高原隧道施工机械适应性分析

田向军

【摘 要】在海拔较高的地区以及极度寒冷的地区，机械的使用性能会大大降低，输入功率也会降低。本文介绍了在高原环境下使大功率内燃机功率保持的技术、在高原冻土地区钻爆隧道的方法以及设备造型的配套原则、安全使用设备和设备使用管理技术等，这些技术在已完工的青藏铁路建设中得到了检验，现正在雀儿山隧道建设中不断加以完善和革新。这样就可以给类似的建设工程提供参考。

【关键词】高海拔；高寒区；冻土；设备；适应性

0.前言

雀儿山隧道工程位于四川省甘孜州德格县境内国道317线，隧道全长7048m。线路采用山岭重丘区二级公路建设标准；隧道设计速度40km/h；隧道建筑限界：隧道主洞9.0*5.0m，平导和车行横洞4.5*5.0m；隧道防水等级：二级，二次衬砌砼抗渗等级不小于S8。第Q2标段起讫里程为K344+500—K349+200，全长4.695km，其中隧道主洞K344+500—K348+030，长3530米，平导PK344+500—PK348+076，长3576米。本标段工程整体位于海拔4200m左右的高原地区，属高海拔地区工程，具有海拔高、地应力高、低气温、地含氧量、低气压的特点，年平均积雪日数为161天，年平均气温-0.3℃，具有海拔越高气温越低，积雪及结冰日期越长，积雪厚度越大，气候条件恶劣特点。同时造成机械设备及施工人员功效大幅度降低。

如此恶劣环境下，施工人员自身的生存和健康都难以保证，劳动能力大打折扣。想要顺利完成建设，必须大量利用大规模机械化的施工作业。在海拔将近5000米的高原上，恶劣的气候环境使机械设备的动力输出性能和工作效率严重降低，设备在低温环境下工作也产生一系列的安全问题，还面临要保护生态环境、地质环境等问题。本文讨论了雀儿山隧道工程施工中的问题，主要是针对在高原环境下大功率内燃机的适应性、隧道钻爆法施工设备与配套原则以及设备安全管理技术。

1.高原型工程机械的要求

因为大气压力、空气密度、气温以及含氧量随着海拔的升高而减少，所以高原型工程的施工机械在各个方面与平原型工程的机械差异性很大，隧道施工采用内燃机械作业，无轨运输出渣。

1.1需要风冷增压型发动机和多级滤清或湿式空气滤清器

在高原上含氧量低、气压低，普通发动机在这样的恶劣环境下工作效率显著降低，所以要选用增压型发动机来保持所需功率。高原上风沙量较大，所以对发动机的进气过滤系统也有较高的要求。

1.2配置更有效的低温启动装置

在高原上进行低温启动不仅仅是低温启动，而且是在严重缺氧的条件下进行低温启动。所以要求要比平原上的低温启动要求要高。

1.3提高液力、液压系统的流动性和散热性

在高原上需要改进整机液体和液压系统，提高散热能力。这是因为变矩器长时间进行低效工作产生大量热量，可是高原上稀薄的空气影响到了散热能力，密封性能也会降低。

1.4使用低温油料和防冻冷却液

在液压油和冷却液中添加防冻剂，使系统运行温度符合工作环境。并且使用低温油料。

1.5驾驶室的要求

重视对驾驶室的密封、保暖、舒适度的保持。

2.高原内燃机功率保持技术

高原上空气稀薄、气压低，柴油机在如此环境下工作特性会发生变化，根据实验和工作经验可以得出变化参数值。

2.1柴油机功率补偿

柴油机单位汽缸工作容积的输出功率为：

P=KΦηpn=CP

式中K修正系数，Φ充量系数，ф过量空气系数，η单缸热效率，ηm机械效率，ρs进气管中空气密度，τ冲程数，n转速。

C=KΦηn

式表明：在提高进气管空气密度的条件下，发动机功率基本上会按比例得到提升。一般是利用涡轮增压技术来增加进气密度，实践表明采用增压技术后的柴油机功率一般能够提高30%到40%。

2.2柴油机功率匹配

选择柴油机时的计算功率匹配公式为：

N=N（1+KH）

式中N柴油机配置功率，N海拔一千米时柴油机的输出功率， K功率补偿系数，H海拔高度。

根据试验结果和经验表明Kb取值为：海拔在3000到3500米时为4；海拔在3600到4500米时为6；海拔在4600到5100米时为8。这样可以避免发生功率浪费或者动力不足的现象。

2.3其它改进技术

2.3.1柴油机供油提前角度调整

在高原上有着火延迟，将柴油机供油提前角进行适当的提前，这样可以提升柴油机的运行经济性。同时适当减少供油量以免影响机组正常运行。

2.3.2进气管和空气滤清器的调整

增压式柴油机的滤清器是采用旋风纸质空气式的，这样可以保证在高原的缺氧条件下柴油机仍可以吸入足够的空气，空气滤清器和进气管的进气量也得到增加。

2.3.3排气管和消声器的调整

增压柴油机采用的是分支气管，每列气缸的废气可以通过两根排气支管接到增压器，柴油机排气管的内径要小于外接排气管。

发动机的噪音可以通过消声器来进行降低。在消声器安装后增加了排气阻力，这样就使发动机功率受到影响。所以要改用大一些的消声器，这样排气背压、排气阻力得到减小，从而实现提高发动机功率的目的。

2.3.4散热水箱的调整

要采用高原型水箱，在水箱的进水室中装配缓冲板，这样就可以使水箱内压得到降低。

2.3.5低温柴油、冷却液和机油的使用

采用-35号轻柴油、乙二醇防冻液、L-ECC5W/30专用稠化机油。

经过采用上述的这些新技术，在海拔4897米的风火山隧道进口进行实测，康明斯 250 千瓦发电机的参数符合设计要求，最大负荷工作时输出功率达到170至180千瓦。

3.设备防寒和低温启动技术

柴油机在高海拔恶劣环境下进行低温启动不同于平原地区的低温启动，应当对设备实施防寒等措施，以抵抗恶劣环境正常进行低温启动。

3.1架设防寒保温大棚

架设配有加温装置的防寒保温大棚，可以对车辆进行加温。大部分车辆和工程机械都可以采用此措施。在青藏铁路施工中此法得到了有效的利用。

3.2火焰预热

许多汽车公司均针对高原环境对汽车加装乙醚低温起动装置、火焰预热辅助起动系统。这样可以使汽车在海拔4000 米、-30℃的地区，甚至是缺氧的条件下都可以成功起动。但是由于此种起动是冷车起动，所以会对发动机产生不利影响。

3.3蒸汽预热加温器起动措施

一个在高原高寒地区可以提高机械起动性能的可靠措施，使用加温器预先对水套和发动机缸体进行蒸汽预热，可以使暖车时间得到减少，机械磨损得到降低。

3.4电预热塞起动

利用电热丝预热进气管中的空气或者油底壳的机油以实现启动。

还有许多其他方法也可以实现高原低温起动，例如增设离合器、低温冷起动与加温器联合使用、加大蓄电池容量等措施。

4.隧道钻爆法施工设备选型配套原则

设备选型原则非常重要，即尽量少选内燃设备而多选用电动设备和风动设备；少选小型设备而多选用大型设备；少选旧设备而多选用新设备。配套原则：保证常用设备数量充并具有稳定的生产能力且配套完善，还要配置制氧与供氧设备、防寒保暖设备、洞内环境升温与控制系统等。

4.1钻孔设备

和普通地区隧道施工相比不同的是，应当采用三臂或者两臂的液压钻孔台车。

4.2支护和衬砌机械

支护层是采用拱架模板拼装式，二次衬砌是采用液压模板台车。在用混凝土泵送混凝土入模的作业时，必须重视控制混凝土的出站温度和入模温度。

4.3其它设备

4.3.1通风、供暖系统

采用高原专用通风和供暖机组并结合洞内气温的要求，调节锅炉蒸汽温度与供热量并经过通风管送入隧道的工作面，以实现调整工作面温度的目的。

4.3.2制氧、供氧系统

采取安全可靠的措施进行隧道供氧，不仅保证了工作人员的身体健康，更有利于提高工人的工作效率，保障了隧道施工的顺利完成。

5.结论

高原高寒地区的环境气候恶劣，高度机械化的施工方式是青藏铁路工程得以完成的保障，也是雀儿山隧道建设的强有力武器。借鉴青藏铁路的成功建设，和正建设的雀儿山隧道，这些在高原高寒地区作业的技术和经验可以拓展到很多其他类似建设工程当中。

大型化高原型常用设备和高原专用设备的综合配套、设备防寒和低温启动技术、低温油料使用与管理技术、完善的配件储备、设备维修保养技术等都是设备可以正常工作和安全使用的重要保证。

【参考文献】

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