郝俊明

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018）

1 前言

川藏鐵路東起四川省成都市，向西至拉薩市，新建正線長度1 511 km，其中雅安至林芝段967.178 km，線路位于青藏高原東南部，沿線山高谷深，人跡罕至，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、雅魯藏布江等七大江河，具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)、頻發(fā)的山地災(zāi)害、敏感的生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)。川藏線地層巖性十分復(fù)雜，沿線斷裂、褶皺密集發(fā)育，以深大活動(dòng)斷裂為主控構(gòu)造；地下水主要有孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水及斷層帶水；不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育，不良地質(zhì)有活動(dòng)斷裂和高烈度地震、高地應(yīng)力(巖爆和大變形）、高地溫和高溫?zé)崴?、危巖落石、滑坡、崩塌、泥石流、放射性、有害氣體等[1]。沿線隧道占比大、特長隧道及隧道群密集，全線10 km以上隧道共33座，占隧道總長87%，全線20 km以上隧道共15座，占隧道總長55%，全線30 km以上隧道6座，占隧道總長27%。高海拔隧道占比大，大部分隧道處于海拔2 400～4 100 m間，在一條鐵路一次性出現(xiàn)數(shù)量如此眾多的高海拔特長隧道實(shí)屬世界罕見。高海拔地區(qū)的低溫、低壓、低氧環(huán)境特征是影響本線隧道鉆爆法施工的重要因素，人工、機(jī)械功效均會(huì)不同程度降低。常規(guī)的機(jī)械設(shè)備配套，將無法滿足按期完成建設(shè)任務(wù)的需要。在川藏鐵路隧道施工中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化配套技術(shù)能控制工程質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度；能降低隧道施工較大以上事故，提高隧道施工安全性；能減少隧道施工作業(yè)人員，減少日益緊張的人力需求，是快速施工，以機(jī)代人，保證工程進(jìn)度的重要措施。

2 鉆爆法機(jī)械化施工隧道研究

2.1 目前在建鐵路隧道機(jī)械化配套及施工情況

2.1.1 目前在建鐵路隧道機(jī)械化配套情況

國內(nèi)鐵路隧道大多按基本、中度、高度三種機(jī)械化配套模式施工，基本配套為《鐵路隧道工程施工機(jī)械配置技術(shù)規(guī)程》中無軌運(yùn)輸基本配置[2]，中度配套在一些工序(如仰拱、襯砌、防水板、溝槽、養(yǎng)護(hù)等工序）上進(jìn)行了加強(qiáng)，高度配套在全工序上進(jìn)行了機(jī)械化配置。

2.1.2 目前在建鐵路隧道機(jī)械化施工情況

施工期間不可避免地碰到一些不利因素，如工序轉(zhuǎn)換、機(jī)械維修、自然災(zāi)害等概率性事件所導(dǎo)致的進(jìn)度延緩，每月正常施工平均為24 d；在進(jìn)行了機(jī)械化配套后，可在開挖、裝藥、初期支護(hù)等工序減少施工作業(yè)人數(shù)；在進(jìn)行了機(jī)械化配套后，施工進(jìn)度指標(biāo)有一定提升，高度機(jī)械化配套進(jìn)度指標(biāo)較基本配套提高約20%，比中度機(jī)械化配套提高約10%；在高原、低氧環(huán)境下施工，受人員和機(jī)械降效影響，施工進(jìn)度較平原段降低，分圍巖級別不同，降低11% ～16%不等；雙線隧道與單線隧道施工進(jìn)度，在Ⅲ、Ⅳ級圍巖情況下，雙線隧道比單線隧道略快，在Ⅴ級圍巖情況下，單線與雙線隧道基本一致；大變形、強(qiáng)烈?guī)r爆、富水破碎帶、高地溫等不良地質(zhì)導(dǎo)致施工進(jìn)度降低；高原地區(qū)對隧道施工通風(fēng)主要影響因素有氧氣含量，及溫度偏低導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)油料燃燒不充分，增加了作業(yè)循環(huán)的污染。風(fēng)機(jī)性能發(fā)揮受到限制，高原地區(qū)長距離隧道施工通風(fēng)采用高性能風(fēng)機(jī)和低漏風(fēng)率、大直徑風(fēng)管以保證通風(fēng)質(zhì)量；新型設(shè)備如超長水平鉆機(jī)、兩臂濕噴機(jī)械手、混裝炸藥車、除塵設(shè)備等在鐵路隧道中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，建議提前在鐵路隧道中進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化后可應(yīng)用到川藏鐵路建設(shè)中。另一些設(shè)備如集裝箱出渣系統(tǒng)、正洞皮帶運(yùn)輸雖在國外已應(yīng)用，但在國內(nèi)尚無先例，還須進(jìn)一步調(diào)查、研究和試驗(yàn)。

2.2 隧道施工的影響因素

2.2.1 影響施工進(jìn)度的主要工序

鉆孔、裝藥、出渣、支護(hù)等工序影響施工進(jìn)度。仰拱、襯砌工序雖不是影響進(jìn)度的主要工序但目前受安全步距要求影響，如施工過慢會(huì)造成掌子面等待仰拱和襯砌的局面，從而影響施工進(jìn)度；大變形施工段，控制進(jìn)度的主要工序?yàn)槌跗谥ёo(hù)，包括長短錨桿施工、徑向注漿加固、拱架安裝等；強(qiáng)烈?guī)r爆段，控制進(jìn)度的主要因素為等待巖爆釋放時(shí)間及設(shè)備維修?？刂七M(jìn)度的主要工序?yàn)槌爸ёo(hù)及初期支護(hù)包括噴混、拱架安裝等。綜合實(shí)際施工月進(jìn)度30～50 m范圍；富水破碎帶注漿施工段，控制進(jìn)度的主要工序?yàn)槌白{；高地溫對隧道施工主要影響為施工人員勞動(dòng)能力降低，機(jī)械設(shè)備故障率顯著升高，施工月進(jìn)尺隨溫度增加顯著降低[3]70-71。

2.2.2 高度機(jī)械化配套與基本配套鉆爆用人數(shù)量及人員要求

由表1可知，兩者人員數(shù)量差異在開挖、裝藥及立拱工序。

2.2.3 機(jī)械化配套對施工進(jìn)度影響

根據(jù)對鄭萬高鐵湖北段隧道開挖月進(jìn)度調(diào)研分析:中度機(jī)械化配套月進(jìn)度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別提升6%、12%、15%，高度機(jī)械化配套月進(jìn)度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別提升20%、23%、4%[4]；通過成蘭鐵路單線隧道的調(diào)研，不同機(jī)械化配套下平均進(jìn)度指標(biāo)對比發(fā)現(xiàn)，高度機(jī)械化配套進(jìn)度指標(biāo)較基本配套提高20%，比中度機(jī)械配套提高約10%[5]。

2.2.4 高原降效對施工進(jìn)度影響

通過調(diào)研川藏鐵路拉林段，相同配置下高原施工對比，在高原、低氧環(huán)境下施工，受人員和機(jī)械降效影響，施工進(jìn)度較平原段降低，分圍巖級別不同，降低11%～16%不等。

2.2.5 機(jī)械化配套推廣存在的問題

施工定額低，目前沒有與機(jī)械化配套相應(yīng)的定額，導(dǎo)致施工單位不愿成套配置；超挖問題突出，費(fèi)用高。鑿巖臺(tái)車受制于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)外插角的原因，開挖平均線性超挖20 cm以上，高于人工風(fēng)鉆開挖。鑿巖臺(tái)車每個(gè)月的固定折舊費(fèi)、配件費(fèi)、油料費(fèi)、鉆具費(fèi)等費(fèi)用較高，其開挖成本高于人工風(fēng)鉆開挖；安全步距不夠，采用大型機(jī)械化配套所需施工設(shè)備布置空間不滿足現(xiàn)行規(guī)范對安全步距的要求；裝藥問題多，由于國內(nèi)對炸藥的管制，混裝炸藥無法在鐵路隧道施工中使用，混裝炸藥設(shè)備無法推廣；工法與大型機(jī)械化配套不匹配，在設(shè)備配置時(shí)未考慮一套設(shè)備能夠適應(yīng)多種施工工法，成套設(shè)備難以高效施工，更換施工裝備及人員造成進(jìn)度延誤；操作手缺乏，機(jī)械設(shè)備的操作手、維修及管理人員緊缺，尤其是維修保養(yǎng)技術(shù)人員緊缺更加嚴(yán)重。開挖工序故障耽誤占比較大，現(xiàn)場故障難以及時(shí)處理；施工管理不到位，目前機(jī)械化施工管理經(jīng)驗(yàn)不足；設(shè)備使用、運(yùn)轉(zhuǎn)專業(yè)化程度不高，施工管理未考慮成套裝備導(dǎo)致工序安排矛盾[3]73。

3 高原隧道鉆爆法快速施工控制要素及解決方案

3.1 高原長距離施工供氧

3.1.1 氧含量控制標(biāo)準(zhǔn)

將海拔高度2 500 m作為增氧的界限，即海拔超過2 500 m時(shí)必須采用增氧通風(fēng)方案，此濃度可以作為川藏鐵路隧道內(nèi)空氣氧含量控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。

3.1.2 制氧方式選擇

現(xiàn)在主要的制氧方法有深冷法、變壓吸附法、化學(xué)法、水電解法、薄膜法等，通過各自制氧方法和特點(diǎn)分析，建議選擇變壓吸附法制氧，其特點(diǎn)是技術(shù)成熟、濃度適中、規(guī)模靈活、能耗低、投資約為深冷法的1/2，可直接制造醫(yī)用氧，并具有以下優(yōu)勢:制氧規(guī)模靈活，適合于高原特殊環(huán)境條件下使用；生產(chǎn)出的氧氣產(chǎn)品符合醫(yī)療用氧的標(biāo)準(zhǔn)，無需作進(jìn)一步的處理，減少了設(shè)備投資和運(yùn)行成本；制氧系統(tǒng)簡單可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)部件少，故障率低，易于維修，操作簡單，運(yùn)行可靠靈活；制氧過程以電能為動(dòng)力、空氣為原料、無化學(xué)反應(yīng)，對環(huán)境不造成污染，綠色環(huán)保。

3.1.3 供養(yǎng)方法

采用隧洞氧吧、個(gè)人攜帶呼吸器和隨通風(fēng)管直接送入工作面相結(jié)合的方案進(jìn)行供氧，在洞外設(shè)置一套供氧系統(tǒng)。

3.1.4 增氧布置方式

增氧布置方式分為兩種，通過管路供氧方式和專用管路供氧方式，這兩種方式的制氧和供氧設(shè)備均設(shè)置在洞外固定位置，主要區(qū)別是供氧點(diǎn)位置不同，前者供氧點(diǎn)在洞外，后者供氧點(diǎn)在洞內(nèi)。對兩種增氧通風(fēng)方式，可結(jié)合隧道施工條件和設(shè)備投入及能耗進(jìn)行綜合比選。

3.2 機(jī)械化配套條件下軟弱圍巖施工方法及支護(hù)

單線隧道、雙線隧道在Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖情況下采用的施工方法及支護(hù)措施見表2。

表2 超前支護(hù)措施

3.3 控制施工進(jìn)度工序解決方案

3.3.1 鉆孔

一方面進(jìn)一步改進(jìn)鑿巖臺(tái)車性能，減少超挖，另一方面從定額中增加超挖數(shù)量，做到實(shí)際超挖與定額相匹配。基于鑿巖臺(tái)車的操作和維修人員緊缺，故障耽誤在開挖工序中占比較大，所以設(shè)備要備用，在一個(gè)標(biāo)段備用2臺(tái)，并加強(qiáng)專業(yè)操作人員及維修保養(yǎng)人員培養(yǎng)，要求設(shè)備廠商定點(diǎn)、及時(shí)提供保障服務(wù)。

3.3.2 裝藥爆破

裝藥工序目前采用人工充填包裝混裝炸藥，施工速度較慢，需要人數(shù)較多；采用三臂鑿巖臺(tái)車施工，臺(tái)車僅有2個(gè)操作手，作業(yè)面少，裝藥速度較慢。不能最大發(fā)揮機(jī)械化配套施工功效。采用現(xiàn)場混裝炸藥設(shè)備以減少裝藥人數(shù)，提高功效。采用吸塵設(shè)備，在爆破后快速吸塵排煙，能夠減少通風(fēng)排煙時(shí)間，降低高海拔通風(fēng)排煙壓力，保證隧道施工效率。

3.3.3 出渣

長大斜井采用皮帶運(yùn)輸出渣系統(tǒng)；對于長距離獨(dú)頭掘進(jìn)工區(qū)，出渣能力難以滿足掌子面出渣需要，進(jìn)一步研究集裝箱出渣系統(tǒng)及正洞移動(dòng)破碎機(jī)+皮帶運(yùn)輸出渣系統(tǒng)，以提高出渣效率[7]。

3.3.4 支護(hù)（包括立架、掛網(wǎng)、噴混凝土）

目前主要采用多功能臺(tái)架人工立架、掛網(wǎng)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問題。采用拱架安裝機(jī)可降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率；噴射混凝土目前普遍采用小型濕噴機(jī)人工噴射混凝土，采用大型機(jī)械化配套的隧道一般采用單臂濕噴機(jī)械手，效率有待進(jìn)一步提升，采用二臂濕噴機(jī)械手噴混凝土，噴混效率可提高約1倍；為提高施工進(jìn)度，采用高強(qiáng)度支護(hù)體系如高性能噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土，以減少或取消鋼架，以雙線隧道Ⅳ圍巖為例進(jìn)行進(jìn)度分析，每月施工進(jìn)度可提高10%。

3.3.5 機(jī)械化配套設(shè)備布置

為考慮大型機(jī)械化施工布置、操作空間，充分發(fā)揮機(jī)械效率，采用大機(jī)配套后，仰拱距離掌子面最短距離為60 m，二次襯砌距離掌子面最短距離為105 m。

3.4 設(shè)備選型原則

少內(nèi)燃多電力原則，川藏線海拔高，氣候環(huán)境惡劣，多配置電力設(shè)備，少采用內(nèi)燃設(shè)備，洞內(nèi)外配備增氧加強(qiáng)通風(fēng)的設(shè)備；能力匹配原則，作業(yè)線配套能力順序由大到小:運(yùn)輸能力、裝渣能力、開挖能力、施組能力；設(shè)備外形尺寸應(yīng)與施工空間相適應(yīng)，既要考慮圍巖較好時(shí)的全斷面法，又要兼顧地質(zhì)較差時(shí)的應(yīng)變方法，同一施工作業(yè)面，盡量采用一種機(jī)械化配套方案；為方便配件供應(yīng)，通用互換及維修，保證設(shè)備使用效率，盡量同一廠商產(chǎn)的同類設(shè)備[8-9]。川藏鐵路隧道高原低氧自然環(huán)境及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境特征，鉆爆法機(jī)械化快速施工設(shè)備選型按“快速施工，以機(jī)代人”的原則，選擇能適應(yīng)高原低氧環(huán)境下設(shè)備，并滿足復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對設(shè)備性能的需要。

3.5 鉆爆法施工機(jī)械化配套原則

3.5.1 人少化原則

實(shí)施機(jī)械化配套以減少隧道施工作業(yè)人員，減少日益緊張的人力需求，作業(yè)人員成本提高，只有通過機(jī)械化特點(diǎn)及施工工期要求，體現(xiàn)以人為本的原則，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工代替人工施工。

3.5.2 保證質(zhì)量和安全必配原則

為確保工程質(zhì)量，仰拱、鋪底配置自行式仰拱棧橋，防排水作業(yè)線配置防水板自動(dòng)安裝臺(tái)車，隧道二次襯砌作業(yè)線配置智能化臺(tái)車，養(yǎng)護(hù)作業(yè)線配置養(yǎng)護(hù)作業(yè)臺(tái)車，溝槽作業(yè)線配置溝槽臺(tái)車。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化配套技術(shù)能減少隧道發(fā)生安全事故的幾率，提高了隧道施工安全性；同時(shí)，機(jī)械化施工效率能提高隧道初期支護(hù)和二次襯砌快速封閉成環(huán)，確保隧道能及時(shí)得到支護(hù)，減少對隧道圍巖的擾動(dòng)，提高隧道施工安全性。

3.5.3 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和有利提高功效原則

在鐵路長大隧道施工中實(shí)施配套技術(shù)是減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高功效的需要。采用機(jī)械化配套除了能保證隧道施工快速、質(zhì)量穩(wěn)定，也能減少人員投入，提高功效，作業(yè)強(qiáng)度大幅降低。在施工人員、設(shè)備配套情況下，施工人員安全能得到保障。先進(jìn)的設(shè)備必須配備高素質(zhì)的操作員，專業(yè)化管理，才能更好地服務(wù)現(xiàn)場[10]。

3.5.4 設(shè)備備用原則

鑿巖臺(tái)車、錨桿鉆注一體機(jī)、濕噴機(jī)、拱架安裝機(jī)、挖裝運(yùn)出渣設(shè)備等按一個(gè)標(biāo)段備用2臺(tái)。

3.6 鉆爆法機(jī)械化配套方案

下面主要對雙線隧道高度機(jī)械化配套進(jìn)行配置，列表供參考，單線隧道以及輔助導(dǎo)坑機(jī)械配套配置可參照此表，在相關(guān)設(shè)備型號和大小、數(shù)量上進(jìn)行調(diào)整即可，見表3。

表3 雙線隧道高度機(jī)械化配套設(shè)備配置[11]

3.7 推薦施工進(jìn)度指標(biāo)

施工期間將不可避免遇到一些不利因素，如工序轉(zhuǎn)換、機(jī)械維修、自然災(zāi)害等概率性事件導(dǎo)致的進(jìn)度延緩，按正常施工24 d計(jì)算，同時(shí)，考慮高原低氧環(huán)境，人員設(shè)備效率降低，按15%進(jìn)行折減。本次機(jī)械化配套施工組織的進(jìn)度指標(biāo)見表4。

3.8 智能建造裝備配套

隧道智能裝備是隧道智能建造的重要保證，不僅要施工裝備機(jī)械化，而且要智能機(jī)械化，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集、施工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與裝備少人無人化控制，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工和評價(jià)的工作目標(biāo)，才能滿足新工法、新理論和新目標(biāo)的要求。

表4 施工進(jìn)度指標(biāo)推薦[3]143 m

3.8.1 超前加固圍巖止水采用智能注漿臺(tái)車

利用智能鑿巖臺(tái)車超前鉆孔MWD數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成注漿參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注漿，并生成自動(dòng)注漿日志，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

3.8.2 開挖采用智能三臂鑿巖臺(tái)車

短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，自帶隨鉆測量系統(tǒng)MWD地質(zhì)分析，自動(dòng)鉆孔，實(shí)現(xiàn)3D開挖輪廓掃描，自動(dòng)生成施工日志，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

3.8.3 初期支護(hù)采用智能拱架臺(tái)車

拱架自動(dòng)定位，自動(dòng)安裝，生成拱架安裝日志，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)控操作；采用智能噴射臺(tái)車，自動(dòng)定位，隧道輪廓自動(dòng)掃描，自動(dòng)噴射，自動(dòng)生成噴混日志，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

3.8.4 二次襯砌采用智能化襯砌臺(tái)車

自動(dòng)灌注混凝土，自動(dòng)振搗，壓力、溫度、灌注方量自動(dòng)采集，自動(dòng)生成襯砌日志，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控操作；采用智能化養(yǎng)護(hù)臺(tái)車，溫度自動(dòng)跟隨，恒濕養(yǎng)護(hù)，自動(dòng)生成養(yǎng)護(hù)日志，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控操作[12]。

4 注意事項(xiàng)

4.1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)現(xiàn)場采集

隧道超前支護(hù)與開挖方法研究主要依據(jù)理論分析，圍巖物理力學(xué)參數(shù)采用規(guī)范中的數(shù)值。在下階段采集圍巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)時(shí)，為確保安全，須在隧道工點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以制定詳細(xì)的支護(hù)方案和施工方案。

4.2 新型設(shè)備須提前試驗(yàn)研究

高度機(jī)械化配套配置了多種新型設(shè)備，一些設(shè)備如超長水平鉆機(jī)、二臂濕噴機(jī)械手、混裝炸藥車、除塵設(shè)備等在鐵路隧道中應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，建議提前在鐵路隧道內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化后可應(yīng)用到川藏鐵路建設(shè)中。另一些設(shè)備如集裝箱出渣系統(tǒng)、正洞皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)雖在國外已應(yīng)用，但在國內(nèi)尚無先例，還須進(jìn)一步研究試驗(yàn)。

4.3 設(shè)備集成多功能一體化

進(jìn)一步研制開發(fā)利于隧道快速施工多功能一體的新型設(shè)備及新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，如折疊式鋼架及安裝機(jī)、拱架機(jī)與濕噴機(jī)械集成于一體等。減少設(shè)備的種類及對隧道施工作業(yè)空間的占用。

4.4 研究高性能支護(hù)體系理論

進(jìn)一步對高性能支護(hù)體系進(jìn)行理論分析，對高強(qiáng)度噴射混凝土或鋼纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究以確定高性能支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)，取消或加大鋼架間距以減少初期支護(hù)時(shí)間。

4.5 拓展混裝炸藥管理于鐵路工程

因現(xiàn)行火工品管理政策，現(xiàn)場混裝炸藥暫未能在鐵路隧道使用，建議相關(guān)部門協(xié)調(diào)，制定適合川藏鐵路施工混裝炸藥管理辦法[3]177-182。

5 結(jié)束語

新建川藏鐵路雅安至林芝段的建設(shè)蓄勢待發(fā)，要想高效建設(shè)好，必須采用高度機(jī)械化，只有配置好高效的工裝，才能保證施工效率、施工質(zhì)量。