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行業(yè)新聞
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談隧道施工機械化技術(shù)
我國鐵路隧道機械化施工是自20世紀(jì)80年代才開始的,以衡廣復(fù)線大瑤山隧道建設(shè)為起點,然后在大秦、南昆、京九、西康等鐵路建設(shè)中推廣完善,形成了多種機械化施工成套技術(shù)和設(shè)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(shù)發(fā)展的標(biāo)志,20世紀(jì)90年代西康鐵路秦嶺特長隧道則是全斷面硬巖掘進(jìn)機(TBM)施工技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。
這兩次技術(shù)飛越對我國隧道施工技術(shù)發(fā)展影響甚大。它不僅使隧道施工進(jìn)度明顯加快,而且使人們認(rèn)識到大規(guī)模機械化作業(yè)是今后隧道施工技術(shù)的發(fā)展方向。
石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院(原石家莊鐵道學(xué)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(fēng)與環(huán)境控制領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。他在隧道施工技術(shù)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(guān)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(jìn)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(shù)》獲國家科技進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)攻關(guān),經(jīng)過一年左右的設(shè)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(shè)任務(wù),這一點目前在鐵路建設(shè)施工企業(yè)中已形成共識。而其他各種施工技術(shù)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(yīng)才能繼續(xù)發(fā)展下去。
21世紀(jì)是隧道與地下工程更加迅速發(fā)展的世紀(jì)。未來20年,我國交通隧道的工程規(guī)模將越來越大,技術(shù)難度也越來越高。為加快工程建設(shè),必須迅速提高機械化施工技術(shù)水平,推進(jìn)國產(chǎn)化裝備的技術(shù)進(jìn)步。為此,筆者采訪了賴滌泉教授,他結(jié)合自己的研究課題,詳細(xì)地介紹了我國隧道施工機械化的關(guān)鍵技術(shù)與裝備攻關(guān)改進(jìn)的最新動態(tài)。
鉆爆法施工機械化成套設(shè)備攻關(guān)
近年來,我國隧道鉆爆法施工機械化技術(shù)水平有逐步下降的趨勢,主要表現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后大量引進(jìn)的一些先進(jìn)設(shè)備如全液壓鑿巖臺車、低污染自卸車、噴錨三聯(lián)機等設(shè)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(shè)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(shù)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(chǔ)上通過技術(shù)創(chuàng)新和科技攻關(guān),使這些 “土設(shè)備”具有比較先進(jìn)的技術(shù)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(yīng)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(shè)備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了廣泛深入的交流,走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)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(shè)作業(yè)需要的防水板鋪設(shè)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(shè)備的完全國產(chǎn)化進(jìn)行立項研究,分階段進(jìn)行項目攻關(guān),從理論到實踐都取得了積極進(jìn)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(shè)備對提高工效、加快進(jìn)度起著關(guān)鍵作用。
目前鐵路隧道施工所使用的裝載設(shè)備品種較多,也基本上能達(dá)到與運輸設(shè)備相配套的要求。但是挖掘式裝載機和一般其他裝渣設(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)備。但是引進(jìn)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(lǐng)課題攻關(guān)組在國產(chǎn)化研究中重點解決了這些問題。
賴教授認(rèn)為,對于大型技術(shù)裝備的國產(chǎn)化開發(fā),應(yīng)當(dāng)走引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的道路。設(shè)計理念要新,技術(shù)起點要高,同時結(jié)合國情,分析引進(jìn)產(chǎn)品的優(yōu)點與不足,進(jìn)行必要的技術(shù)改進(jìn)和再創(chuàng)新。與引進(jìn)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(jìn)行攻關(guān)。
經(jīng)過項目課題組、工程施工單位和設(shè)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(jìn)行各種工況下的工程應(yīng)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(yīng)用效果優(yōu)于引進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(lǐng)混凝土噴射機械手課題組,聯(lián)合有關(guān)單位進(jìn)行攻關(guān),主要研究內(nèi)容包括工作機構(gòu) (機械手)的運動軌跡和多桿空間機構(gòu)優(yōu)化、噴錨工藝與工作流程、整機結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用較少,大多都是手持式風(fēng)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(rèn)為還需在以下方面進(jìn)行深入研究。一是開發(fā)全液壓鑿巖臺車,其技術(shù)關(guān)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(jìn)展緩慢,與國外產(chǎn)品差距較大;二是多自由度鉆臂的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(zhǔn)確性。在賴教授的主持攻關(guān)下,目前這一產(chǎn)品課題項目也取得了很大進(jìn)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(rèn)為,只要研究減少尾氣污染的技術(shù)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(shù)發(fā)展水平看,減少一氧化碳排放技術(shù)難度較大,成本也較高,但控制煙霧排放在技術(shù)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(rèn)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?xì)浠衔铩⑷╊?、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(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法將可以基本實現(xiàn)控制污染排放的目標(biāo)。
鉆注一體機在國外隧道施工中已較成功地應(yīng)用,這是針對地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜、施工難度較大的隧道施工的一把利器。賴教授說,該設(shè)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(jìn)行系統(tǒng)研究,然后將相應(yīng)的工作機構(gòu)進(jìn)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(shè)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(shù)攻關(guān),因為這些也是鉆爆法隧道施工不可或缺的機械化設(shè)備。
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