想，如果在這些低成本配套的基礎(chǔ)上通過(guò)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(jìn)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(guó)現(xiàn)階段國(guó)情、更有普遍推廣應(yīng)用前景的機(jī)械化配套模式。
　　最近10年來(lái)，賴教授通過(guò)大量的隧道施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，與國(guó)內(nèi)的工程施工企業(yè)和設(shè)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(jié)合的道路，分別針對(duì)測(cè)量、劃線、鉆孔作業(yè)需要的多工位鉆孔臺(tái)架，裝渣作業(yè)需要的挖掘式裝載機(jī)，運(yùn)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(tái)和噴射機(jī)械手，襯砌作業(yè)需要的拼裝式　(組合式)襯砌臺(tái)車，鋼拱架安裝作業(yè)需要的拱架安裝機(jī)組，防水板鋪設(shè)作業(yè)需要的防水板鋪設(shè)機(jī)，管棚及超前鉆探作業(yè)需要的鉆注一體化機(jī)組，仰拱施工需要的仰拱模板臺(tái)架及移動(dòng)棧橋等隧道施工系列設(shè)備的完全國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行立項(xiàng)研究，分階段進(jìn)行項(xiàng)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(jī)為例：賴教授在實(shí)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(shí)間，優(yōu)良的裝載設(shè)備對(duì)提高工效、加快進(jìn)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(dá)到與運(yùn)輸設(shè)備相配套的要求。但是挖掘式裝載機(jī)和一般其他裝渣設(shè)備不同，它是通過(guò)專門的刮板輸送機(jī)將石料裝入后續(xù)運(yùn)輸車輛，作業(yè)空間小，作業(yè)效率高。在多工位鉆孔臺(tái)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(jié)能，工作面環(huán)境好。目前，施工單位普遍采用的是從德國(guó)引進(jìn)的ITC312挖掘裝載機(jī)。該機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，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(shí)能做到裝運(yùn)與錨噴、鉆孔、測(cè)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(shè)備。但是引進(jìn)的ITC312型挖掘裝載機(jī)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(jī)寬度較窄，整機(jī)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(guó)產(chǎn)化研究中重點(diǎn)解決了這些問(wèn)題。
　　賴教授認(rèn)為，對(duì)于大型技術(shù)裝備的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，應(yīng)當(dāng)走引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的道路。設(shè)計(jì)理念要新，技術(shù)起點(diǎn)要高，同時(shí)結(jié)合國(guó)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(jī)型相比，WZ330型挖裝機(jī)需要在提高裝載能力、提高整機(jī)工作穩(wěn)定性、擴(kuò)大整機(jī)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(jià)等六大方面進(jìn)行攻關(guān)。
　　經(jīng)過(guò)項(xiàng)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(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)WZ330型挖裝機(jī)已于2009年9月18日成功下線，樣機(jī)正在進(jìn)行各種工況下的工程應(yīng)用試驗(yàn)。賴教授高興地對(duì)筆者說(shuō)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)際的應(yīng)用效果優(yōu)于引進(jìn)的原裝產(chǎn)品。
　　混凝土噴射機(jī)械手也是賴教授十分感興趣的隧道施工機(jī)械，因?yàn)椴捎没炷羾娚錂C(jī)械手進(jìn)行噴漿作業(yè)對(duì)改善工人勞動(dòng)條件十分重要?；炷翝駠姍C(jī)能在惡劣的工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均勻地噴敷混凝土，在作業(yè)過(guò)程中還可調(diào)節(jié)噴射角度、速度，使其達(dá)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(jìn)的機(jī)械手價(jià)格高，不適于普遍推廣，但如果能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格就會(huì)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(jī)械手課題組，聯(lián)合有關(guān)單位進(jìn)行攻關(guān)，主要研究?jī)?nèi)容包括工作機(jī)構(gòu) (機(jī)械手)的運(yùn)動(dòng)軌跡和多桿空間機(jī)構(gòu)優(yōu)化、噴錨工藝與工作流程、整機(jī)結(jié)構(gòu)形式和工作參數(shù)的匹配及優(yōu)化等。賴教授對(duì)筆者說(shuō)，這一課題成果2010年即將問(wèn)世。
　　鑿巖臺(tái)車是隧道施工的典型施工機(jī)械，對(duì)于較堅(jiān)硬、完整性較好的圍巖條件，鑿巖臺(tái)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(shì)。但是目前鑿巖臺(tái)車在國(guó)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(dòng)強(qiáng)度較大，因此急需以機(jī)械化的施工模式來(lái)替代。目前國(guó)內(nèi)也有廠家生產(chǎn)鑿巖臺(tái)車，但賴教授認(rèn)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(tái)車，其技術(shù)關(guān)鍵是研究高性能液壓鑿巖機(jī)和深孔鉆具、鉆桿，國(guó)內(nèi)曾長(zhǎng)期開(kāi)展研究，但進(jìn)展緩慢，與國(guó)外產(chǎn)品差距較大；二是多自由度鉆臂的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；三是臺(tái)車動(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(zhǔn)確性。在賴教授的主持攻關(guān)下，目前這一產(chǎn)品課題項(xiàng)目也取得了很大進(jìn)展。
　　自卸車目前已普遍用于隧道施工，但是國(guó)產(chǎn)自卸車的缺點(diǎn)是尾氣排放量大，且一氧化碳及煙霧濃度高。賴教授認(rèn)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(guó)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(duì)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，但若能顯著減少煙霧的排放，對(duì)于改善隧道施工的整體環(huán)境也很有意義，值得認(rèn)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?xì)浠衔铩⑷╊?、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(jī)外凈化的一項(xiàng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法將可以基本實(shí)現(xiàn)控制污染排放的目標(biāo)。
　　鉆注一體機(jī)在國(guó)外隧道施工中已較成功地應(yīng)用，這是針對(duì)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(shuō)，該設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化重點(diǎn)是需要對(duì)鉆桿注漿、攪拌和壓漿等施工工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，然后將相應(yīng)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合和集成，形成功能較強(qiáng)的鉆注一體機(jī)。
　　另外，賴教授對(duì)多工位鉆孔臺(tái)架、拼裝式　(組合式)襯砌臺(tái)車、拱架安裝機(jī)組、防水板鋪設(shè)機(jī)、仰拱模板臺(tái)架及移動(dòng)棧橋等施工機(jī)械也作了深入研究和技術(shù)攻關(guān)，因?yàn)檫@些也是鉆爆法隧道施工不可或缺的機(jī)械化設(shè)備。