談隧道施工機械化技術

        我國鐵路隧道機械化施工是自20世紀80年代才開始的，以衡廣復線大瑤山隧道建設為起點，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和設備配套模式。可以說，大瑤山隧道是我國鐵路隧道鉆爆法機械化施工技術發(fā)展的標志，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)施工技術發(fā)展的標志。
　　這兩次技術飛越對我國隧道施工技術發(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的發(fā)展方向。
　　石家莊鐵道大學機械工程學院(原石家莊鐵道學院機械工程分院)教授賴滌泉，長期從事鐵路施工機械、液壓傳動與控制、隧道通風與環(huán)境控制領域的教學和科研工作。他在隧道施工技術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》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，是隧道快速施工關鍵技術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攻關，經(jīng)過一年左右的設計制造及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)模的隧道建設任務，這一點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，技術難度也越來越高。為加快工程建設，必須迅速提高機械化施工技術水平，推進國產(chǎn)化裝備的技術進步。為此，筆者采訪了賴滌泉教授，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鍵技術與裝備攻關改進的最新動態(tài)。
　　鉆爆法施工機械化成套設備攻關
　　近年來，我國隧道鉆爆法施工機械化技術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備如全液壓鑿巖臺車、低污染自卸車、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(xiàn)場，取而代之的是傳統(tǒng)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上通過技術創(chuàng)新和科技攻關，使這些 “土設備”具有比較先進的技術性能、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)和設備生產(chǎn)企業(yè)進行了廣泛深入的交流，走產(chǎn)學研相結合的道路，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棧橋等隧道施工系列設備的完全國產(chǎn)化進行立項研究，分階段進行項目攻關，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)良的裝載設備對提高工效、加快進度起著關鍵作用。
　　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，所以賴教授帶領課題攻關組在國產(chǎn)化研究中重點解決了這些問題。
　　賴教授認為，對于大型技術裝備的國產(chǎn)化開發(fā)，應當走引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的道路。設計理念要新，技術起點要高，同時結合國情，分析引進產(chǎn)品的優(yōu)點與不足，進行必要的技術改進和再創(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。
　　經(jīng)過項目課題組、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?；炷翝駠姍C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，賴教授帶領混凝土噴射機械手課題組，聯(lián)合有關單位進行攻關，主要研究內(nèi)容包括工作機構 (機械手)的運動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(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)隧道施工中應用較少，大多都是手持式風槍人工鉆眼，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，其技術關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優(yōu)化設計研究；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。從目前技術發(fā)展水平看，減少一氧化碳排放技術難度較大，成本也較高，但控制煙霧排放在技術上相對容易，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構優(yōu)化相結合的方法將可以基本實現(xiàn)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。賴教授說，該設備的國產(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，然后將相應的工作機構進行組合和集成，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攻關，因為這些也是鉆爆法隧道施工不可或缺的機械化設備。