（一）國內外研究及應用現狀
青藏鐵路是我國鐵路網的重要組成部分，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，嚴酷的自然環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或高原地區修建過許多鐵路、公路以及其他土建工程。我國也在凍土區修筑過鐵路，主要是在大小興安嶺地區的亞林線和嫩林線，但在高原多年凍土地區修建鐵路尚屬首次。因此，在高原多年凍土區修建鐵路隧道沒有多少經驗可以借鑒，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機械化作業外，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，即使不能用機械代替的作業，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可大大提高工作效率、減輕工人的勞動強度。通過調研優化比選出合適的小型機械選型使輔助工序作業機械化。
(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水平，減輕人工勞動強度，提高人工的作業效率。
二、小型機械化配套研究
（一）小型機械代替人工作業的研究
在鐵路隧道施工中有許鄉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，即使不能用機械代替的作業，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的優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，將會很好地解決人工拋碴所帶來的問題。
根據昆侖山隧道施工的具體情況，將有關廠家生產的耙斗裝巖機（斗容0.3～0.6m，）的技術性能參數進行比選，最后推薦生產的PY-60B型耙斗裝巖機，或生產的P60B型耙斗裝巖機，其性能參數如下：
技術生產率(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。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。
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的輪胎式挖掘機也可選擇。國外的廠家如英國JCB公司生產的812型(0.5m，)、814型(0.6m3)、816型(0 .5m3)挖掘機，美國CASE公司生產的480E、488P液壓挖掘機，卡特彼勒公司生產的206、212、214B、224型液壓挖掘機、ALPINE公司和Liebherr公司生產的小型液壓挖掘機、日本小松公司生產的PW270～PW100型液壓挖掘機以及美國、西歐國家的有關廠家生產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，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，為了確保后續工作的安全性，保證噴層的質量，必須對拱頂的危石進行清除（即常說的找頂作業）。小型機械難于到達隧道拱部進行找頂作業，可選擇較大型的機械來代替人工作業，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能力為l5m3／h或更大，此時再采用人工上料已是不現實的了，若采用機械手實施噴射，生產率可高達20rri3／h，因此，必須用機械快速上料來滿足噴射機的生產率。
上料機械的生產率應大于噴射機的生產率，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如下：
螺旋生產率(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生的粉塵對施噴人員具有極其嚴重的危害性。對于生產率高的噴射機，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點；
(1)有可伸縮的較長臂桿，可實現較遠距離噴射作業，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，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，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范實施更應采用機械手。通過對收集到的資料進行優化比選后，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，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。為了更高效優質地完成隧道施工任務，應盡量使有關的施工工序實現機械化作業以達到“高效、快速”的施工目標。
(1)對于隧道撿底及挖水溝作業，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；
(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與掘進運輸作業干擾，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)為提高找頂作業的工作效率和作業安全性，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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