铁路隧道机械化施工设备选型研究
１ 工程概况
某山区铁路正线全长５６５.２ｋｍ，设计速度２５０ｋｍ／ｈ，并预留３００ｋｍ／ｈ的提速条件。土建一标ＴＪ１的桩号为ＤＫ５６＋９６０～ＤＫ１０５＋８００，共有１０座隧道，隧道长度占路线总长度的６８.５％。隧道风险等级均为二级，最大埋深约２５５ｍ，初期支护方式为“钢拱架＋喷射混凝土＋锚杆”，二次衬砌采用模筑混凝土。仰拱面最高处与最低处的高差为２００ｃｍ，采用Ｃ３０混凝土一次性浇筑而成。隧道位于低山丘陵地貌，地形复杂，地势起伏大，山体自然坡度为２５°～３５°，岩性复杂多样，以粉质黏土、页岩、灰岩等为主，岩体较破碎，节理裂隙发育，层间结合力差，围岩等级为Ⅳ级。隧道进口端和出口端位于沟谷内，施工交通不便。地表水系发达，地下水以基岩裂隙水为主，埋藏较深，无腐蚀，主要受大气降水、侧向径流等补给。
２ 隧道掘进作业线设备选型
２．１ 凿岩设备
在进行隧道掘进施工时，凿岩是关键工序。传统铁路隧道凿岩普遍采用风动凿岩机，其凿岩速度较慢（０.１～０.７ｍ／ｍｉｎ）、劳动强度大、需配置的施工人员多、凿岩位置距离掌子面近，掌子面的坍塌、落石等不利于施工人员的安全。为提高隧道开挖效率、保证施工安全，建议采用凿岩台车代替风动凿岩机。
按液压凿岩机数量不同，可将凿岩台车分为单臂凿岩台车、双臂凿岩台车、三臂凿岩台车等。一般情况下，隧道开挖断面越大，所需的钻臂越多。为选择合适的凿岩设备，文章对比多种凿岩台车在不同开挖断面下的工效（每小时凿岩长度），结果如表１所示。由表１可知，当隧道断面为４５ｍ²时，三臂凿岩台车的作业优势无法充分发挥，其工效与双臂凿岩台车基本相同；当隧道断面≥５５ｍ²时，三臂凿岩台车的工效最高。该铁路隧道的单洞断面面积约６５ｍ²，宜选择三臂凿岩台车进行隧道掘进施工。
２．２ 出渣设备
出渣是隧道掘进的重要工序，也是制约隧道整体施工进度的重要因素。目前，铁路隧道出渣多采用无轨运输方式，即先利用挖掘机和装载机扒渣、装渣，再利用自卸汽车将洞渣运输至弃渣场。
在选择自卸汽车时，应考虑隧道掘进单循环的出渣量。单循环出渣量Ｚ的计算公式如下：
式中：Ｒ为岩土松胀系数；Ｋ为超挖系数；Ｌ为单循环进尺，ｍ；Ｓ为隧道断面面积，ｍ²。
该隧道单循环出渣量为２２０～２５０ｍ³，可采用运输容量为２０ｍ³的自卸汽车运渣。在运渣过程中，应预留一定数量的自卸车备用。若条件允许，可与路基、桥梁等施工工序联动，合理利用资源。
３ 隧道支护作业线设备选型
３．１ 初期支护设备
（１）喷射混凝土设备。根据《铁路隧道工程施工安全技术规程》（ＴＢ１０３０４—２０２０），应采用湿喷工艺喷射混凝土。传统铁路隧道施工多采用湿喷机���其作业灵活、适应性强，但施工效率偏低。近年来，湿喷机械手技术逐渐成熟，开始应用于铁路隧道施工中。文章对比湿喷机、单臂湿喷机械手、双臂湿喷机械手在不同隧道断面面积下的工效（每小时喷射混凝土方量），得到喷射混凝土设备工效对比曲线，具体如图１所示。由图１可知，在相同隧道断面面积下，湿喷机的工效最低，双臂湿喷机械手的工效最高。当隧道断面面积分别为３０ｍ²、４５ｍ²、６５ｍ²、７５ｍ²时，双臂湿喷机械手的工效相对湿喷机分别提高了２６５.８％、２９１.６％、３５０.０％、３６０.５％，单臂湿喷机械手的工效相对湿喷机分别提高了８１.９％、８１.７％、８０.９％、７７.９％。
双臂湿喷机械手的尺寸较大，在隧道断面面积较小时难以充分发挥作业优势。随着隧道断面面积的增加，双臂湿喷机械手的作业空间增大，工效基本呈线性正相关。当隧道断面面积从３０ｍ²增至７５ｍ²，双臂湿喷机械手的工效累计提高９.６ｍ³／ｈ。隧道断面面积每增加１ｍ²，双臂湿喷机械手的工效平均提高０.２１ｍ³／ｈ。因此，建议该铁路隧道选用双臂湿喷机械手作为喷射混凝土设备。
（２）拱架安装设备。隧道掌子面开挖后，需及时安装钢拱架，以控制围岩变形，防止隧道冒顶或塌方。为解决上述问题，可引入拱架安装台车。按臂数不同，可将拱架安装台车分为单臂台车、双臂台车、三臂台车等。不同臂数的拱架安装台车作业过程存在差异，其中单臂台车只有１个支撑点，安装就位难度大，作业时间较长，只能安装整体式或焊接完成的钢架；双臂台车有２个支撑点，可在现场连接钢架；三臂台车基本可覆盖整个隧道断面，连接钢架效率更高。文章对简易台架、单臂台车、双臂台车、三臂台车对钢拱架的安装工效（安装一榀钢拱架需要的时间）进行详细对比，得到拱架安装设备工效对比曲线，具体如图２所示。由图２可知，在相同隧道断面面积下，双臂台车和三臂台车的工效最高，单臂台车的工效次之，简易台架的工效最低。当隧道断面面积≤３０ｍ²时，三臂台车的作业空间受限，难以充分发挥作业优势，使得三臂台车的工效和双臂台车的工效基本相同；当隧道断面面积≥４５ｍ²时，三臂台车逐渐适应断面尺寸，其工效明显高于双臂台车的工效，且隧道断面面积越大，三臂台车的优势越明显。总之，建议该铁路隧道采用三臂台车安装拱架。
３．２ 防水板设备
在初期支护施工完成后、二次衬砌施工前，应及时铺设防水板。该项目引入新型防水板铺设台车。该台车设置２条滑轨及自动提升装置，只需简单的人工辅助便可完成防水板的铺设。应用防水板铺设台车后，隧道每幅排水板的平均铺设时间由８ｈ缩短至５ｈ，施工人员数量从６个缩减至３个，有利于控制施工进度、质量及成本。
３．３ 二次衬砌设备
传统二衬模板台车多采用技术成熟、易脱模的门架式台车，但其横向占用面积较大，会影响隧道内其他车辆的行驶。因此，该铁路隧道二次衬砌施工引入无门架式模板台车。无门架式模板台车的数量应结合台车长度、单循环时间、搭接长度等因素确定。假设该隧道二次衬砌的单循环时间为４８ｈ、模板台车长度为１２.５ｍ、搭接长度为０.５ｍ，则隧道二次衬砌每月最多施工１５组，每月最高进度为１８０ｍ；若每月二衬衬砌的进度计划超过１８０ｍ，应安排２台模板台车，以免施工步距超标。
４ 隧道仰拱作业线设备选型
为保证铁路隧道仰拱的封闭位置与掌子面距离满足ＴＢ１０３０４—２０２０要求，提高仰拱施工质量，该隧道应用了仰拱快速施工设备。该设备主要由仰拱模架、中心沟模架、端头梁、栈桥和走行设备组成。以端头梁为界限，可将仰拱施工区域分为两个工作区，其中第一工作区包括隧底开挖、隧底出渣、清底，第二工作区包括仰拱模板安装、混凝土浇筑及仰拱模板拆除。第一工作区和第二工作区采用流水作业，仰拱快速施工作业分区如图３所示。
５ 结论
（１）隧道掘进宜采用三臂凿岩机，并利用挖掘机、装载机、自卸汽车将洞渣运至弃渣场。
（２）隧道初期支护时，可采用双臂湿喷机械手喷射混凝土，采用三臂台车安装钢拱架。
（３）隧道初期完成后，可采用无门架式模板台车施工二次衬砌，台车数量的确定应考虑台车长度、单循环时间、搭接长度等因素。
（４）隧道仰拱快速施工设备可分为两个工作区，且两个工作区之间采用流水作业，互不干扰，显著提高了施工效率。