隧道施工人员组织和机械设备配置.doc

中铁十一局渝万铁路土建6标项目经理部 隧道工地学校讲义

隧道施工人员组织和机械设备配置
（乔红彦）

中铁十一局渝万铁路土建6标项目二分部

二○一四年七月 重庆万州

渝万二分部 - 1 -
隧道施工人员组织和机械设备配置
一、工程概况
渝万二分部起止里程为D1K226+993.15～D1K239+982，线路全长12.977km，其中隧道7座，合计11.200km，隧道占比为86.3%，共需要开设11个掌子面进行掘进，点多面大，工期比较紧，为满足施工技术要求，确保施工质量和人身安全，需要根据工期进度合理安排隧道的施工人员组织和机械设备的配置，做到配置先进，安全可靠，节能环保。
根据设计图纸，渝万铁路设计时速为250km，有效净空面积92㎡，线间距4.6m，围岩级别为Ⅲ～Ⅴ级。以Ⅳ级围岩为例，开挖净宽14.22m，净高12.23m（未计沉降量），每断面土石方为141m³，断面较大，按照设计，采用上下台阶法开挖。通用的双线铁路隧道月进度指标为Ⅲ级120m，Ⅳ级70m，Ⅴ级40m，我们将按照这个指标进行计算分析和资源配置。
高速铁路隧道大部分属于山岭隧道，一般均是采用钻爆法施工。钻爆法对地质条件适应性强、开挖成本低，特别适合于坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道及大量短隧道的施工，所以是隧道掘进的主要手段。和掘进机施工法相比，钻爆法具有以下优点：①适用范围广；②设备资源投入少，施工准备期短；③围岩及地质变化后能及时调整；④施工组织管理相对单纯。
二、配置原则
隧道施工机械配置应根据隧道长度、断面大小、辅助坑道设置、地质条件、施工方法、工期要求等综合因素进行配置，需满足以下原则
（1）施工机械配置须与施工方法相配套，与施工工期相适应；
（2）施工机械配置的生产能力应大于均衡施工能力，均衡施工能力大于施工进度指标要求
（3）施工机械配置应注重科学发挥机械的总体效率；
（4）施工机械应有备用设备；
（5）优选排污达标、噪音小的机械。进入隧道施工的机械，尽可能的优先选用电力机械
（6）隧道施工机械管理人员应进行专门培训，特种机械操作持证上岗。
三、超前钻探
在进行隧道开挖之前，须进行超前地质预报，像TSP、地质雷达、红外线等，再探明前方的地质情况后方可进行开挖作业。施工单位需要进行的是φ75mm超前水平钻探，要求每次钻探长度30m，搭接5m。渝万线需要一台专用的地质钻机进行钻孔作业，我们选用的是RPD-180CBR多功能快速钻机，他可以进行管棚施工、注浆改良地质、锚固岩体等施工,其钻进速度≥5m/h,钻完30m需要6小时，加上转场2个小时，一天可以钻设2个隧道掌子面，能够满足全线所有隧道的施工需求。
表3 超前钻探配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
地质钻机
RPD-180CBR
台
1
全线共用
2
平板车

台
1

3
操作工人

个
3

4
司机

个
1
平板车司机
四、通风供电配置
在隧道开挖之前，我们需要根据洞口的地形地貌修建空压机房、变压器房，高山水池，还得在洞口安装风机，为洞内作业提供必需的风水电，满足人员、机械的呼吸与工作需求。我们以太平寨隧道出口为例进行风水电配置的简要介绍。
4.1空压机站配置
空压机站的生产能力，如果按照隧道1.5km的计算值为17m³，那他需要5台4L(1)-20/8型空压机串联，其排气压力为0.8Mpa，排气量为20 m³/min，一般情况下是1台空压机配置4～6把YT-28型凿岩机（即大家俗话说的风枪，每分钟耗风量3.3～4.9 m³，），最多可同时带动30台风枪同时作业，考虑人员、机械的合理高效率利用，现场配置20把风枪，4～5台空压机即可满足需求。在隧道施工中， YT-28型凿岩机使用非常广泛，其以效率高，吹洗炮孔功能强,转钎力矩大而优于同类产品。
空压机生产的压缩空气压力一般在0.7～0.8MPa，为保证工作风压不小于0.5 MPa，则钢管终端的风压不得小于0.6 MPa，即钢管风压损失不得超过0.1～0.2 MPa，选择钢管直径，我们一般采用的是20cm钢管。
4.2 通风设备配置
在进行风机购置安装前，我们需要先进行计算，按照以下四种情形取最大值算风量
（1）按洞内同时工作的最多人数计算风量，通常200 m³/min能满足需求；
（2）按同时爆破的最多炸药计算风量，大部分隧道采用压入式通风，通常1300m³/min能满足需求；
（3）按内燃机作业废弃稀释的需要计算风量，通常1500m³/min能满足需求；
(4)按洞内最小风速计算，这个值一般比较小，1000m³/min即可让施工人员正常工作；
算上漏风和摩阻系数，根据前面的计算结果，只要是风机在正常情况下能够提供2000m³/min的新鲜空气就可以满足隧道施工所有机械人员的正常需求，我们常见的2*110KW的风机参数如下，可以满足一般隧道的施工需求
表4-1 轴流风机的参数
名称
型号
技术参数
速度（r/min）
风压（Pa）
风量（m3/min）
功率（KW）
轴流风机
SDF(C)-NO12.5
高速
1378—5355
1550—2912
110×2
中速
629—2445
1052—1968
34×2
低速
355—1375
840—1475
16×2
拉链式
软风管
PVCФ1000㎜
平均百米漏风率0.015，摩阻系数0.02，每节长度20m/节或10m/节
（20m/节占75%以上）。
4.3 供电配置
隧道施工供电，包括生产用电(含电动机机械用电和施工照明用电)及生活用电等。施工供电首先要确定总用电量，以便选用合适的发电机、变压器、各类配电开关设备和线路导线，以做到安全、可靠地供电、节约用电、减少投资等。
根据实践经验表明，确定施工现场总用电量时，并不能简单地将所有用电设备的容量相加，因为实际生产中，并非所有电动设备都同时工作，并且处于工作状态的用电设备也不是都在额定工作状态。对于中小隧道（隧道长度在2km以下），可用400/230V三相四线系统两端送电，选用的导线断面应使末端电压降不超过10%；对于长隧道，如洞内用电设备不多，在选用经济合理的导线断面后，末端电压降未超过允许范围时，仍可按上述规定办，否则应采用6-10KV高压送电。在线路不远处有15KV的农用电可以接入，我们采用800KVA变压器一个进行变压处理后送入隧道，以满足施工需求，铝线采用240mm2。
表4-2 通风风供电配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
空压机
4L(1)-20/8
台
4～5
每洞口
2
凿岩机
YT28
台
20～30

3
钢管
20cm
米
按需

4
轴流风机
SDF(C)-NO12.5
台
1

5
PVC风管
Ф1000㎜
米
按需

6
变压器
800KVA
台
1

7
铝线
240mm2
m
按需

8
电工、机修工

人
2

五、开挖资源配置
根据钻爆设计，考虑最小抵抗线、周边眼间距、装药的不耦合系数后，我们可以计算得出上台阶炮眼Ⅲ级围岩157个，Ⅳ级围岩161个，Ⅴ级围岩177个，下台阶炮眼Ⅲ级围岩89个，Ⅳ级围岩95个，Ⅴ级围岩99个。我们按照炮眼数量最多的Ⅴ级围岩177个来进行计算。

简易钻眼台架 YT28凿岩机
图中是隧道施工常见的简易钻和YT28气腿式凿岩机，我们从上台阶的简易钻眼台架可以看出，它是分三层的，顶层可容纳6台凿岩机，中间层4台，下层6台，同时最多可容纳16台凿岩机进行工作，每台凿岩机配置1个工人。凿岩机各级围岩钻设炮眼所需时间见表4-3;
表4-3 凿岩机效率计算
围岩（上台阶）
月进度
炮眼数量
炮眼深度
耗时（min）
Ⅲ级围岩
120
157
3.3
260
Ⅳ级围岩
70
161
3
240
Ⅴ级围岩
40
177
1.8
160
按照前面空压机站的计算，我们每台空压机可同时带6台风枪，在上台阶只用了16把风枪，所以可以同时进行下台阶和仰拱的炮眼钻设。
爆破完成后，需要进行装渣运输。装碴机械的选择应使之能在开挖断面内高效作业，并和运输机械相匹配，灵活方便，污染小，维修费用低。出碴量应为开挖后的松散碴体积，装碴数量可按下式计算（理论计算）：
V=R×ρ×S×L
式中：V—单循环爆破后石碴数量，m³；
R—岩体膨胀系数，一般情况下Ⅲ级围岩1.3，Ⅳ级围岩1.6，Ⅴ级围岩1.7；
ρ—为超挖系数，一般采用1.15～1.25，我们这里取中间值1.2；
L—为设计循环进尺，m；
S—开挖断面面积，㎡；
表4-3 出碴方量计算
围岩（上台阶）
进尺（m）
膨胀系数R
断面面积
出碴量（m³）
Ⅲ级围岩
3.3
1.3
68.5
352.6
Ⅳ级围岩
3
1.6
70.5
406.1
Ⅴ级围岩
1.8
1.7
74.4
273.2
运输设备的配套应首先考虑隧道施工环境的要求，根据技术条件与经济条件选择设备的型号，在满足施工环境要求的前提下应尽可能地选择运输方量较大的运输设备；在数量确定上应保证装碴设备随时保持装碴作业，不能出现装碴设备等车现象。根据本项目工程实际情况，隧道洞内出碴采用无轨运输方式，2m³ZL40型轮胎式装载机装碴，自卸汽车运碴至弃碴场。隧道施工供电，包括生产用电(含电动机机械用电和施工照明用电)及生活用电等。 施工供电首先要确定总用电量，以便选用合适的发电机、变压器、各类配电开关设备和线路导线，以做到安全、可靠地供电、节约用电、减少投资等。 
按照Ⅳ级围岩406m³的出碴量，我们来计算需要多少的装载机和自卸车配合。装载机的斗容量为2m³，工作循环时间20s，考虑必须的休息和低负荷工作时间，每小时可装载130m³。如果在2小时内把碴装上自卸车运出隧道，则需要2台2m³ZL40型轮胎式装载机。
我们一般采用的是20 m³的自卸车进行出碴作业，考虑松散系数，实际每车可装16 m³。他的作业时间由装车时间t1，负荷运输时间t2，空返时间t3组成，分别计算如下
2辆装载机装满1车需要时间的时间t1=20*60/(2*130)=9min；
从隧道到碴场按照2km计算,时速按20km/h计算，则t2=2/20=10min；
空返时间t3，时速按30km/h计算，则t2=2/30=7min；
考虑中间可能出现的等待和卸车时间5min，则t总=9+10+7+5=31min。
则出碴406m³需要车辆数=406/20=26辆，考虑在3小时内把碴出完，则需要26*31/(3*60)=4.8辆=5辆
另需要配置一台挖掘机进行找顶排险和仰拱出碴，一般选择225以上的挖掘机，并配置1个破碎头，进行欠挖的开凿。
表4-4 开挖资源表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
凿岩机
YT28
台
20～30

2
爆破员

人
1

3
风枪班

个
16～25

4
挖掘机
225以上
台
1
带破碎头
5
装载机
2m³ZL40
台
2

6
机械司机

个
3
特种作业人员
7
自卸车
20 m³
台
5

8
汽车司机

个
5

五、初支配置
隧道初期支护，包括喷射混凝土、挂钢筋网、立架、锚杆钻设与注浆，涉及到的机械设备和人员比较多，在施工过程中须合理配置，高效率的施工，杜绝出现人等机、机等料、或者机械低负荷工作的情况发生。
喷射混凝土采用的是湿喷机，比较好的是成都中铁岩锋TK500型，每小时能够喷射混凝土5m³，一般要求在3小时内把混凝土喷射完，则需要30.1/5/3=2台湿喷机，配合工人按照每台3人计算则需要6人。若是下台阶两侧同时进行喷射混凝土作业，则另需增加1台湿喷机和3个工人才能满足需求。
表5-1 混凝土喷射量计算
围岩（上台阶）
进尺（m）
混凝土厚
延米面积
砼（m³）
Ⅲ级围岩
3.3
0.12
21.77
15.5
Ⅳ级围岩
3
0.25
22.34
30.1
Ⅴ级围岩
1.8
0.28
22.74
20.6
注：考虑超挖系数1.2和回弹量50%。
φ25中空锚杆和φ22砂浆锚杆一般采用YT28凿岩机进行钻设， 1:1的水泥浆和M20水泥砂浆均可采用HS-6注浆机，由于每循环需要的注浆量较少，2台即可满足需求。
表5-2 初支资源配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
凿岩机
YT28
台
20
与开挖班共用
2
湿喷机
岩锋TK500
台
3

3
喷砼班

个
15

4
立架班

10

5
注浆机
HS-6
台
2

6
注浆班

6

六、防排水配置
防排水施工主要的工作任务是进行土工布和防水板的挂设，需要制作一个简易防水板台架来配合施工，上面配置1台卷扬机用以提升材料，土工布的挂设采用的是射钉枪，防水板用热熔垫圈与土工布连接，防水板与防水板搭接则采用爬焊机。等到防水板焊接好后要进行气密性实验。
表6-1 防排水源配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
简易防水板台架

台
1
带卷扬机
2
热合焊接机

台
2

3
热风焊接机

台
2

4
射钉枪

把
若干

5
打气筒

个
1

6
压力表

个
1

7
检漏器

个
1

8
工人

个
3

七、二衬配置
隧道二次衬砌是最后的一个施工环节，所需要的人员和机械设备也是最多的，他分为模板班、钢筋班、混凝土班。
隧道的钢筋作业与普通房建、桥梁作业的程序差不多，也是需要调直机、切断机、弯曲机、电焊机等，按需配置钢筋工、电工、机修工，设备应有备份，防止出现一台机械损坏影响其他机械的正常运转。
隧道二衬钢筋的绑扎是利用防水板简易台架做工作平台，运输采用的是平板车。钢筋绑扎完成后，即可进行二衬台车的就位、调整，纵向侧边空处采用小木板封闭。灌注混凝土采用的是混凝土拖式地泵，一般采用80或者90泵。
表7-1 二衬源配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
二衬台车

台
1

2
混凝土泵
90KW
台
1

3
混凝土工

个
8

4
钢筋工

个
8

5
模板工

个
6

6
钢筋调直机

台
2

7
钢筋弯曲机

台
1

8
钢筋切断机

台
1

9
电焊机

台
3

八、管理辅助人员
如上所述，每个隧道队伍在正常施工情况下需要大约100～110个工人（包括司机），大型机械设备数十台，管理难度非常大，需要按照班组设置工班长，分级管理，另须配置电工、实验工、测量工、机修工进行全隧道的施工管理，还要有厨师、生活车辆等。
表8-1 管理辅助配置表
序号
机械（工种）
规格型号
单位
数量
备注
1
管理人员

个
8

2
电工

个
1

3
实验工

个
2

4
测量工

个
2

5
机修工

个
2

6
厨师

个
5

7
生活车辆

台
3

九、总结
隧道施工是一项综合型强、工序繁多，设计到的机械设备、人员非常的多，在施工过程中要精心组织，合理搭配，才能报按照进度指标保质保量高效率的进行施工。应该值得注意的是施工通风，它是保证洞内人员工作安全的重要环节,要控制内燃机进洞数量并采用湿喷混凝土工艺减少通风压力。随着隧道的延伸,还可在工作面增加射流风机加强通风。隧道施工机械的选型应从机械整体匹配出发,充分发挥整条作业线的生产能力,在考虑经济性和适用性的情况下,与施工方法相适应，科学的施工组织管理可确保生产有序、可控。

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渝万二分部