姚榮幸

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

近年來，隧道施工由于受有限空間的影響，機械化程度越來越高，機械的利用效率直接影響隧道的施工進度，然而施工機械設備雖然能夠有效的提高建筑施工項目的工作效率與質(zhì)量[1]，但在特殊的環(huán)境中，會產(chǎn)生一定的功率損失，本文以關角隧道施工為背景，重點研究在高海拔、特長、富水等特殊環(huán)境，對施工機械的影響，利用統(tǒng)計分析的方法，查找影響機械設備效率的因素，合理配置施工機械。

1 工程概況

新建關角隧道位于青藏高原既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，全長32.645km，平均海拔3500m,高寒缺氧,自然環(huán)境極其惡劣，氣溫低，年平均氣溫-0.5℃,極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫-35.8℃,冬期施工長達8個月。且正洞穿越11km巖溶富水段，水壓高、水量大，水壓最高達2.6Mpa，涌水量最大達32萬m3/d。

2 高原、富水環(huán)境對機械設備的影響

2.1 高原缺氧環(huán)境對機械設備的影響

柴油發(fā)動機主要利用氣缸中的柴油與空氣混合氣體壓燃做功，空氣中的氧含量直接影響發(fā)動機的壓燃效果，在高原缺氧環(huán)境下，燃燒不充分，發(fā)動機在滿載負荷工作情況下，功率下降，造成同等運載情況下運行速度降低和排放惡化。在青藏高原，海拔3000米大氣壓力僅占標準大氣壓的69.2%（70.2 kPa），大氣壓力下降；空氣密度僅占標準空氣密度的74%（0.90 kg/m3），空氣密度減少；氧氣含量不足僅達到16%；海拔高度與空氣溫度、密度及氣壓的關系如表所示。

表1 不同海拔高度下大氣氣壓、溫度及密度

隨著海拔高度的增高，大氣壓力下降，導致水的沸點降低，水冷內(nèi)燃機也會受到影響。海拔高低對水沸點的影響見表。

表2 不同海拔高度下蒸餾水沸點

2.2 富水環(huán)境對機械設備的影響

水環(huán)境下，機械設備排氣會受阻，降低效率；同時洞內(nèi)外溫差大，低溫水結冰，造成機械傳動、制動裝置出現(xiàn)反復受損，維修頻率增加。

3 隧道施工機械配套技術

3.1 隧道作業(yè)線系統(tǒng)分析

選取正洞V級圍巖施工作業(yè)線數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。按照開挖、出渣、支護、輔助四條作業(yè)線分類分析，并對比各作業(yè)線耗時工效。由于二次襯砌施工落后于掌子面較遠，故襯砌作業(yè)線與其他作業(yè)線平行施工，不計入整條施工作業(yè)線工效分析。

各施工作業(yè)線耗時比例如圖1所示，各施工作業(yè)線所耗時間如圖2所示。

圖1 施工作業(yè)線時間比例圖

圖2 工序循環(huán)中各施工作業(yè)線所耗時間

由上圖可以看出，開挖、支護、出渣作業(yè)線占了大部分的施工時間，達到92.66%。特別是支護作業(yè)線站到整個施工作業(yè)線的一半以上（56.22%），所以快速施工主要得優(yōu)化好開挖、支護、出渣三條作業(yè)線，尤其是支護作業(yè)線。

3.2 開挖掘進設備配置

關角隧道采用單線單洞（即I、II線）設計形式，即一座斜井進入正洞先展開兩個正洞工作面施工，后續(xù)通過兩線間橫通道再展開兩個工作面施工，一座斜井作為運輸通道，供應正洞4個掘進工作面施工組織需要，因此斜井運輸能力及設備的合理配置直接制約施工進度。

通過施工過程中不斷總結、統(tǒng)計分析，根據(jù)作業(yè)線劃分及數(shù)據(jù)分析，支護作業(yè)占比達到了56.22%，但出渣作業(yè)線機械設備較為集中，結合現(xiàn)場實際，一座斜井4個工作面按照2個工作面同時出渣、1個工作面支護、1個工作面開挖配置機械設備較為合理，達到錯峰生產(chǎn)的目的，同時資本投入最為合理。

通過現(xiàn)場統(tǒng)計分析：斜井長度按照2km計算，正洞開挖平均長度按照1km計算，棄渣場平均距離1km，因此出渣運輸距離綜合距離為4km，考慮到斜井反坡、水環(huán)境等，出渣車行駛速度按照10km/h計算，計算得出每臺出渣車運輸時間為：48min/車，單個工作面受斷面空間限制配置1臺轉(zhuǎn)載機、1臺挖掘機，每臺車裝渣時間為：10min，通過計算每臺車運輸一次（往返）約1h，每個工作面需要7臺出渣車，考慮機械維修、保養(yǎng)等因素備用2臺車。單個工點機械設備配置詳見表3。

表3 單個工點4 個工作面機械設備配置表

施工過程中發(fā)現(xiàn)，所有生產(chǎn)的挖掘機大小臂均只能在平面上運動，隧道開挖拱腳部位空間狹小、受限，拱腳只能全部利用人工施工，施工效率低下。為解決此問題，實現(xiàn)挖掘機360度旋轉(zhuǎn)的功能，自主研發(fā)了一種挖掘機大小臂連接裝置[2]（如圖3、4），實現(xiàn)了拱腳部位挖掘機施工的要求，同時降低了由于挖掘機工作時移動不便，大小臂容易對隧道的初期支護碰撞，導致鋼架變形，甚至形成塌方的風險。

圖3 大小臂連接裝置俯視圖

圖4 安裝到挖掘機上的大小臂連接裝置側(cè)視圖

圖5 鋼架安裝裝置與吊車伸縮臂側(cè)視圖

3.3 支護作業(yè)線機械配置

噴混凝土和立拱架工序是支護作業(yè)線占用時間

比例最高的工序，達80%，主要通過改良配套設備的方法提高其施工效率[3]。

3.3.1 鋼架安裝設備

目前隧道內(nèi)鋼架安裝基本采用人工施做，勞動強度較大，尤其是在高原缺氧地區(qū)，施工效率大大降低。因此設計開發(fā)一種機械安裝鋼架設備[4]，可大量減少人工勞動量，極大的提高高原地區(qū)立鋼架工序的效率，裝置如圖5、圖6。

圖6 鋼架安裝裝置正視圖

3.3.2 噴錨設備

關角隧道采取濕噴工藝，由混凝土拌合站集中供應，由混凝土運輸車運至洞內(nèi)，再安裝調(diào)試濕噴機械設備，連接空壓機管路及電路，在開啟空壓機，噴錨手洞內(nèi)在進行濕噴操作，工序繁多，所需時間較長，收工同樣的工序繁多，收工和開工均需6-8名作業(yè)人員，施工效率低，影響隧道施工的整體效率。除此之外噴錨手只能站到渣體上或者機械設備上進行操作，作業(yè)的空間受到限制，嚴重影響到初噴的質(zhì)量。因此為提高濕噴工序的效率，設計開發(fā)了混凝土素噴綜合一體機[5]，如圖7、圖8所示。

圖7 綜合一體機側(cè)視圖

圖8 綜合一體機俯視圖

該設備采用混凝土運輸車作為載體，混凝土儲存罐在3-4方，在車輛上預留足夠的空間，安裝濕噴機械和空壓機，并在車上安裝可以機械帶動轉(zhuǎn)動的電纜線轉(zhuǎn)盤，方便集中操作，具有洞內(nèi)安裝就位工序少、時間短，作業(yè)范圍大，收工整理時間短，操作人員少的特點。同時根據(jù)噴錨一體車的施工效率配置混凝土罐車數(shù)量，素噴綜合一體機的效率為：30m3/h，混凝土運輸車運輸距離為5km，運輸時間為30min，需要運輸車輛為：4臺，因此噴錨作業(yè)需要設備配為：1臺素噴綜合一體車、4臺混凝土運輸車。

3.4 輔助作業(yè)線設備配置

隧道輔助作業(yè)線主要為襯砌施工、抽排水、隧道通風排煙。隧道處于冬季寒冷地區(qū)，通風排煙過程中從隧道外吸入洞內(nèi)的新鮮空氣溫度低，導致整個隧道內(nèi)溫度降低，尤其是影響襯砌施工質(zhì)量。傳統(tǒng)的加設升溫火爐、門簾等設施只能保證短距離、短時間的溫度，隧道長距離、長時間的保溫難以保證，且煙氣較大，安全風險高。因此設計和加工制作一種隧道通風升溫裝置[6]（圖9、圖10所示），來替代在隧道內(nèi)設置火爐等隧道升溫措施，在隧道內(nèi)設置升溫風箱，升溫裝置安裝在風箱內(nèi)，所有通過通風機進入隧道的空氣全部經(jīng)過風箱加溫后，送至各個作業(yè)面，從而達到隧道通風升溫的目的。

圖9 單組升溫裝置立面圖

①單組升溫裝置，②單組升溫裝置連接口。

圖10 隧道內(nèi)升溫系統(tǒng)設置側(cè)視圖

（1）接空壓機循環(huán)水管入水口(冷水)，（2）接空壓機循環(huán)水管出水口(熱水)；A是隧道洞內(nèi)方向，B是隧道洞口方向，C是隧道拱部密封的通風加熱風箱，D是升溫后經(jīng)過通風機壓入洞內(nèi)，E是洞外冷空氣進入,F是備用電鍋爐；⑥密封風箱彩鋼板，⑧隧道底板支護，⑨單組升溫裝置間連接管，⑩隧道拱頂支護。

4 結語

通過實驗手段研究高海拔隧道施工機械效率的變化規(guī)律，對關角隧道現(xiàn)場施工機械效率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，記錄現(xiàn)場施工情況，對施工作業(yè)線的工效展開分析，并提出相應的技術措施，進行機械配套，具體結論為：開挖、支護、出渣作業(yè)線占了大部分的施工時間，達到92.66%。所以快速施工主要得優(yōu)化好開挖、支護、出渣三條作業(yè)線，從機械設備配置角度出發(fā)，主要以出渣設備配置為主，以支護作業(yè)線改進、自主研發(fā)為主優(yōu)化工序，確保安全質(zhì)量，提高施工效率、加快施工進度，確保了關角隧道32.69km順利實現(xiàn)貫通，為類似工程建設機械設備配置提供了有利的作用。