隧道钻爆法课件-卓越授课用2016.6.5

中国隧道集团有限公司卓越REPORTCONTENTS一、引言二、国内外技术发展现状三、钻爆法全断面快速施工技术四、钻爆法全断面机械化设备配套技术五、隧道施工装备新产品研发六、发展与展望一、引言截至2015年年底，我国铁路营业里程超过12万公里，居世界第2位，其中高铁里程达到1.9万公里，居世界第1位，占世界高铁总里程的60%以上。截至2015年底，我国已有运营铁路隧道13411座，总长13038公里；在建铁路隧道3784座，长度8692公里；已纳入规划的铁路隧道4384座，总长约9345万公里。我国已成为世界上铁路隧道建设规模和建设速度第一的“隧道大国”。面对我国大规模的铁路隧道建设，隧道机械化施工是隧道施工技术发展的必然趋势，是今后隧道建设主流施工模式，也是我国由“隧道大国”向“隧道强国”转变的必由之路。主要基于以下四方面的原因：第一、我国铁路隧道地质条件复杂，隧道机械化快速施工是降低施工安全风险，保证施工安全迫切需求。以2009-2013年我国公路隧道施工事故统计分析为例。所研究的隧道施工事故主要来源于国家安全生产监督管理总局网站和国家统计局网站。据统计分析：2009-2013年我国隧道施工事故33起,造成直接死亡人数161人，在隧道施工事故类型分类中，坍塌、冒顶片帮、爆炸、爆裂、中毒、窒息等包含其中。从总体趋势来说随着隧道工程的发展,工程数量越来越多,事故发生的次数也越来越多。从施工事故类型分析,坍塌事故是重中之重，是隧道施工过程中的第一要害。面对日益严峻的隧道施工安全形势，隧道机械化快速施工是避免隧道修建过程中安全事故频发，导致作业人员群死群伤现象的必然选择0246810122009年2010年2011年2012年2013年671154事故次数01020304050602009年2010年2011年2012年2013年2028514313死亡人数64%9%3%12%6%3%3%坍塌冒顶片帮爆裂爆炸中毒窒息其他第二、面对日益增长的劳动力成本，机械化施工是提高隧道施工效率，减少作业人员数量，降低工程成本的需求。根据国家统计局发布的2014年全国农民工监测调查报告显示，近年来，新生代农民工已经成为农民工的主体，由于择业观念改变，对新一代农民工，建筑业的就业吸引力正在不断下降，导致新生代农民工从事建筑业的比率较低。同时从事建筑行业劳动力成本也逐年增加，特别是隧道施工行业，安全风险高，劳动力成本增长更为突出。39.10%17.30%5.90%7.80%7.80%11.30%10.30%制造业建筑业交通运输业批发零售业住宿餐饮业服务业其他行业02000400060002012年2013年2014年2015年月均收入2015年农民工从事建筑行业比率及2012-2015年月均收入情况与人工相比较，隧道机械化施工无论是从施工效率，作业人员数量及施工成本上具有无可比拟的优势。例如隧道开挖及钢拱架安装等作业工序（如右图所示）。人工作业机械化作业第三、机械化施工是隧道工程文明施工、低碳环保、优质工程的需求。隧道机械化施工具有高效、快速、安全、优质、环保的特点，更能满足文明施工、低碳环保、优质工程需求。第四、开展隧道机械化快速施工是振兴民族工业，节约外汇，提高自主创新能力，提升国家竞争力的需求。我国现阶段隧道施工装备主要立足于进口设备，国产化水平低。开展隧道机械化施工，通过“引进”、“吸收”、“消化”、“再创新”，提升我国自主创新能力，提高国产化装备技术水平，从而振兴民族工业，立足于国产化设备，节约外汇，提升国家竞争力。二、国内外技术发展现状国外发展现状笔者曾随团对欧洲（瑞典、西班牙）隧道机械化施工配套技术进行过考察研究。考察内容主要涉及到开挖、出碴、支护等主要工序以及信息化施工等，对隧道快速施工的设备配套基本涵盖。瑞典西班牙瑞典斯德哥尔摩市北部环城高速公路NL35标隧道工程工程概况隧道全长2.4km，设置为双洞双向4车道（局部为三道），为渐变隧道，平均开挖断面180m2，岩性主要为花岗岩，岩体局部破碎；由于有裂隙水，采用径向及掌子面注浆堵水，工期为开挖支护30个月，加上设备安装工期为48个月。总投资10亿瑞典克朗，折合人民币约11亿元。隧道施工作业线设备配置①开挖生产线设备配置配置2台WE3三臂全电脑凿岩台车（瑞典ATLASCopco）进行钻孔作业，每个掌子面1台，钻孔深度6米；采用1台装药台车装药。凿岩台车同时承担超前支护和锚杆钻孔作业。注浆采用注浆台车（集成了浆液搅拌、注浆泵等设施）。WE3C0三臂电脑台车注浆台车注浆台车上的注浆泵②出碴作业线设备配置大功率装载机装碴（3~3.5m3/斗）、反铲配合，大容量自卸运输车（25T、30T）运输。配置装载机1台/面、反铲1台/面，汽车若干台。现场配置了移动维修工厂及人员。③初支作业线设备配置喷砼采用湿喷法，三联机（湿喷机、存储、泵送，芬兰产）、机械手配合施工，砼运输车运输砼。锚杆施工以凿岩台车钻孔，利用升降车人工安装。现场配置了移动维修工厂及人员。诺麦特砼喷射手西班牙毕尔巴鄂BAILBAO高速公路隧道工程概况毕尔巴鄂隧道为一高速公路隧道，设置为双洞双向4车道，隧道长约3km，位于西班牙毕尔巴鄂市郊，采用全机械化钻爆法先贯通上大半台阶，后施工下台阶的方法进行施工。隧道围岩较破碎，地下水较丰富。工期土建部分5年，总投资1.17亿欧元，折合人民币约11亿元，平均18.3万元/单延米。隧道施工作业线设备配置①开挖作业线设备配置作业面配置1台ATLASCopcoWE3三臂全电脑凿岩台车；1台装药台车装药。WE3三臂全电脑凿岩台车装药台车②出碴生产线设备配置作业面配置1台CAT966H装载机装碴、1台CASE反铲配合，3台以上VOLVOA30D（30T）自卸运输车运输。③初支作业线设备配置1台全液压锚杆台车;1台钢架安装车；1台喷砼三联机机械手（湿喷机、存储、泵送，芬兰产），3台砼运输车。西班牙马德里高速铁路隧道工地工程概况该标段为一座2.08km的EJEL.A.V.高速铁路隧道，位于西班牙首都马德里市郊，隧道上方为运营中的高速公路，附近有部分建筑物，为避免隧道开挖对周边环境造成破坏，隧道开挖采用了悬臂式掘进机。设置为单洞双线，内轨面以上开挖断面85.7m2，以变质石英砂岩为主。隧道进出口①开挖作业线设备配置每个作业面配置1台WIRTH单臂掘进机。隧道施工作业线设备配置②出碴生产线设备配置每个作业面配置1台装载机装碴、1台反铲配合，3台以上25~30T自卸运输车运输。③初支作业线设备配置1台喷砼三联机机械手（湿喷机、存储、泵送，芬兰产），3台砼运输车。④初支作业线设备配置1台12m长衬砌台车（在进口工地组装）。通过对瑞典、西班牙三个国外隧道工地施工机械设备配套技术的专题考察，可见：机械化程度高，配套完整。隧道开挖、出碴运输、钻孔注浆和锚杆施作、初支、喷混凝土、通风和衬砌等各工序都配置了配套的全机械化作业生产线，机械化程度高且完整。作业人员少，安全程度高。3个项目各隧道施工作业人员每班仅7～10人（未含出碴人员），与我们的工序比较，人员仅为1/8～1/12，在出现重大异常时，可以有效杜绝群死群伤的现象。单价高、设备投入量大。如瑞典斯德哥尔摩市北部环城高速公路NL35标隧道单洞延米价格约为23万元，西班牙毕尔巴鄂BAILBAO高速公路隧道的价格约为18.3万元。项目投入设备数量多，固资折旧费用高，使用成本高。国内发展现状我国铁路隧道机械化施工是20世纪80年代开始的，首次运用于衡广复线大瑶山隧道建设，然后在大秦、南昆、京九、西康等铁路建设中推广完善，形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式。可以说，大瑶山隧道是我国铁路隧道钻爆法机械化施工技术发展的标志，20世纪90年代西康铁路秦岭特长隧道则是全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术发展的标志。这两次技术飞越对我国隧道施工技术发展影响甚大。它不仅使隧道施工进度明显加快，而且使人们认识到大规模机械化作业是今后隧道施工技术的发展方向，我国的学者：沈培源（1980）、轩辕啸雯（1984）、宋邦钧（1986）、王梦恕、李桧祥（1997）、万姜林(2003)、貌信光（2008）等结合大瑶山、米花岭、西（安）南（京）铁路桃花铺2#隧道、宜万铁路野山关隧道等隧道工程对长大隧道钻爆法施工机械化配套技术进行了较为详细的研究，并取得了一系列的研究成果。虽然我国铁路隧道建设的规模和总量已经远远领先世界其他国家，成为了名副其实的世界“隧道大国”。但我国的隧道修建技术水平还未迈入世界“隧道技术强国”的先进行列，特别是我国铁路长大隧道机械化快速施工技术水平尚处于初期阶段，以钻爆法为基础的机械化快速施工技术体系尚未形成，总的技术发展速度缓慢，整体技术仍很落后。主要表现在：第一，以钻爆法为基础的机械化快速施工技术体系尚未完成，在机械化作业线设备配套技术、环境控制、施工安全与风险控制、岩溶高压水、大变形治理等方面，许多设备配套关键技术难题尚未取得突破，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。第二，以钻爆法为基础的机械化设备配套在硬岩或围岩稳定性较好的条件下才能实现快速施工，而且作业线的主要设备都立足于从国外引进，自主创新开发的品种少、国产化程度低，主要技术性能参数与铁路隧道现有施工条件不匹配，因而影响作业效率，难以广泛形成先进的机械化作业线，制约了全行业整体技术的全面发展和进步。第三，对于软岩和土质隧道，大多数仍用人工为主的作业，工序循环时间长，围岩扰动大，安全风险高，支护困难，进度缓慢。造成软岩隧道既不能快速施工，也不能形成机械化作业。2009年依托铁道部重大研究计划项目（2009G005）——《隧道围岩稳定性及其控制技术研究》的第7个子课题——《隧道施工机械化配套技术及装备研究》。以贵广铁路、云桂铁路、沪昆铁路等铁路隧道项目，开展了《隧道施工机械化配套技术及装备研究》课题研究。该技术领域先进的科研成果，成功应用于铁路隧道机械化施工实践，取得很好很积极的效果，推动了隧道机械化施工技术的进步。参研单位：中铁隧道集团有限公司、铁道部工程设计鉴定中心、铁道部贵广铁路有限公司中铁西南院有限公司、南车成都隧道装备有限公司、石家庄铁道大学、铁道部经济规划研究院。三、隧道全断面快速施工技术隧道全断面开挖法（fullfaceexcavationmethod）定义：全断面开挖法又称全断面掘进法。按巷（隧）道设计开挖断面，一次开挖到位的施工方法适用范围：隧道钻爆法全断面施工（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ级围岩）缺点：开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大。工序少，相互干扰相对减少，便于施工组织的管理。全断面开挖有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度。全断面一次成型，对围岩的扰动次数减少，对隧道的围岩稳定有利。优点：全断面（带仰拱）施工技术目前隧道钻爆法全断面开挖通常都是先开挖仰拱或者底板以上部分，而后开挖仰拱或者底板部分，进行仰拱回填、二次衬砌，从某种意义上还是二步开挖的方法。带仰拱的全断面开挖与目前不带仰拱的全断面开挖主要区别在于：钻爆开挖时将隧道仰拱同时测量放线、同时装药起爆、同时装运出碴，并将仰拱初期支护与拱墙初期支护一并施作；仰拱初期支护施工完成后，暂未施工仰拱地段再用洞碴回填（掌子面附近需留凿岩台车推进梁钻眼位置），后期仰拱施工时将虚碴转运走再施工仰拱及填充。结合成兰线平安隧道软岩全断面（带仰拱）施工技术研究课题，对隧道钻爆法全断面（带仰拱）施工技术进行阐述。工程概况平安隧道为成兰铁路的重难点工程，为Ⅰ级风险隧道。隧道地质条件差，隧道穿越和临近多条断层带，全段处于地震频发区，隧道围岩主要为千枚岩以及夹千枚岩的砂岩、灰岩、砾岩。隧道正线和辅助坑道设计Ⅳ级、Ⅴ级围岩长度达到43350米，占隧道总长度的85.4%。其中平安隧道正线设计大变形段长度总计11280m，占隧道总长的27.5%。隧道埋深较大，区域应力场较高，软质岩地段可能发生软岩大变形，硬质岩地段可能会发生岩爆。另外还存在着危岩落石、岩堆、岩溶、高地温、瓦斯、放射性和