【摘要】比较分析了当前铁路隧道施工中可供选择的施工方法，提出在当前铁路建设形势下，应综合考虑社会经济条件、环境交通条件、隧道地质条件等各种因素，本着“经济适用、因地制宜、安全可靠、绿色环保”的原则选择施工方法，配置施工机械，并指出在现阶段国内铁路隧道技术发展应注重的几个问题。
【关键词】铁路隧道 施工方法 机械 探讨
我国在解放前修建的铁路隧道很少，该时期最具代表性的隧道工程是由我国杰出工程师詹天佑亲自规划和督造的京张铁路八达岭隧道，这也是我国自行修建的第一座越岭铁路隧道，它的建成结束了中国依靠外国修建铁路隧道的历史。
经过不断的施工实践，尤其在新中国成立后，铁路建设进入了新的发展时期，从简单的“人力开挖” 起步，通过对隧道施工技术和施工机械的引进、消化、吸收、创新，创造了举世瞩目的成就，在应对复杂地质方面有了自己的话语权，新技术、新材料、新工艺、新设备在隧道施工领域的到了广泛应用，如今已跻身于世界隧道修建技术先进者行列。但就山岭隧道施工方法而言，不外钻爆法和掘进机法两种方法。
1 铁路隧道的施工方法
1.1 钻爆法
钻爆法简单而言就是打眼、放炮的掘进方法。传统钻爆法在我国七十年代及以前普遍使用，在九十年代仍有使用，现在铁路隧道施工中已经不再采用。当前铁路隧道施工中广泛采用的是与新奥法原理结合的钻爆法。新奥法是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，其主要原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。
目前钻爆法的发展方向是：提高开挖成洞速度；提高应变能力，降低工程成本；改善施工作业环境条件和安全技术。其中一个很重要的课题就是研究提高隧道施工机械化、自动化水平。
1.2 掘进机法
隧道掘进机包含盾构和TBM，在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。
1956年，美国成功设计了首台掘进机，并得到很大推广应用；我国从1964年后制造出50多台各类掘进机，但由于核心技术不过关，施工中基本没有发挥作用。国内山岭铁路隧道施工使用TBM是从西安安康铁路秦岭Ⅰ线隧道开始的，截至目前，仅有西康线秦岭Ⅰ线隧道、西安至南京铁路磨沟岭、桃花铺一号隧道三个工程使用过开敞式TBM，南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道正在使用。
1.3 钻爆法与掘进机法的比较
1.3.1 钻爆法优缺点
1）钻爆法的优点
（1）资金投入少，产出均衡。可开展多工作面的作业，技能易于掌握、人员培训简单，机械设备多为通用性设备，且社会资源丰富，进、出场方便，利用率高。
（2）机动、灵活，适应性强。不受断面形状限制，特别对岩溶、高地应力、软岩大变形、突水涌泥、断层等特殊不良地质隧道以及复杂和综合性高的隧道能发挥其机动灵活的优越性。
（3）适合我国国情。能够提供大量的工作岗位，符合我国劳动力资源丰富、劳动力成本低廉的现实。
2）钻爆法缺点
（1）隧道超欠挖不可避免，不仅影响隧道施工工程质量、安全和进度，而且影响经济效益。
（2）隧道爆破作业可能导致地面下陷，引起周围建筑物开裂或倒塌。
（3）施工用人多、作业环境较差，作业人员劳动强度大，发生安全事故概率较大。
（4）作业人员多，技能良莠不齐，坍方可能性大。
（5）长大隧道施工往往采取多开辅助坑道的措施，易破坏生态环境，不利于环境保护。
1.3.2 掘进机法优缺点
1）掘进机的优点
（1）快速综合。TBM可以实现连续掘进，能使破岩、出碴、支护等工序一并开展，实现了综合化一体施工，效率较高，理想状态下，日进尺可达30～40m，为钻爆法的8倍左右。
（2）优质环保。TBM采用滚刀进行破岩，洞壁完整光滑，有效控制超欠；实现了机械化、工厂化作业，质量易于控制；施工现场污染小，减少了长大隧道的辅助导坑数量，有利于环境保护和减少水土流失；
（3）高效节能。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；超挖量小，降低了材料消耗。
（4）安全可靠。用TBM施工改善了作业人员的洞内劳动条件，减少了劳动力数量、减轻了劳动强度，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少，坍方可能性小。
（5）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，自动化程度高，可实现信息化施工。
2）掘进机的缺点
（1）TBM多从国外进口，且施工需要高负荷的电力保证以及其高素质的技术人员和管理队伍，其购置费和使用维护成本高。
（2）TBM对隧道的地层极为敏感。一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于岩溶暗河发育、高地应力、软岩大变形、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，不适合采用TBM施工，如台湾雪峰山隧道隧道施工中曾因突发性涌水造成TBM损毁事故。
（3）TBM设备采购周期较长，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。
（4）掘进机断面适应性差。刀具既不适用于马蹄形断面，也不适用于椭圆形断面。
（5）TBM属大型专用设备，对施工场地和运输方案等要求很高。
2 铁路隧道施工方法的适应性
隧道施工方法的选择是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。选择施工方法时，需考虑的因素有如下几方面：1）工程的重要性（一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来）；2）隧道所处的工程地质和水文地质条件；3）施工技术条件和已有机械装备状况；4）施工中动力和原材料供应情况；5）工程投资与运营后的社会效益和经济效益；6）施工安全状况；7）有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制。
概括而言，工期要求和经济效益是决定性因素，在经济投入一定的前提下，一座隧道施工工期的长短是衡量该隧道施工水平、也是衡量隧道施工方法选取是否得当的标准。我国隧道建设者在长期的实践中，取得了丰富的经验，短隧道、中长隧道施工采用钻爆法是毫无争议的选择，关键在于特长隧道施工方法的选取。
另外隧道断面大小、地质条件、隧道交通地理条件也是在TBM取舍上应考虑的因素，经济投入更是必然因素。国内研究资料表明TBM法施工成本远高于钻爆法（见表1），当隧道长度与直径之比大于600或隧道长度大于6km时，采用TBM施工是比较经济的，在我国则认为长度大于10km的隧道使用TBM较为经济。
单线铁路隧道钻爆法与TBM法成本指标（参考指标）对比 表1
运行速度
钻爆法施工（万元/延米）
TBM施工（万元/延米）
比率
350km／h
3.81
5.2
1.36
250km／h
3.25
4.9
1.51
200km／h
2.97
4.8
1.65
据不完全统计，目前我国已运营和在建10km以上山岭铁路隧道有78座，但仅有西康线秦岭隧道及南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道三座单线隧道使用TBM进行施工，且均为钻爆法与TBM法同时使用。
国内对TBM的使用仅仅证明了我们掌握了TBM的使用技术，在极短时间内消化并拓展、丰富了TBM的使用环境，但并不意味着我们已经可以运用自如。统计资料显示，国内对TBM的利用率远低于国外（见表2），这与TBM使用者的经验和技术水平密不可分。以秦岭隧道为例，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进尺为290.64m，最高月进尺为528.48m；而英法海底隧道则有着单机日进尺51m、月进尺997m的骄人成绩。
国内国外全断面岩石掘进机利用率比较 表2
分类
国外
国内
一般
30～40%
10～15%
最高
60～70%
20%
一方面是成本高而成效微，另一方面又必须面对工程造价低、劳动力资源丰富的现实，故TBM在国内特长隧道施工中的应用尚具特殊性，钻爆法仍然是我国铁路隧道施工在现阶段乃至今后较长时期内的必然选择。
在采用钻爆法施工的条件下，如何解决超长隧道越来越多而工期日趋紧迫的难题，一个极为重要的课题就是研究机械化配套技术。
3 隧道施工机械的配置
施工机械化并非简单地用机械施作代替体力劳动，它需要考虑施工方案和方法是否恰当、施工工艺是否成熟、施工设备是否先进、设备配套是否合理、施工组织是否均衡、设备维护是否保障等等诸多方面的内容。
隧道施工具有多工序、多作业线的特点，应当本着“优质、高效、经济、安全、环保”的原则，根据隧道规模、断面形式和尺寸、施工条件、工期要求、施工方案、经济效益、企业战略发展要求等因素，综合考虑开挖支护作业线、装砟运输作业线、衬砌作业线及通风排水辅助作业线的机械配置。
长期的实践总结出了如下经验：单机生产能力应为均衡能力的1.2～1.5倍；单口掘进超过1.2km（双线1.8km）且无辅助坑道时宜采取有轨运输方式；隧道独头掘进超过1700m，宜考虑有轨运输或对无轨车辆净烟除尘；挖掘机应优先选用；混凝土拌合站生产能力：单线隧道≮30 m3/h，双线隧道≮60 m3/h。
3.1 隧道施工机械选择的一般要求
3.1.1 开挖作业线
主要考虑液压凿岩台车（土质隧道或不适宜爆破隧道配置挖掘机、铣挖机）、风动凿岩机、空压机组设备的选型配套。钻孔设备多采用风动式凿岩机或液压凿岩台车。
风动式凿岩机配合多功能台架是目前最为常见的钻进组合，其特点在于成本低、操作灵活，多功能台架除提供钻孔平台外，还可用于装药、找顶排危、安设钢架、钢筋网、钻设锚杆、喷射混凝土等作业，同时其可满足多人作业达到了快速施工的效果，从而向凿岩台车提出了挑战。
空压机有固定式和移动式两种，固定式需在洞外建站，利用高压风管供风，电能损耗大，移动式则可以随工作面移动，减少了高压送风管。
液压凿岩台车多从国外引进。其钻孔能力强，在复杂地质、工期紧、难度大的隧道中优势明显，终因使用成本高而没有得到广泛使用。
3.1.2 支护作业线
主要考虑管棚/锚杆钻机、混凝土喷射机、喷射机械手、钢架制作架设设备、自动计量混凝土搅拌站、混凝土运输车等设备的选型配套。
管棚钻机在国内施工使用较少，一般情况下采用潜孔钻机施作管棚孔。钢架弯曲机为非标产品，一般由施工单位自行加工或委托厂家生产；钢架架设机鲜有使用，现场钢架架设多利用自行加工的作业台架，由人工就位架立。
混凝土湿喷机强制性要求配置，以提高喷射混凝土品质、改善作业环境，但在渗水严重隧道还必须配置干喷机。混凝土喷射机械手多为进口，因使用成本高未普遍使用。
制备喷射混凝土均要求采用具备自动计量功能的混凝土拌和站，一般与衬砌混凝土拌和站共用。混凝土运输车有轮式、轨行式两种，结合施工方案配置。
3.1.3 装砟运输作业线
主要考虑装载机、挖掘机、立爪扒装机、挖装机、自卸汽车、电瓶机车、梭式矿车等设备的选型配套。目前常用的装砟机械有立爪扒装机、装载机、挖掘机。
无轨运输因有着社会资源丰富、机动灵活、弃砟不需二次倒运的优势而被普遍采用，但其对隧道内污染严重。一般配置载重15t以上自卸汽车，斗容量3m3左右的侧卸式轮式装载机，配置数量与隧道断面、隧道长度及路况有关。有轨运输适合于长大隧道和小断面隧道，但其机动性差，一次投入大、常需二次倒运；装砟采用立爪扒砟机或挖装机，出砟选用16 m3以上的梭式矿车、采用18t以上电瓶车牵引，采用46kg/m钢轨。
隧道均配置挖掘机作为爆破后排危、出砟后清理掌子面的设备，以此减少辅助作业占用时间。
3.1.4 防水板铺设、衬砌作业线
主要考虑自动计量混凝土搅拌站、混凝土运输车、混凝土输送泵、钢模板台车、仰拱栈桥等设备的选型配套。
防水板铺设一般使用与断面相匹配的自制作业台架，可采用轮式或轨行式；衬砌台车普遍采用拱墙整体式钢模板台车，根据隧道规模在9m、10.5m、12m三者间选择，混凝土搅拌站必须采用自动计量系统，混凝土输送泵可根据电力供应情况选择电动或内燃型，混凝土运输车根据施工方案选用轮式或轨行式；仰拱栈桥型号根据工程规模选择。
3.1.5通风辅助作业线
通风设备选型取决于隧道长度、隧道断面、运输方式、有无瓦斯等有害气体及隧道有无平行导坑等因素。在距主工作面100m左右应设局扇以加速气流循环，设平导采用巷道式通风的隧道，在联络道间设射流风机，防止污风回流；在开挖面需安放捕尘器，防止粉尘扩散。
3.1.6 排水辅助作业线
主要根据隧道涌水量大小来决定。
3.1.7 其他
在将超前地质预报和监控量测纳入工序管理之后，相应需要根据隧道地质状况，配置超前地质预报、监控量测设备和仪器。
现行《铁路隧道施工机械配置意见》提供了铁路隧道施工机械的配置参考意见，《铁路隧道工程施工技术指南》中有范例亦可供参考。隧道施工技术和隧道施工机械是隧道施工企业先进性和实力的象征，二者相辅相成互为进步推动力，随着信息交流的迅捷性、广泛性的发展，以及管理理论和管理方法的进步，隧道施工机械化配置必将日趋经济、合理。
4 结束语
随着我国铁路建设事业的迅猛发展，修建隧道的数量越来越多，会有更多长大隧道出现，这是空前绝后的机遇，面对这样的机遇，以下几个问题应当予以重视。
4.1 采用小直径TBM超前开挖导洞，钻爆法扩挖并进
在90年代后期长隧道逐渐增多以后，采用导洞超前后续扩挖的方法有所使用，并曾有人著文试图加以推广，但却受到一些专家诟病，认为是多此一举。此后似乎鲜有著述，但笔者在查阅当前一些长大隧道快速施工的文献时，发现几无例外地都采取了导坑超前、后续扩挖的方法，此方法一可提前准确探明地质，二可减少线性超挖、提高开挖进尺。虽然目前尚无采用TBM施工超前导坑的先例，但可以预见，在环保日受重视、土地资源日渐紧缺、劳动力成本日益升高的态势下，相较TBM全断面开挖较高的成本，采用部分断面TBM与钻爆法结合的方式更容易被各方接受。
4.2 立足隧道施工机械国产化，降低施工成本
虽然，我国的隧道数量和长度已经跃居世界第一，我们已经掌握了隧道施工的最先进技术，与新奥法、新意法、挪威法等较力，提出了并构建着“中国隧道修建法”的体系，但应当清醒地看到，如同汽车、家电等产业一样，我们只能算是隧道大国，还称不上隧道强国，很重要一点就是隧道施工机械的核心技术还在他人掌控之中。
中国在1966年便制造了第一台掘进机，此后陆续有产品推出，但因使用不理想便渐处于停滞状态，近年使用多为进口产品，凿岩台车、喷浆机械手也存在同样问题。国内有厂家或联合外国厂商组装，或生产部分零配件，但与国外生产商夺去的利润比，不过是杯水车薪。国内机械制造商如果不抓住隧道建设空前的良机，日后只能追悔莫及。
我国在20世纪60年代着手研制手持式液压凿岩机，从在一些工程使用看，成效不十分明显，这有产品本身待改进的原因，也有该产业未受到国家重视、国内一些厂家被外来生产商别有用心地收购而扼杀了这项技术的进步的原因，但其具有的“低噪、低耗、钻速高而成本低”的优点是不争的事实。在倡导和谐、对作业环境要求逐步提高，而成本变化微小的情况下，手持式液压凿岩机的市场需求量极为可观，应当引起有关部门或人士的重视。
4.3 结合“四新”利用，大力提倡“四小”活动，促进隧道施工技术进步
科技创新是国家倡导也是社会各界近年来热衷的话题，企业作为自主创新的主体，是建设创新型国家的决定性力量，推进创新型企业建设、提高企业自主创新能力，是实现企业发展目标、解决前进中各种矛盾和问题的根本所在，在铁路施工领域，建设方、设计方、施工方、监理方、咨询方，尤其设计方、施工方肩负着科技创新的重任，铁路的规模化建设为“新技术、新材料、新工艺、新设备”的利用和创新创造了前所未有的良机，以汽车为例，若自卸汽车能实现油电混和动力，则在隧道施工中有广阔的使用空间。
追溯中国铁路隧道技术发展的历史，我们可以看到，在引进隧道施工技术并化为己有的过程中，固然专家、学者们功不可没，但创新的源泉、灵感的火花更在具体施作者的手中，在九十年代中期以前，建设者不分地位尊卑、不论学历高低，纷纷以主人翁的姿态积极投入到隧道建设中，争相献策，小发明、小技巧、小革新、小创造“ 四小”活动开展得红红火火，成效斐然，在促进隧道施工技术进步和隧道施工配套技术国产化方面做出了诸多贡献，但在QC小组活动推广开来，逐渐程式化、功利化以后，“四小”活动渐式衰微，群众的智慧便基本上被湮灭了，似乎科学技术的进步只是技术人员、专家们的事了，这是一种非常不好的现象和趋势。
在今后的隧道建设中，更应注重激发作业工人的积极性和创造性，大力提倡“四小”活动，集众人所长，合全员之智，当可取得意想不到的成效。
4.4 建立科学的管理制度，提高快速施工能力
在基本建设空前繁荣的形势下，合格劳动力资源供不应求的现象比比皆是，在铁路隧道建设方面尤其突出。隧道施工环境特殊，如果没有完善的管理体系、科学的施工方法，从作业人员不具备相应的技能，即使有先进的机械设备，也无法达到快速施工的目的。
以钻爆法为例，凉风垭隧道在1959年创造了双口月成洞197m的记录；60年代使用液压凿岩台车的隧道多有单口月成洞超100m的成绩；1997年完工的米花岭隧道虽然创有双口月成洞769m的骄人记录，但平均月成洞也只有106.08m。在之后的隧道施工中，虽然也有快速施工记录，但总体仍徘徊在100m左右(表3中所列为参考指标，)。在国外，如美国费拉蒂赫德单线铁路隧道（长10.6km），最高月进尺398m，单口平均月进尺288m；挪威芬赛单线铁路隧道（长10.5km），最高月进尺440m，单口平均月进尺360m；日本五里峰双线铁路隧道（长15.2km），最高月进尺281m，单口平均月进尺166m；日本五里峰双线铁路隧道（长15.2km），最高月进尺281m，单口平均月进尺166m。
钻爆法施工开挖综合进度指标（参考指标） 表3
围岩级别
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
Ⅴ级
Ⅵ级
循环进尺
3.5～4.0m
3.5m
3.0m
1.2～1.5m
0.6～1.0m
0.5m
月进度指标
120～150 m
100～120m
80～100m
60～80 m
30～60m
30
通过比较，说明我们在管理水平和施工技能上还有差距，宏观而言在于管理上的差距，主要表现在：其一，对施工组织设计的严谨性、科学性仍然没有必要的重视，往往是说一套、做一套，把施组当成应景之作，其二，标准化作业程度低，走一步说一步、随心所欲，个人意志取代标准。铁道部于2009年行文在铁路建设领域贯彻“质量、安全、工期、投资效益、环境保护和技术创新”六位一体的管理理念，推行标准化管理，将铁路建设管理推向了新的高度，对铁路参建各方尤其施工方提出了更高的要求，随着标准化管理在隧道施工中的逐步规范的实施，无疑将极大地提高隧道施工队伍的整体素质、促进隧道施工技术的进步。
【参考文献】
2、王梦恕，张梅.铁路隧道建设理念和设计原则.中国工程科学，2009 11(12)
3、张弥，刘维宁，秦淞军.铁路隧道工程的现状和发展.土木工程学报，2004 33(2)
4、铁道部经济规划研究院.铁路隧道工程施工技术指南（TZ 204-2008）.北京：中国铁道出版社，2008
5、中华人民共和国铁道部.铁路隧道施工机械配置的指导意见（铁建设函[2008]777号）.北京：中国铁道出版社，2008
6、 王守慧，李卫华，郭占辉.单线铁路长大隧道钻爆法施工组织探讨. 中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十二届年会论文集.成都：《现代隧道技术》编辑部，2002
7、王梦恕.二十一世纪山岭隧道修建的趋势.中铁隧道集团科技创新大会论文集.洛阳：中铁隧道集团有限公司，2004
8、张丕界.长大隧道机械划施工设备配套技术.隧道建设，2006 26(1)
9、孙树铭.钻爆法施工山岭隧道资源配置探讨.铁道建筑，2006 (9)
10、吴波，阳军生.岩石隧道全断面掘进机施工技术.合肥：安徽科学技术出版社，2008
11、郑红，王崇绪.支腿式液压凿岩机的使用分析.建筑机械化，2006 27（5）
12、铁道部办公厅.关于推进铁路建设标准化管理的实施意见.铁建设【2009】154号
13、李照煌.全断面隧道掘进机施工技术.北京：中国水利水电出版社，2006
