一、绪论
（一）国内外研究及应用现状
青藏铁路是我国铁路网的重要组成部分，全长约1933km，沿线高寒缺氧、地质结构复杂，冻土特性也各不相同。其中的风火山隧道海拔约4900m，昆仑山隧道海拔约4700m.地处高原多年冻土地段的高寒缺氧地区，严酷的自然环境使得机械和人力的工作效率大大降低，一般常用的开挖方法和施工机械在冻土地区很难适应。因此，高原多年冻土地段的隧道开挖成为一个困扰人们的技术难题。俄罗斯、加拿大、美国和南美一些国家在多年冻土区或高原地区修建过许多铁路、公路以及其他土建工程。我国也在冻土区修筑过铁路，主要是在大小兴安岭地区的亚林线和嫩林线，但在高原多年冻土地区修建铁路尚属首次。因此，在高原多年冻土区修建铁路隧道没有多少经验可以借鉴，还有许多施工技术难题尚待研究加以解决。
在铁路隧道施工中，除大部分主要工序实现机械化作业外，还有许多辅助工序的施工是由人力来完成的，这种状况与青藏线高原缺氧的条件完全不相适应，为了提高工作效率、减轻人员的体力劳动强度，必须采用小型机械来代替人工完成辅助工序的作业，即使不能用机械代替的作业，也应使人员的劳动强度保持左中等强度以下：隧道分部开挖时用耙斗装岩机代替人力翻碴、用防干扰栈桥施作仰拱、用挖掘机捡底挖水沟、用液压长臂反铲找顶代替人工撬危石等等。小型机械最好能一机多用，如小型液压挖掘机，除捡底及挖沟外，换上液压锤，则可对大块石碴进行破碎，配上长臂，则可用于找顶……
在辅助工序中，喷射混凝土上料和把持喷头的劳动强度大，工作环境恶劣，且过去的喷射混凝土上料机及喷射机械手结构复杂、机型单一，不能满足喷射机的配套要求，必须结合青藏铁路隧道施工要求对其进行配套研究，提高喷射混凝土工序施工机具的匹配性能。
（二）研究内容及要达到的目标
1．主要研究内容
(1)采用小型机械代替人工作业的研究。在高原缺氧条件下，人力劳动的效率极低，采用小型机械代替人工作业可大大提高工作效率、减轻工人的劳动强度。通过调研优化比选出合适的小型机械选型使辅助工序作业机械化。
(2)喷射混凝土上料及喷射机械手的简化研究。喷射混凝土的上料及喷射机械手的结构复杂、机型单一，不能满足喷射机的配套要求，结合青藏线隧道施工对其进行简化研究，以提高喷射混凝土工序施工机具的匹配性能。
2．要达到的目标
提高隧道施工机械化作业水平，减轻人工劳动强度，提高人工的作业效率。
二、小型机械化配套研究
（一）小型机械代替人工作业的研究
在铁路隧道施工中有许乡辅助工序的施工是由人力来完成的，这种状况与青藏线高原缺氧的条件完全不相适应。为了提高工作效率、减轻人员的体力劳动强度，必须用小型机械来代替人工完成辅助工序的作业，即使不能用机械代替的作业，也应使人员的劳动强度保持在中等强度以下。针对小型机械，如分部开挖施工用的耙斗装岩机、捡底挖水沟用的挖掘机、找顶用的液压长臂反铲、施作仰拱用的抗干扰平台等等对其进行性能参数的优化比选及适应性研究，以提出合适的配套机械选型。
1．耙斗装岩机抛碴
借鉴煤矿巷道斜井施工的成功经验，采用耙斗装岩机及其配套设备来完成隧道分部开挖法的上部出碴（抛碴）作业，将会很好地解决人工抛碴所带来的问题。
根据昆仑山隧道施工的具体情况，将有关厂家生产的耙斗装岩机（斗容0.3～0.6m，）的技术性能参数进行比选，最后推荐生产的PY-60B型耙斗装岩机，或生产的P60B型耙斗装岩机，其性能参数如下：
技术生产率(m3/min)： 80 ~100
耙斗容积(m3)： 0.6
主电动机功率(kW)： 14
电压(V)： 380.660
转速( r/min)： 980
轨距(mm)： 600.750.762.900
外形尺寸(mm)： 7730×1850×2340机重(kg)： 6140
2．小型挖掘机捡底挖水沟为降低工人劳动强度，提高工作效率，推荐使用小型液压挖掘机来完成隧道捡底及开挖水沟的作业。从移动方便与否考虑，轮胎式液压挖掘机较好，表1列出了部分轮胎式挖掘机的技术性能参数。
此外，还有徐州重型机械厂，合肥万方矿山机械股份有限公司、成都神钢建设机械公司等生产的轮胎式挖掘机也可选择。国外的厂家如英国JCB公司生产的812型(0.5m，)、814型(0.6m3)、816型(0 .5m3)挖掘机，美国CASE公司生产的480E、488P液压挖掘机，卡特彼勒公司生产的206、212、214B、224型液压挖掘机、ALPINE公司和Liebherr公司生产的小型液压挖掘机、日本小松公司生产的PW270～PW100型液压挖掘机以及美国、西欧国家的有关厂家生产的轮胎式小型液压挖掘机等也可选择。这些挖掘机大都可选择多种配件完成相应的作业，如配液压锤可冲击破碎大块岩石避免改炮、配冻土斗可在冰冻地区挖掘冻土等等。西合线黄砂岭隧道即用大宇轮胎式挖掘机来捡底和挖水沟。小型的（斗容在0.6m2以下）履带式挖掘机也可完成隧道捡底和挖水沟的工作，它对隧道底部的破坏较轮胎式的挖掘机小，但其移动不太方便，价格也相对较贵。
3．反铲挖掘机找顶
隧道在装药爆破后、喷射混凝土支护前，为了确保后续工作的安全性，保证喷层的质量，必须对拱顶的危石进行清除（即常说的找顶作业）。小型机械难于到达隧道拱部进行找顶作业，可选择较大型的机械来代替人工作业，履带式较轮胎式对隧道底部的破坏更小，建议选用履带式。
在国外，日本隧道工程历来在液压挖掘机上配备液压破岩锤，作为爆破后找顶、隧道周边整形及仰拱整形的辅助工具。在瑞典隧道工程中，有的将TEX250型液压破碎式撬毛臂安装在装载机斗臂上进行找顶工作，撬毛臂的技术参数如下：
冲击能量(J): 240
冲击频率(Hz)： 15
工作油压(MPa)： 10
油流量( L/min)： 70
重量(kg)： 240
芬兰塔姆洛克公司生产的SCALERDH420型及SCALERDH495型找顶机，其撬碴头采用具有足够冲击力的液压冲击锤，可把松动的岩石撬落，但不会扰动牢固的围岩，这两种找顶机皆为轮胎式，在车辆工作臂下备有推土板，以清扫隧道底板上的散落石渣，其主要技术性能参数见表2。对风火山隧道和昆仑山隧道，建议采用履带式液压反铲挖掘机（加长臂杆型或加长斗杆型），如日立EX210LC( H15)-5型找顶机，其比压约为0.15MPa，最大挖掘半径可达15.3m。
4．防干扰栈桥施作仰拱
隧道仰拱的施作往往影响到运输作业的顺利进行，特别是在仰拱施作必须紧跟开挖面（当围岩不好时，仰拱与开挖面间距不到10 m）的时候更是如此。昆仑山隧道和风火山隧道均设计有仰拱，且仰拱要及时跟上开挖和支护，以及时形成封闭环承受载荷。为达到隧道开挖的运输与仰拱施作互不干扰，最好的解决办法是采用防干扰栈桥，运输车辆可正常通过栈桥上的轨道进行运输，而栈桥下则可进行捡底、挖水沟以及仰拱浇筑作业等。针对昆仑山和风火山隧道的设计、施工机械配套、轨道布置与承受载荷等进行了仰拱防干扰栈桥方案设计。
（二）喷射混凝土上料及喷射机械手的配套研究
1．喷射混凝土上料
喷射混凝土是隧道及地下洞室施工初期支护的主要手段之一，但却是地下工程中作业条件最恶劣的施工工序，工人劳动强度极大。采用人工上料，喷射机的生产率为8m3／h，用4个工人上料，则每人应上料2m3／h（近4500kg），这种劳动强度在平原地区也是超重体力劳动。而在建造大断面的隧道时，希望喷射没备的生产能力为l5m3／h或更大，此时再采用人工上料已是不现实的了，若采用机械手实施喷射，生产率可高达20rri3／h，因此，必须用机械快速上料来满足喷射机的生产率。
上料机械的生产率应大于喷射机的生产率，并要求在不自带动力的情况下，可以轨行或轮胎行走。对于只进行干式喷射的情况，为减少设备投资，可用皮带式上料机。如果既需干喷，也需湿喷，则上料采用螺旋输送机，因湿喷时的混凝土坍落度较大，采用螺旋输送机上料可将混凝土进一步搅拌，且浆液也不会流失，更有利于保证喷射混凝土层的质量。
螺旋输送机的主要技术参数如下：
螺旋生产率(m3／h)： 10 接料高度(mm)： <1000
卸料高度(mm)： ≥1500 螺旋转速(rpm)： 65
外形尺寸( mm)： 3600×1200×2260 轮对直径(mm)： ∮350
轨距(mm)： 900 轴距(mm)： 2050
螺旋倾角(o): 18—25
皮带运输机的主要技术参数如下：
带速( m/s)： 0.5—0.8 输送量(m／h)： Q= 25～40
带宽( mm)： 400 功率(kW)： 2.2
外形尺寸( mm)： 4000×1100×1870 轮对直径(mm)： 300
轨距(mm)： 900 接料高度(mm)： 1000
卸料高度(mm)： 1530
2．喷射混凝土机械手
喷射混凝土时，如果由工人操持喷嘴进行喷射，骨料的反弹及喷射产生的粉尘对施喷人员具有极其严重的危害性。对于生产率高的喷射机，特别是在采用湿喷时，由于喷射压力的增加和喷嘴及软管内混凝土的重量，工人的劳动强度更大�？悸堑嚼投陌踩�，必须使用机械手来代替人工喷射。随着我国湿喷混凝士技术的不断提高及其广泛应用，机械手的研究应用将具有广阔的前景。
用机械手喷射混凝土具有以下优点；
(1)有可伸缩的较长臂杆，可实现较远距离喷射作业，免去了费时费工的搭脚手架工作；
(2)可在安全地点遥控机械手作业，避免了回弹物的伤害；
(3)笨重的喷嘴、软管以及喷射时的后坐力均由机器承受，从而减轻了操作人员的劳动强度；
(4)可按喷混凝土规程实施喷射，使混凝土喷层的质量得到保证；
(5)可减轻喷射粉尘（包括速凝剂有毒雾状物）对施工人员的危害。
对于青藏线风火山和昆仑山隧道，由于地处高寒地区，施工时更应考虑尽量用机械手来代替人力劳动，喷射混凝土支护的规范实施更应采用机械手。通过对收集到的资料进行优化比选后，确认山东科技大学研制由山东济南山川机器人工程公司生产的PRJ系列喷混凝土机器人较好。这种机器均可实施干唛和湿喷，能满足风火山和昆仑山隧道喷射混凝土要求，因此特推荐使用中型PRJ型机械手。PRJ型机械手的主要技术参数如下：
机身最大宽度（含走行机构）(m)： 2
机身最大高度（含走行机构）(m)： 2.9
混凝土喷射率(m3/h)： 6～l6
喷射行程(m): 1.596
喷嘴纵向转角(°)： ±45
喷嘴横向转角(°)： ±45
喷射高度(m)： ≤10
运载机械： 轨行、轮胎、腰带式车辆
这种机械手能自动地保持喷嘴与受喷面垂直且保持最佳距离，喷嘴的运动轨�？砂瓷杓频某绦蛉我獾鹘冢蘼凼歉膳缁故鞘�，均可自动控制加水量，具有遥控和全自动控制功能并可以迅速互换。这种机械手采用的是�？槭浇峁股杓疲牍獾幕凳窒嗨�，是目前国内最好的机种之一。简易机械手喷射出来的混凝土不能保证喷层的高质量，不宜采用。
三、结论及建议
青藏铁路格拉段风火山隧道和昆仑山隧道，其海拔高度近5000m，地处高原高寒地段，其自然条件极其恶劣：气压低、空气含氧量低、气候严寒多变、紫外光照射强、日照长、风沙大等，因此，施工人员的劳动生产率和机械、车辆的动力输出性能均会严重降低。为了更高效优质地完成隧道施工任务，应尽量使有关的施工工序实现机械化作业以达到“高效、快速”的施工目标。
(1)对于隧道捡底及挖水沟作业，建议采用小型轮胎式液压挖掘机（换冻土斗可在隧道外挖冻土层）代替人工作业；
(2)为减少分部开挖时的扒碴和装碴难度，建议采用耙斗装碴机来扒碴和装碴；
(3)为防止仰拱施工作业与掘进运输作业干扰，建议采用仰拱栈桥来通过运输车辆，并进行新型防干扰栈桥的研制；
(4)为提高找顶作业的工作效率和作业安全性，建议采用长臂液压反铲，并进行隧道施工多功能机械的研制，如在凿岩台车上安装找顶机或新型多功能台架等；
(5)对于临时支护，为把工人从繁重的体力劳动及恶劣的施工环境中解脱出来，建议将混凝土上料输送机、混凝土喷射机和喷混凝土机械手配套使用，并进一步进行配套技术研究与配套设备的研制。
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