（一）國內外研究及應用現(xiàn)狀
青藏鐵路是我國鐵路網(wǎng)的重要組成部分，全長約1933km，沿線高寒缺氧、地質結構復雜，凍土特性也各不相同。其中的風火山隧道海拔約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)，嚴酷的自然環(huán)境使得機械和人力的工作效率大大降低，一般常用的開挖方法和施工機械在凍土地區(qū)很難適應。因此，高原多年凍土地段的隧道開挖成為一個困擾人們的技術難題。俄羅斯、加拿大、美國和南美一些國家在多年凍土區(qū)或高原地區(qū)修建過許多鐵路、公路以及其他土建工程。我國也在凍土區(qū)修筑過鐵路，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)修建鐵路隧道沒有多少經(jīng)驗可以借鑒，還有許多施工技術難題尚待研究加以解決。
在鐵路隧道施工中，除大部分主要工序實現(xiàn)機械化作業(yè)外，還有許多輔助工序的施工是由人力來完成的，這種狀況與青藏線高原缺氧的條件完全不相適應，為了提高工作效率、減輕人員的體力勞動強度，必須采用小型機械來代替人工完成輔助工序的作業(yè)，即使不能用機械代替的作業(yè)，也應使人員的勞動強度保持左中等強度以下：隧道分部開挖時用耙斗裝巖機代替人力翻碴、用防干擾棧橋施作仰拱、用挖掘機撿底挖水溝、用液壓長臂反鏟找頂代替人工撬危石等等。小型機械最好能一機多用，如小型液壓挖掘機，除撿底及挖溝外，換上液壓錘，則可對大塊石碴進行破碎，配上長臂，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強度大，工作環(huán)境惡劣，且過去的噴射混凝土上料機及噴射機械手結構復雜、機型單一，不能滿足噴射機的配套要求，必須結合青藏鐵路隧道施工要求對其進行配套研究，提高噴射混凝土工序施工機具的匹配性能。
（二）研究內容及要達到的目標
1．主要研究內容
(1)采用小型機械代替人工作業(yè)的研究。在高原缺氧條件下，人力勞動的效率極低，采用小型機械代替人工作業(yè)可大大提高工作效率、減輕工人的勞動強度。通過調研優(yōu)化比選出合適的小型機械選型使輔助工序作業(yè)機械化。
(2)噴射混凝土上料及噴射機械手的簡化研究。噴射混凝土的上料及噴射機械手的結構復雜、機型單一，不能滿足噴射機的配套要求，結合青藏線隧道施工對其進行簡化研究，以提高噴射混凝土工序施工機具的匹配性能。
2．要達到的目標
提高隧道施工機械化作業(yè)水平，減輕人工勞動強度，提高人工的作業(yè)效率。
二、小型機械化配套研究
（一）小型機械代替人工作業(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完成的，這種狀況與青藏線高原缺氧的條件完全不相適應。為了提高工作效率、減輕人員的體力勞動強度，必須用小型機械來代替人工完成輔助工序的作業(yè)，即使不能用機械代替的作業(yè)，也應使人員的勞動強度保持在中等強度以下。針對小型機械，如分部開挖施工用的耙斗裝巖機、撿底挖水溝用的挖掘機、找頂用的液壓長臂反鏟、施作仰拱用的抗干擾平臺等等對其進行性能參數(shù)的優(yōu)化比選及適應性研究，以提出合適的配套機械選型。
1．耙斗裝巖機拋碴
借鑒煤礦巷道斜井施工的成功經(jīng)驗，采用耙斗裝巖機及其配套設備來完成隧道分部開挖法的上部出碴（拋碴）作業(yè)，將會很好地解決人工拋碴所帶來的問題。
根據(jù)昆侖山隧道施工的具體情況，將有關廠家生產(chǎn)的耙斗裝巖機（斗容0.3～0.6m，）的技術性能參數(shù)進行比選，最后推薦生產(chǎn)的PY-60B型耙斗裝巖機，或生產(chǎn)的P60B型耙斗裝巖機，其性能參數(shù)如下：
技術生產(chǎn)率(m3/min)： 80 ~100
耙斗容積(m3)： 0.6
主電動機功率(kW)： 14
電壓(V)： 380.660
轉速( r/min)： 980
軌距(mm)： 600.750.762.900
外形尺寸(mm)： 7730×1850×2340機重(kg)： 6140
2．小型挖掘機撿底挖水溝為降低工人勞動強度，提高工作效率，推薦使用小型液壓挖掘機來完成隧道撿底及開挖水溝的作業(yè)。從移動方便與否考慮，輪胎式液壓挖掘機較好，表1列出了部分輪胎式挖掘機的技術性能參數(shù)。
此外，還有徐州重型機械廠，合肥萬方礦山機械股份有限公司、成都神鋼建設機械公司等生產(chǎn)的輪胎式挖掘機也可選擇。國外的廠家如英國JCB公司生產(chǎn)的812型(0.5m，)、814型(0.6m3)、816型(0 .5m3)挖掘機，美國CASE公司生產(chǎn)的480E、488P液壓挖掘機，卡特彼勒公司生產(chǎn)的206、212、214B、224型液壓挖掘機、ALPINE公司和Liebherr公司生產(chǎn)的小型液壓挖掘機、日本小松公司生產(chǎn)的PW270～PW100型液壓挖掘機以及美國、西歐國家的有關廠家生產(chǎn)的輪胎式小型液壓挖掘機等也可選擇。這些挖掘機大都可選擇多種配件完成相應的作業(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來撿底和挖水溝。小型的（斗容在0.6m2以下）履帶式挖掘機也可完成隧道撿底和挖水溝的工作，它對隧道底部的破壞較輪胎式的挖掘機小，但其移動不太方便，價格也相對較貴。
3．反鏟挖掘機找頂
隧道在裝藥爆破后、噴射混凝土支護前，為了確保后續(xù)工作的安全性，保證噴層的質量，必須對拱頂?shù)奈ＪM行清除（即常說的找頂作業(yè)）。小型機械難于到達隧道拱部進行找頂作業(yè)，可選擇較大型的機械來代替人工作業(yè)，履帶式較輪胎式對隧道底部的破壞更小，建議選用履帶式。
在國外，日本隧道工程歷來在液壓挖掘機上配備液壓破巖錘，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斗臂上進行找頂工作，撬毛臂的技術參數(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，其撬碴頭采用具有足夠沖擊力的液壓沖擊錘，可把松動的巖石撬落，但不會擾動牢固的圍巖，這兩種找頂機皆為輪胎式，在車輛工作臂下備有推土板，以清掃隧道底板上的散落石渣，其主要技術性能參數(shù)見表2。對風火山隧道和昆侖山隧道，建議采用履帶式液壓反鏟挖掘機（加長臂桿型或加長斗桿型），如日立EX210LC( H15)-5型找頂機，其比壓約為0.15MPa，最大挖掘半徑可達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輸作業(yè)的順利進行，特別是在仰拱施作必須緊跟開挖面（當圍巖不好時，仰拱與開挖面間距不到10 m）的時候更是如此。昆侖山隧道和風火山隧道均設計有仰拱，且仰拱要及時跟上開挖和支護，以及時形成封閉環(huán)承受載荷。為達到隧道開挖的運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，運輸車輛可正常通過棧橋上的軌道進行運輸，而棧橋下則可進行撿底、挖水溝以及仰拱澆筑作業(yè)等。針對昆侖山和風火山隧道的設計、施工機械配套、軌道布置與承受載荷等進行了仰拱防干擾棧橋方案設計。
（二）噴射混凝土上料及噴射機械手的配套研究
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，工人勞動強度極大。采用人工上料，噴射機的生產(chǎn)率為8m3／h，用4個工人上料，則每人應上料2m3／h（近4500kg），這種勞動強度在平原地區(qū)也是超重體力勞動。而在建造大斷面的隧道時，希望噴射沒備的生產(chǎn)能力為l5m3／h或更大，此時再采用人工上料已是不現(xiàn)實的了，若采用機械手實施噴射，生產(chǎn)率可高達20rri3／h，因此，必須用機械快速上料來滿足噴射機的生產(chǎn)率。
上料機械的生產(chǎn)率應大于噴射機的生產(chǎn)率，并要求在不自帶動力的情況下，可以軌行或輪胎行走。對于只進行干式噴射的情況，為減少設備投資，可用皮帶式上料機。如果既需干噴，也需濕噴，則上料采用螺旋輸送機，因濕噴時的混凝土坍落度較大，采用螺旋輸送機上料可將混凝土進一步攪拌，且漿液也不會流失，更有利于保證噴射混凝土層的質量。
螺旋輸送機的主要技術參數(shù)如下：
螺旋生產(chǎn)率(m3／h)： 10 接料高度(mm)： <1000
卸料高度(mm)： ≥1500 螺旋轉速(rpm)： 65
外形尺寸( mm)： 3600×1200×2260 輪對直徑(mm)： ∮350
軌距(mm)： 900 軸距(mm)： 2050
螺旋傾角(o): 18—25
皮帶運輸機的主要技術參數(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．噴射混凝土機械手
噴射混凝土時，如果由工人操持噴嘴進行噴射，骨料的反彈及噴射產(chǎn)生的粉塵對施噴人員具有極其嚴重的危害性。對于生產(chǎn)率高的噴射機，特別是在采用濕噴時，由于噴射壓力的增加和噴嘴及軟管內混凝土的重量，工人的勞動強度更大。考慮到勞動的安全性，必須使用機械手來代替人工噴射。隨著我國濕噴混凝士技術的不斷提高及其廣泛應用，機械手的研究應用將具有廣闊的前景。
用機械手噴射混凝土具有以下優(yōu)點；
(1)有可伸縮的較長臂桿，可實現(xiàn)較遠距離噴射作業(yè)，免去了費時費工的搭腳手架工作；
(2)可在安全地點遙控機械手作業(yè)，避免了回彈物的傷害；
(3)笨重的噴嘴、軟管以及噴射時的后坐力均由機器承受，從而減輕了操作人員的勞動強度；
(4)可按噴混凝土規(guī)程實施噴射，使混凝土噴層的質量得到保證；
(5)可減輕噴射粉塵（包括速凝劑有毒霧狀物）對施工人員的危害。
對于青藏線風火山和昆侖山隧道，由于地處高寒地區(qū)，施工時更應考慮盡量用機械手來代替人力勞動，噴射混凝土支護的規(guī)范實施更應采用機械手。通過對收集到的資料進行優(yōu)化比選后，確認山東科技大學研制由山東濟南山川機器人工程公司生產(chǎn)的PRJ系列噴混凝土機器人較好。這種機器均可實施干嘜和濕噴，能滿足風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型機械手。PRJ型機械手的主要技術參數(shù)如下：
機身最大寬度（含走行機構）(m)： 2
機身最大高度（含走行機構）(m)： 2.9
混凝土噴射率(m3/h)： 6～l6
噴射行程(m): 1.596
噴嘴縱向轉角(°)： ±45
噴嘴橫向轉角(°)： ±45
噴射高度(m)： ≤10
運載機械： 軌行、輪胎、腰帶式車輛
這種機械手能自動地保持噴嘴與受噴面垂直且保持最佳距離，噴嘴的運動軌跡可按設計的程序任意調節(jié)，無論是干噴還是濕噴，均可自動控制加水量，具有遙控和全自動控制功能并可以迅速互換。這種機械手采用的是模塊式結構設計，與國外的機械手相似，是目前國內最好的機種之一。簡易機械手噴射出來的混凝土不能保證噴層的高質量，不宜采用。
三、結論及建議
青藏鐵路格拉段風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、氣候嚴寒多變、紫外光照射強、日照長、風沙大等，因此，施工人員的勞動生產(chǎn)率和機械、車輛的動力輸出性能均會嚴重降低。為了更高效優(yōu)質地完成隧道施工任務，應盡量使有關的施工工序實現(xiàn)機械化作業(yè)以達到“高效、快速”的施工目標。
(1)對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（換凍土斗可在隧道外挖凍土層）代替人工作業(yè)；
(2)為減少分部開挖時的扒碴和裝碴難度，建議采用耙斗裝碴機來扒碴和裝碴；
(3)為防止仰拱施工作業(yè)與掘進運輸作業(yè)干擾，建議采用仰拱棧橋來通過運輸車輛，并進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，建議采用長臂液壓反鏟，并進行隧道施工多功能機械的研制，如在鑿巖臺車上安裝找頂機或新型多功能臺架等；
(5)對于臨時支護，為把工人從繁重的體力勞動及惡劣的施工環(huán)境中解脫出來，建議將混凝土上料輸送機、混凝土噴射機和噴混凝土機械手配套使用，并進一步進行配套技術研究與配套設備的研制。
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