一、緒論
（一）國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
青藏鐵路是我國(guó)鐵路網(wǎng)的重要組成部分，全長(zhǎng)約1933km，沿線高寒缺氧、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，凍土特性也各不相同。其中的風(fēng)火山隧道海拔約4900m，昆侖山隧道海拔約4700m.地處高原多年凍土地段的高寒缺氧地區(qū)，嚴(yán)酷的自然環(huán)境使得機(jī)械和人力的工作效率大大降低，一般常用的開(kāi)挖方法和施工機(jī)械在凍土地區(qū)很難適應(yīng)。因此，高原多年凍土地段的隧道開(kāi)挖成為一個(gè)困擾人們的技術(shù)難題。俄羅斯、加拿大、美國(guó)和南美一些國(guó)家在多年凍土區(qū)或高原地區(qū)修建過(guò)許多鐵路、公路以及其他土建工程。我國(guó)也在凍土區(qū)修筑過(guò)鐵路，主要是在大小興安嶺地區(qū)的亞林線和嫩林線，但在高原多年凍土地區(qū)修建鐵路尚屬首次。因此，在高原多年凍土區(qū)修建鐵路隧道沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，還有許多施工技術(shù)難題尚待研究加以解決。
在鐵路隧道施工中，除大部分主要工序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化作業(yè)外，還有許多輔助工序的施工是由人力來(lái)完成的，這種狀況與青藏線高原缺氧的條件完全不相適應(yīng)，為了提高工作效率、減輕人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，必須采用小型機(jī)械來(lái)代替人工完成輔助工序的作業(yè)，即使不能用機(jī)械代替的作業(yè)，也應(yīng)使人員的勞動(dòng)強(qiáng)度保持左中等強(qiáng)度以下：隧道分部開(kāi)挖時(shí)用耙斗裝巖機(jī)代替人力翻碴、用防干擾棧橋施作仰拱、用挖掘機(jī)撿底挖水溝、用液壓長(zhǎng)臂反鏟找頂代替人工撬危石等等。小型機(jī)械最好能一機(jī)多用，如小型液壓挖掘機(jī)，除撿底及挖溝外，換上液壓錘，則可對(duì)大塊石碴進(jìn)行破碎，配上長(zhǎng)臂，則可用于找頂……
在輔助工序中，噴射混凝土上料和把持噴頭的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，且過(guò)去的噴射混凝土上料機(jī)及噴射機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)型單一，不能滿足噴射機(jī)的配套要求，必須結(jié)合青藏鐵路隧道施工要求對(duì)其進(jìn)行配套研究，提高噴射混凝土工序施工機(jī)具的匹配性能。
（二）研究?jī)?nèi)容及要達(dá)到的目標(biāo)
1．主要研究?jī)?nèi)容
(1)采用小型機(jī)械代替人工作業(yè)的研究。在高原缺氧條件下，人力勞動(dòng)的效率極低，采用小型機(jī)械代替人工作業(yè)可大大提高工作效率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)調(diào)研優(yōu)化比選出合適的小型機(jī)械選型使輔助工序作業(yè)機(jī)械化。
(2)噴射混凝土上料及噴射機(jī)械手的簡(jiǎn)化研究。噴射混凝土的上料及噴射機(jī)械手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)型單一，不能滿足噴射機(jī)的配套要求，結(jié)合青藏線隧道施工對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化研究，以提高噴射混凝土工序施工機(jī)具的匹配性能。
2．要達(dá)到的目標(biāo)
提高隧道施工機(jī)械化作業(yè)水平，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高人工的作業(yè)效率。
二、小型機(jī)械化配套研究
（一）小型機(jī)械代替人工作業(yè)的研究
在鐵路隧道施工中有許鄉(xiāng)輔助工序的施工是由人力來(lái)完成的，這種狀況與青藏線高原缺氧的條件完全不相適應(yīng)。為了提高工作效率、減輕人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，必須用小型機(jī)械來(lái)代替人工完成輔助工序的作業(yè)，即使不能用機(jī)械代替的作業(yè)，也應(yīng)使人員的勞動(dòng)強(qiáng)度保持在中等強(qiáng)度以下。針對(duì)小型機(jī)械，如分部開(kāi)挖施工用的耙斗裝巖機(jī)、撿底挖水溝用的挖掘機(jī)、找頂用的液壓長(zhǎng)臂反鏟、施作仰拱用的抗干擾平臺(tái)等等對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)的優(yōu)化比選及適應(yīng)性研究，以提出合適的配套機(jī)械選型。
1．耙斗裝巖機(jī)拋碴
借鑒煤礦巷道斜井施工的成功經(jīng)驗(yàn)，采用耙斗裝巖機(jī)及其配套設(shè)備來(lái)完成隧道分部開(kāi)挖法的上部出碴（拋碴）作業(yè)，將會(huì)很好地解決人工拋碴所帶來(lái)的問(wèn)題。
根據(jù)昆侖山隧道施工的具體情況，將有關(guān)廠家生產(chǎn)的耙斗裝巖機(jī)（斗容0.3～0.6m，）的技術(shù)性能參數(shù)進(jìn)行比選，最后推薦生產(chǎn)的PY-60B型耙斗裝巖機(jī)，或生產(chǎn)的P60B型耙斗裝巖機(jī)，其性能參數(shù)如下：
技術(shù)生產(chǎn)率(m3/min)： 80 ~100
耙斗容積(m3)： 0.6
主電動(dòng)機(jī)功率(kW)： 14
電壓(V)： 380.660
轉(zhuǎn)速( r/min)： 980
軌距(mm)： 600.750.762.900
外形尺寸(mm)： 7730×1850×2340機(jī)重(kg)： 6140
2．小型挖掘機(jī)撿底挖水溝為降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，推薦使用小型液壓挖掘機(jī)來(lái)完成隧道撿底及開(kāi)挖水溝的作業(yè)。從移動(dòng)方便與否考慮，輪胎式液壓挖掘機(jī)較好，表1列出了部分輪胎式挖掘機(jī)的技術(shù)性能參數(shù)。
此外，還有徐州重型機(jī)械廠，合肥萬(wàn)方礦山機(jī)械股份有限公司、成都神鋼建設(shè)機(jī)械公司等生產(chǎn)的輪胎式挖掘機(jī)也可選擇。國(guó)外的廠家如英國(guó)JCB公司生產(chǎn)的812型(0.5m，)、814型(0.6m3)、816型(0 .5m3)挖掘機(jī)，美國(guó)CASE公司生產(chǎn)的480E、488P液壓挖掘機(jī)，卡特彼勒公司生產(chǎn)的206、212、214B、224型液壓挖掘機(jī)、ALPINE公司和Liebherr公司生產(chǎn)的小型液壓挖掘機(jī)、日本小松公司生產(chǎn)的PW270～PW100型液壓挖掘機(jī)以及美國(guó)、西歐國(guó)家的有關(guān)廠家生產(chǎn)的輪胎式小型液壓挖掘機(jī)等也可選擇。這些挖掘機(jī)大都可選擇多種配件完成相應(yīng)的作業(yè)，如配液壓錘可沖擊破碎大塊巖石避免改炮、配凍土斗可在冰凍地區(qū)挖掘凍土等等。西合線黃砂嶺隧道即用大宇輪胎式挖掘機(jī)來(lái)?yè)斓缀屯谒疁稀Ｐ⌒偷模ǘ啡菰?.6m2以下）履帶式挖掘機(jī)也可完成隧道撿底和挖水溝的工作，它對(duì)隧道底部的破壞較輪胎式的挖掘機(jī)小，但其移動(dòng)不太方便，價(jià)格也相對(duì)較貴。
3．反鏟挖掘機(jī)找頂
隧道在裝藥爆破后、噴射混凝土支護(hù)前，為了確保后續(xù)工作的安全性，保證噴層的質(zhì)量，必須對(duì)拱頂?shù)奈ＪM(jìn)行清除（即常說(shuō)的找頂作業(yè)）。小型機(jī)械難于到達(dá)隧道拱部進(jìn)行找頂作業(yè)，可選擇較大型的機(jī)械來(lái)代替人工作業(yè)，履帶式較輪胎式對(duì)隧道底部的破壞更小，建議選用履帶式。
在國(guó)外，日本隧道工程歷來(lái)在液壓挖掘機(jī)上配備液壓破巖錘，作為爆破后找頂、隧道周邊整形及仰拱整形的輔助工具。在瑞典隧道工程中，有的將TEX250型液壓破碎式撬毛臂安裝在裝載機(jī)斗臂上進(jìn)行找頂工作，撬毛臂的技術(shù)參數(shù)如下：
沖擊能量(J): 240
沖擊頻率(Hz)： 15
工作油壓(MPa)： 10
油流量( L/min)： 70
重量(kg)： 240
芬蘭塔姆洛克公司生產(chǎn)的SCALERDH420型及SCALERDH495型找頂機(jī)，其撬碴頭采用具有足夠沖擊力的液壓沖擊錘，可把松動(dòng)的巖石撬落，但不會(huì)擾動(dòng)牢固的圍巖，這兩種找頂機(jī)皆為輪胎式，在車(chē)輛工作臂下備有推土板，以清掃隧道底板上的散落石渣，其主要技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)風(fēng)火山隧道和昆侖山隧道，建議采用履帶式液壓反鏟挖掘機(jī)（加長(zhǎng)臂桿型或加長(zhǎng)斗桿型），如日立EX210LC( H15)-5型找頂機(jī)，其比壓約為0.15MPa，最大挖掘半徑可達(dá)15.3m。
4．防干擾棧橋施作仰拱
隧道仰拱的施作往往影響到運(yùn)輸作業(yè)的順利進(jìn)行，特別是在仰拱施作必須緊跟開(kāi)挖面（當(dāng)圍巖不好時(shí)，仰拱與開(kāi)挖面間距不到10 m）的時(shí)候更是如此。昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道均設(shè)計(jì)有仰拱，且仰拱要及時(shí)跟上開(kāi)挖和支護(hù)，以及時(shí)形成封閉環(huán)承受載荷。為達(dá)到隧道開(kāi)挖的運(yùn)輸與仰拱施作互不干擾，最好的解決辦法是采用防干擾棧橋，運(yùn)輸車(chē)輛可正常通過(guò)棧橋上的軌道進(jìn)行運(yùn)輸，而棧橋下則可進(jìn)行撿底、挖水溝以及仰拱澆筑作業(yè)等。針對(duì)昆侖山和風(fēng)火山隧道的設(shè)計(jì)、施工機(jī)械配套、軌道布置與承受載荷等進(jìn)行了仰拱防干擾棧橋方案設(shè)計(jì)。
（二）噴射混凝土上料及噴射機(jī)械手的配套研究
1．噴射混凝土上料
噴射混凝土是隧道及地下洞室施工初期支護(hù)的主要手段之一，但卻是地下工程中作業(yè)條件最惡劣的施工工序，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極大。采用人工上料，噴射機(jī)的生產(chǎn)率為8m3／h，用4個(gè)工人上料，則每人應(yīng)上料2m3／h（近4500kg），這種勞動(dòng)強(qiáng)度在平原地區(qū)也是超重體力勞動(dòng)。而在建造大斷面的隧道時(shí)，希望噴射沒(méi)備的生產(chǎn)能力為l5m3／h或更大，此時(shí)再采用人工上料已是不現(xiàn)實(shí)的了，若采用機(jī)械手實(shí)施噴射，生產(chǎn)率可高達(dá)20rri3／h，因此，必須用機(jī)械快速上料來(lái)滿足噴射機(jī)的生產(chǎn)率。
上料機(jī)械的生產(chǎn)率應(yīng)大于噴射機(jī)的生產(chǎn)率，并要求在不自帶動(dòng)力的情況下，可以軌行或輪胎行走。對(duì)于只進(jìn)行干式噴射的情況，為減少設(shè)備投資，可用皮帶式上料機(jī)。如果既需干噴，也需濕噴，則上料采用螺旋輸送機(jī)，因濕噴時(shí)的混凝土坍落度較大，采用螺旋輸送機(jī)上料可將混凝土進(jìn)一步攪拌，且漿液也不會(huì)流失，更有利于保證噴射混凝土層的質(zhì)量。
螺旋輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
螺旋生產(chǎn)率(m3／h)： 10 接料高度(mm)： <1000
卸料高度(mm)： ≥1500 螺旋轉(zhuǎn)速(rpm)： 65
外形尺寸( mm)： 3600×1200×2260 輪對(duì)直徑(mm)： ∮350
軌距(mm)： 900 軸距(mm)： 2050
螺旋傾角(o): 18—25
皮帶運(yùn)輸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
帶速( m/s)： 0.5—0.8 輸送量(m／h)： Q= 25～40
帶寬( mm)： 400 功率(kW)： 2.2
外形尺寸( mm)： 4000×1100×1870 輪對(duì)直徑(mm)： 300
軌距(mm)： 900 接料高度(mm)： 1000
卸料高度(mm)： 1530
2．噴射混凝土機(jī)械手
噴射混凝土?xí)r，如果由工人操持噴嘴進(jìn)行噴射，骨料的反彈及噴射產(chǎn)生的粉塵對(duì)施噴人員具有極其嚴(yán)重的危害性。對(duì)于生產(chǎn)率高的噴射機(jī)，特別是在采用濕噴時(shí)，由于噴射壓力的增加和噴嘴及軟管內(nèi)混凝土的重量，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度更大。考慮到勞動(dòng)的安全性，必須使用機(jī)械手來(lái)代替人工噴射。隨著我國(guó)濕噴混凝士技術(shù)的不斷提高及其廣泛應(yīng)用，機(jī)械手的研究應(yīng)用將具有廣闊的前景。
用機(jī)械手噴射混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn)；
(1)有可伸縮的較長(zhǎng)臂桿，可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離噴射作業(yè)，免去了費(fèi)時(shí)費(fèi)工的搭腳手架工作；
(2)可在安全地點(diǎn)遙控機(jī)械手作業(yè)，避免了回彈物的傷害；
(3)笨重的噴嘴、軟管以及噴射時(shí)的后坐力均由機(jī)器承受，從而減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；
(4)可按噴混凝土規(guī)程實(shí)施噴射，使混凝土噴層的質(zhì)量得到保證；
(5)可減輕噴射粉塵（包括速凝劑有毒霧狀物）對(duì)施工人員的危害。
對(duì)于青藏線風(fēng)火山和昆侖山隧道，由于地處高寒地區(qū)，施工時(shí)更應(yīng)考慮盡量用機(jī)械手來(lái)代替人力勞動(dòng)，噴射混凝土支護(hù)的規(guī)范實(shí)施更應(yīng)采用機(jī)械手。通過(guò)對(duì)收集到的資料進(jìn)行優(yōu)化比選后，確認(rèn)山東科技大學(xué)研制由山東濟(jì)南山川機(jī)器人工程公司生產(chǎn)的PRJ系列噴混凝土機(jī)器人較好。這種機(jī)器均可實(shí)施干嘜和濕噴，能滿足風(fēng)火山和昆侖山隧道噴射混凝土要求，因此特推薦使用中型PRJ型機(jī)械手。PRJ型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)如下：
機(jī)身最大寬度（含走行機(jī)構(gòu)）(m)： 2
機(jī)身最大高度（含走行機(jī)構(gòu)）(m)： 2.9
混凝土噴射率(m3/h)： 6～l6
噴射行程(m): 1.596
噴嘴縱向轉(zhuǎn)角(°)： ±45
噴嘴橫向轉(zhuǎn)角(°)： ±45
噴射高度(m)： ≤10
運(yùn)載機(jī)械： 軌行、輪胎、腰帶式車(chē)輛
這種機(jī)械手能自動(dòng)地保持噴嘴與受?chē)娒娲怪鼻冶３肿罴丫嚯x，噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡可按設(shè)計(jì)的程序任意調(diào)節(jié)，無(wú)論是干噴還是濕噴，均可自動(dòng)控制加水量，具有遙控和全自動(dòng)控制功能并可以迅速互換。這種機(jī)械手采用的是模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與國(guó)外的機(jī)械手相似，是目前國(guó)內(nèi)最好的機(jī)種之一。簡(jiǎn)易機(jī)械手噴射出來(lái)的混凝土不能保證噴層的高質(zhì)量，不宜采用。
三、結(jié)論及建議
青藏鐵路格拉段風(fēng)火山隧道和昆侖山隧道，其海拔高度近5000m，地處高原高寒地段，其自然條件極其惡劣：氣壓低、空氣含氧量低、氣候嚴(yán)寒多變、紫外光照射強(qiáng)、日照長(zhǎng)、風(fēng)沙大等，因此，施工人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率和機(jī)械、車(chē)輛的動(dòng)力輸出性能均會(huì)嚴(yán)重降低。為了更高效優(yōu)質(zhì)地完成隧道施工任務(wù)，應(yīng)盡量使有關(guān)的施工工序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化作業(yè)以達(dá)到“高效、快速”的施工目標(biāo)。
(1)對(duì)于隧道撿底及挖水溝作業(yè)，建議采用小型輪胎式液壓挖掘機(jī)（換凍土斗可在隧道外挖凍土層）代替人工作業(yè)；
(2)為減少分部開(kāi)挖時(shí)的扒碴和裝碴難度，建議采用耙斗裝碴機(jī)來(lái)扒碴和裝碴；
(3)為防止仰拱施工作業(yè)與掘進(jìn)運(yùn)輸作業(yè)干擾，建議采用仰拱棧橋來(lái)通過(guò)運(yùn)輸車(chē)輛，并進(jìn)行新型防干擾棧橋的研制；
(4)為提高找頂作業(yè)的工作效率和作業(yè)安全性，建議采用長(zhǎng)臂液壓反鏟，并進(jìn)行隧道施工多功能機(jī)械的研制，如在鑿巖臺(tái)車(chē)上安裝找頂機(jī)或新型多功能臺(tái)架等；
(5)對(duì)于臨時(shí)支護(hù)，為把工人從繁重的體力勞動(dòng)及惡劣的施工環(huán)境中解脫出來(lái)，建議將混凝土上料輸送機(jī)、混凝土噴射機(jī)和噴混凝土機(jī)械手配套使用，并進(jìn)一步進(jìn)行配套技術(shù)研究與配套設(shè)備的研制。
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