洞隧建设的主要掘进模式及其成套设备应用

21世纪以来中国经济取得高速发展，庞大密集的人口、大规模的开发建设，使得有限的土地资源不堪重负，直接威胁到中国经济的持续发展和人们生存生活。地下隧洞与地下空间作为一种新型应用资源，日益受到国家重视和倡导。特别是关系国计民生的城市地铁、公路、铁路、水利、水电建设领域的交通隧道、引水隧洞、地下厂房获得大规模开发利用。
　　洞隧开挖施工主要有钻爆法、全断面掘进机法、沉管法、浅埋暗挖法等方法。钻爆法涵盖传统的矿山法和新奥法，顾名思义，就是采用钻眼爆破进行开挖。全断面掘进机法包括TBM掘进机及盾构掘进机，TBM适用于硬岩地层，盾构适用于土质围岩，尤其适用于软土、流沙、淤泥等特殊地层。沉管法则用来修建水底隧道、城市市政隧道等。浅埋暗挖法主要用来修建埋深很浅的山岭隧道或城市地铁隧道。本文将围绕钻爆法和全断面掘进机法两种主要掘进工法及其成套设备应用展开探讨。
　　1、钻爆法掘进模式及其成套设备应用
　　钻爆法是传统的隧洞施工工法，通过在岩体上钻凿出一定孔径和深度的炮眼，并装上炸药进行爆破，从而达到开挖的目的。
　　其施工工艺过程如下：定位钻孔→装填引爆炸药→排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土→装碴运碴→安装边墙锚杆和喷混凝土→喷射拱部第二层混凝土和隧洞底部混凝土→下一轮循环→在初次支护稳定后，进行二次衬砌。
　　钻爆法具有施工灵活，隧洞断面形状尺寸可变、地质适应性强、设备费用相对低廉的优点，因而目前在我国山岭隧道及大地下空间开发中占主导地位。
　　国外的施工经验表明，只有当山岭隧道长度与直径之比大于600，即对于一般的单线铁路隧道，长度大于5.4km的隧道，采用 TBM施工才能体现其综合经济性。因此山岭隧道中短于5.4km的隧道几乎都是钻爆法设备施工的天下。据有关资料统计，2006年仅在建客货共线、客运专线和拟建客运专线中短于3km的隧道已达1071.077km，占2006年总里程的45.62%，如果计算3～5.4km的隧道，其所占比例将超过50%。
　　在长大山岭交通隧道开凿中，钻爆法施工仍然大有作为，如全长14.295km的大瑶山隧道，全长18.4km的秦岭隧道2号线，长度为5.1km的左线和长度为5.2km的右线雁门关公路隧道等都是采用钻爆法设备施工完成。
　　尤其是水利水电隧洞，它的洞室空间大多大大超过最大TBM掘进机的直径，且洞隧断面大小形状渐变变化（如引水隧洞前大后小）、体形互不相同，众多洞隧布置紧凑、起伏错落、纵横交织，这样的地下工程也只能用钻爆法施工。如溪洛渡电站工程的导流隧洞长度为1.2～1.5km, 衬砌断面为16m×21m( 宽×高)，开挖断面达17.2m×22.2m～19.6m×24.6m, 进口渐变段的最大开挖断面更达27.0m×26.0m，对于如此大断面隧洞快速施工，只能钻爆法设备施工完成。而巨大的地下厂房更是非钻爆法施工莫属。
　　据我们所知，已经建成或在建的广蓄、二滩、万家寨、太平驿、天荒坪、大朝山、三峡、棉花滩、洪家渡、构皮滩、锦屏一、二级、小湾、糯扎渡、龙滩、溪洛渡、向家坝以及引大入秦、南水北调引水隧道等除个别外都是由钻爆法设备施工建设。
　　显然，对于占50%以上交通隧道中短隧道、部分长隧道工程，大空间、大直径的水电隧洞工程，非圆形断面隧洞工程，地质与水文地质条件极差（如溶洞多、断层多、渗水、涌水、泥石流，长距离破碎带）的工程，钻爆法设备施工具有明显的应用优势。
　　我国钻爆法施工常用配套设备如下：
　　为了快速、安全掘进隧洞，国外钻爆法施工通常采用凿岩台车钻孔、锚杆台车安装锚杆、混凝土喷射台车喷锚支护，衬砌台车二次成型衬砌。这也是国内钻爆法设备的应用发展方向。下面对此类主要施工设备应用探讨如下：
　　1.1　凿岩台车
　　凿岩台车是钻孔爆破开挖的关键攻坚设备，它机械化程度高、钻进速度快，不仅用于隧洞的凿岩开挖，而且广泛用于钻孔、喷锚支护、灌浆加固中。
　　现在国内工地上的液压凿岩台车绝大部分从国外进口，主要制造商包括瑞典的Atlas、Sandvik，挪威的AMV公司等。由于增加了车载电脑，使凿岩台车具有很高的人机对话功能，能在凿岩过程中自动修整凿石参数和自动纪录钻孔数据，可以对岩层进行分析，从而及时调整爆破参数。
　　1.2　锚杆台车
　　锚杆台车主要完成隧洞的锚杆安装，加固洞室顶拱与边壁的岩石。
　　锚杆台车是当今先进的锚杆施工机具，钻孔、安装锚杆、注浆，甚至摘取锚杆各工序均由自行台车上的遥控机械手(液压支臂)进行。工作高度可达10余米，装设一根锚杆耗时约2～7 min，每班可装100余根。目前国内工地上使用的有瑞典的Atlas、芬兰的Tamrock等锚杆台车产品。
　　1.3　喷射台车
　　喷射台车是隧洞喷射混凝土支护的核心设备，它将喷射混凝土技术和注浆锚杆结合起来，依靠锚杆、钢丝网和喷射混凝土共同负荷来提高隧道、基坑、边坡岩体的结构强度，增强岩体的整体稳定性。喷射台车利用压缩空气或其他动力,按一定配比拌制混凝土沿管路输送至喷头,以较高速度垂直喷射于受喷面,依赖喷射过程中水泥与骨料的