贵广铁路科研立项申请书--长大隧道快速施工关键技术与装备研究

科研课题建议书,长大隧道快速施工关键技术与装备研究,目 录,一、立项背景 二、立项必要性三、前期研究工作基础四、解决的主要技术问题及达到的目标五、主要研究内容及研究方法六、年度计划及年度目标七、主要参研单位和研究人员 八、经费预算,一、立项背景,据不完全统计，截止到2008年底，我国已经建成的铁路隧道总长度已经超过4200km,在建铁路隧道总长度已超过4700km，即将开工和规划建设的隧道总长度超过5000km,预计到2012年，我国建成通车的铁路隧道的总数量将突破10000座，总长度将突破10000公里。由此可见我国铁路隧道建设的总量已经远远领先世界其他国家铁路隧道。但是我国铁路长大隧道施工的快速修建技术水平、施工装备及国产化总的技术发展速度缓慢，整体技术仍相当落后，主要表现在： 第一，以钻爆法为基础的快速施工技术体系尚未完成，在开挖爆破、围岩稳定性控制、快速支护与衬砌、机械化作业线设备配套技术、施工通风与环境控制、施工安全与风险控制、自然生态环境保护与治理等方面，许多关键技术难题尚未取得突破，施工进度差别很大，事故隐患较多，工后环境影响较大。,第二，以钻爆法为基础的机械化设备配套几乎只有在硬岩或围岩稳定性较好的条件下才能实现快速施工，而且作业线的主要设备都立足于从国外引进，自主创新开发的品种少、质量较差、故障多、主要技术性能参数与铁路隧道施工条件不匹配，因而影响作业效率，难以在大多数工程上形成先进的机械化作业线，制约了全行业整体技术的全面发展和进步。 第三，对于软岩和土质隧道，机械化程度配套低，大多数仍用钻爆法或人工为主的作业，对围岩扰动大，安全风险高，支护困难，进度缓慢。许多施工单位，硬把基本成熟的硬岩施工机械化配套方案用于软岩隧道，既不能形成快速施工，也不是真正意义上的机械化。,近期，集团公司对瑞典及西班牙的三个隧道施工工地等国外隧道施工机械设备配套进行了专题考察，我们的体会是：机械化程度高，配套完整。从开挖、出碴运输、钻孔注浆和锚杆、初支、喷混凝土、通风和衬砌等各工序都配置了配套的全机械化作业生产线，机械化程度较我国高，且配套完整。他们采用三联机械手真正实现了工装的配套，既环保又安全，也可以真正控制支护质量，同时还可以因回弹比例小（一般为10%左右）而有效降低施工成本。 21世纪是隧道与地下工程更加迅速发展的世纪，未来二十年，我国交通隧道的工程规模将越来越大，技术难度也越来越高，为加快工程建设，必须解决钻爆法长大隧道快速施工，特别是快速开挖和支护问题，同时要迅速提高机械化施工技术水平。 为此开展隧道快速施工关键技术及装备研究，解决我国铁路修建技术方面的快速施工、设备配套及国产化问题，对促进施工进度，缩短工期，保证施工安全，提升隧道施工装备实力与国产化，形成我国修建铁路理论技术体系水平作用重大。,二、立项必要性,目前，国内长大隧道钻爆法无轨运输施工具有设备配套落后、机械化施工效率低、施工工艺变化快、操作简单、各工作面实行人海战术、劳动强度大、安全隐患大、环境条件差等特点。但是，许多企业为了节约投入，减少设备投入，仍然在我国山区铁路地质情况多变条件下的长大隧道施工中首选此方法，严重影响着目前铁路又好又快的发展局面。因此对于钻爆法“隧道快速施工关键技术及装备研究”课题深入进行科研攻关具有重要意义。,我国隧道钻爆法施工的机械化配套及装备研究是以衡广铁路复线的“大瑶山隧道”为转折点，引进了四臂液压台车、混凝土输送泵、12米全液压钢模衬砌台车。二十多年来，我国铁路机械化施工技术和管理人员，充分发挥聪明才智，依靠自己的辛勤努力，在铁路长大隧道机械化硬岩施工配套方面取得了一定进步，开发和总结，配套了从开挖与运输、初期支护、施工通风、仰拱铺底、防水作业到衬砌等机械化施工作业线，大大提高了工程质量和施工效率。但随着铁路建设的大发展，中国的劳动力成本的相对低廉，施工企业为追求利益的最大化，多采用人海战术，以减少投入相对较高的机械化配套设备。再加上定额的调整，因而在钻爆法施工的设备配套和国产化研究上未能更进一步发展，反而有后退的趋势。特别是软岩、富水土质隧道等工况转化频繁，设备配套和快速施工水平较低，因此有必要对长大铁路隧道快速施工关键技术和装备进行研究。,贵广铁路隧道众多，占全线的54%，其中10公里以上隧道9座，借助贵广铁路长大隧道的修建，对设备配套进行深入研究，进一步完善隧道开挖与运输、钻注一体化、钢拱架安装、仰拱铺底、自动防水铺设作业、施工通风、衬砌作业线的机械化施工配套及国产化，使其合理配套、协调运转，形成一套完整的，具有理论指导、工法完善的机械化体系，确保施工安全、快速进行，不仅必要，而且急需。 新建贵阳至广州铁路工程中，长大隧道都是大断面单洞双线隧道，采用钻爆法有轨运输方式施工，辅助坑道设置多种多样，施工通风难度很大。有的长大隧道存在瓦斯等不良地质，独头通风距离长，施工通风是隧道安全施工的保障，施工通风难度大；多数长大隧道有平导、斜井、竖井等辅助坑道，施工通风方式复杂，施工通风机械设备配套形式多样。因此需结合长大隧道的实际工程进展开展专项研究、解决实际施工通风难题，针对长大隧道开展施工通风技术方案研究是十分必要的。,在铁路隧道软岩及不良地质施工机械化配套方面，要从不同工况、软硬岩分别进行研究，切实从开挖与运输、施工通风、钻注一体化、初期支护钢架拼装、仰拱铺底、防水版自动铺设作业到衬砌作业的机械化施工作业线，一定程度上提高工程质量和施工效率。但由于国内基础工业依然相对薄弱，至目前为止，国产的大型液压冲击钻机及配套的液压系统仍然达不到性能及成本的预期要求，装载机、挖掘机、自卸汽车、混凝土输送泵等设备由于为通用机械，合资产品的性能质量及价格虽基本能够满足隧道建造预期要求，但其内燃动力却造成隧道空气的严重污染。钢模板衬砌台车由于其结构相对简单，在国内已经广泛的设计制造应用，但大部分设计制造的钢模板衬砌台车均存在刚度不足问题，跑模事故时有发生。特别是防水板自动铺设、钻注一体化、钢拱架拼装机等国内没有开发，因此，采用全套国产化（含合资）设备来满足隧道施工作业流水线的需求，还存在很多需要继续努力的课题研究。,自大瑶山隧道引进全套进口的钻爆法隧道施工机械装备以来，在国内隧道建造中基本得以坚持使用的机械设备有各型液压凿岩台车、装载机、挖掘机、干喷机、自卸汽车、混凝土输送泵、钢模板衬砌台车等产品。而当时引进的喷砼机械手及三联机设备在隧道施工中早已鲜有使用。由于隧道建造标准的提高，快速施工的要求，以及技术方面的进步，当初引进的进口设备的种类、型号、规格已经不能完全满足隧道建造新的标准化及流水线作业要求，需要继续开发研究。因而，随着铁路建设发展趋势、环境保护要求的提高及环保要求的强制实施、国内劳动力价格的提高、隧道建设技术进步的要求、质量标准提高的要求、成本降低的要求、施工速度及安全要求的提高等，隧道建造机械化装备的进一步开发势在必行。,在长大隧道机械化配套的同时，摸清隧道快速施工机械设备配套国产化设施的成本，提供经济指标参考，为投资及施工投入的控制确定范围，进而检验和完善隧道快速施工设备国产化与即将发布的新铁路双线隧道机械化施工概预算定额”之间的适用情况，保证各项配置的经济合理性意义将更加重大。,三、前期研究工作基础,我集团是我国在隧道与地下工程方面特级大型专业化施工企业，长期奋战在长大隧道科技开发的前沿，承担了大量的有关长大隧道工程的科研、施工、设计和设备制造工作。特别是拥有科研所、设计院、设备制造公司以及集团专家委员会和以钱七虎、施仲衡、梁文灏等一批为代表的外聘资深专家，在长大隧道施工技术研究领域内取得了许多研究成果，具有丰富的实践经验，先后主持了大瑶山长大隧道、军都山长大隧道、云台山隧道、米花岭隧道、秦岭隧道、广州地铁、城陵矶长江隧道、圆梁山长大隧道、乌鞘岭长大隧道、太行山长大隧道和包家山公路长大隧道等国内有重大影响的科研工作，积累了丰富的经验。近20多年来完成了许多与隧道快速施工与设备配套和装备国产化有关的重大科研项目，包括国家863项目在内的多项科研成果，国家、省部级在内的的多项技术进步奖项，并拥有多项国家发明及实用新型专利。科研成果直接应用到铁路长大隧道、公路长大隧道、水底隧道、城市地铁等工程的施工中，多项研究成果获得了国家、省部级科技进步奖，有些成果还分别纳入到铁路隧道喷锚构筑法技术规范、铁路隧道施工规范及公路隧道施工规范中，为我国隧道及地下工程作出了重要贡献。,本课题研究工作以隧道局总工程师办公室负责人牵头，以王梦恕院士为首的专家委员会和外聘资深专家梁文灏院士等为顾问，形成以总工办、专业设备中心、工程部、合同部、科研所、隧道院、设备制造公司和集团贵广指挥部等骨干技术人员组成的科研攻关组，参加本项目的研究人员具有丰富的隧道与地下工程、越江隧道、山岭长大隧道设计以及新技术、新材料的开发研究与应用经验。我们注重理论结合实践，紧密结合施工现场开展科研攻关，投入的工作人员能通过实测数据确保理论计算的正确性，以现场科研攻关阶段成果指导施工，并在现场施工实践中完善科研成果。,我单位部分获国家级和省部级科技进步奖励的项目 如表1所示。 表1 部分获国家级和省部级科技进步奖的科研项目,四、解决的主要技术问题及达到的目标,针对贵广、兰渝铁路工程、施工及地质特点，本课题解决的主要技术问题和达到的目标一个是快速施工的关键技术，一个是装备问题。 分述如下：1、软岩及复杂地质隧道快速施工关键技术 软岩、土质隧道、大断面破碎带、富水、富瓦斯、地热、高危岩爆等复杂地质条件下，由于各有特点，施工方法差异很大，针对性的处理手段不同，应分别根据具体情况研究其快速施工的特殊关键技术，实现小循环、快开挖、早支护，保证安全，控制危害发生的目的。,2、长大隧道机械化配套技术研究 通过本课题的研究解决以下问题： （1）不同工况软硬岩施工的主要机械化施工作业线的基本理论、设备配套； （2）完善并建立长大隧道软硬岩施工设备配置技术体系； （3）协助有关部门进行本技术成果的推广应用。 达到的目的如下：（1）形成长大软硬岩隧道全断面和台阶法施工的设备配套体系 ；（2）通过本配套，使IV、V级围岩在现有的全国施工平均开挖进度指标基础上提高20%以上。,3、隧道施工装备国产化研究； 本课题解决的主要技术问题如下： （1）喷射混凝土机械手的研究； （2）钢拱架拼装机的研究； 1）拱架拼装机应尽可能考虑与其他工序所需的功能集成设计问题，以减少隧道内机械设备的数量。 2）拱架拼装机应有较宽广的工作覆盖面，可分为铁路单线隧道、铁路双线隧道和公路双线三线隧道两类机型。（3）移动栈桥的研究； 1）移动栈桥应适于不同高度的仰拱及基础浇筑，适于不同长度的浇筑工作长度，适于最大通过载重的车辆及不同宽度的工程机械及设备，适应于隧道原始开挖面路况等。 2）移动栈桥应尽量按照模块化方式进行设计，通过拼装可组成适于不同需求的规格。,（4）防水板铺设设备的研究； 防水板铺设设备应适用于不同断面隧道的要求，适于不同规格尺寸防水板要求，具有合适的工作长度满足铺设的速度要求，铺设的操作功能应具有自动功能。（5）隧道挖装机的研究； 1）隧道挖装机应具有较宽广的作业覆盖区域，小于（含）铁路公路双线隧道断面以下的隧道，单台挖装机应能满足全断面挖装需求。 2）隧道挖装机应具有合适的挖掘生产率，并适于不同车辆的装载高度和装载长度。 3）隧道挖装机应适于隧道原始开挖面的路况，积水的路况，充分考虑软土路面的承载力，避免来回行驶时陷入路面，有适应性良好的行走装置。（6）锚杆和注浆钻注一体化设备研究；研究满足现代隧道净空和快速施工要求的设备。,本课题达到的目标如下： (1)课题研究的隧道专用设备与长大隧道的总体施工组织设计、总体施工工序相配套，不能发生各工序间空间干涉，且实用、耐久、经济; (2)课题研究的长大隧道专用设备具有扩展性，具备用于其他类型隧道施工的能力; (3)提供全套的全新设备的技术资料； (4)完成施工工法和发明专利各一项以上。,4、长大隧道施工通风方案研究；通过本项目研究主要解决如下问题：（1）长大隧道大断面钻爆法无轨运输长独头通风；（2）长大隧道各种辅助坑道通风方式的合理选择；（3）长大隧道施工通风方案开发和施工通风设备配套系统； （4）长大隧道施工通风方案数值模拟和经济性分析。达到的目标：开发出新的长大隧道施工通风方案和整体配套系统，使长大隧道施工通风系统自动化，通风方案更加有效、经济、合理、可靠，为隧道施工提供良好的作业环境，既有利于劳动保护和环境保护，又可进一步推动隧道施工通风技术的发展，并形成专利一项。,5、隧道施工机械化经济分析研究解决的主要问题：（1）为配置隧道快速施工机械化条件下的施组模型经济合理化，提供经济分析。（2）核算隧道快速施工机械化条件下的标准施组模型的经济指标。达到的目标：（1）隧道快速施工机械化条件下，核算出新配置一套经济合理的施组模型需要的费用；（2）隧道快速施工机械化条件下，建立核算施组模型，核算出各类围岩条件下的经济指标。（3）分析出隧道机械化快速施工条件下消耗与新的铁路双线隧道机械化施工概预算定额、与普通钻爆法施工之间的对比情况。,五、主要研究内容及研究方法,（一）主要研究内容：1、软岩及复杂地质隧道快速施工关键技术 软岩、土质隧道、大断面破碎带、富水、富瓦斯、地热、高危岩爆等复杂地质条件下，由于各有特点，施工方法差异很大，针对病害的处理手段不同，研究其快速施工的特殊关键技术，实现小循环、快开挖、早支护。2长大隧道机械化配套技术研究 （1）、软岩隧道锚杆和注浆快速钻注设备