高海拔特长富水隧道机械配套技术

姚荣幸

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

近年来，隧道施工由于受有限空间的影响，机械化程度越来越高，机械的利用效率直接影响隧道的施工进度，然而施工机械设备虽然能够有效的提高建筑施工项目的工作效率与质量[1]，但在特殊的环境中，会产生一定的功率损失，本文以关角隧道施工为背景，重点研究在高海拔、特长、富水等特殊环境，对施工机械的影响，利用统计分析的方法，查找影响机械设备效率的因素，合理配置施工机械。

1 工程概况

新建关角隧道位于青藏高原既有铁路天棚至察汗诺车站之间，全长32.645km，平均海拔3500m,高寒缺氧,自然环境极其恶劣，气温低，年平均气温-0.5℃,极端最高气温28.0℃，极端最低气温-35.8℃,冬期施工长达8个月。且正洞穿越11km岩溶富水段，水压高、水量大，水压最高达2.6Mpa，涌水量最大达32万m3/d。

2 高原、富水环境对机械设备的影响

2.1 高原缺氧环境对机械设备的影响

柴油发动机主要利用气缸中的柴油与空气混合气体压燃做功，空气中的氧含量直接影响发动机的压燃效果，在高原缺氧环境下，燃烧不充分，发动机在满载负荷工作情况下，功率下降，造成同等运载情况下运行速度降低和排放恶化。在青藏高原，海拔3000米大气压力仅占标准大气压的69.2%（70.2 kPa），大气压力下降；空气密度仅占标准空气密度的74%（0.90 kg/m3），空气密度减少；氧气含量不足仅达到16%；海拔高度与空气温度、密度及气压的关系如表所示。

表1 不同海拔高度下大气气压、温度及密度

随着海拔高度的增高，大气压力下降，导致水的沸点降低，水冷内燃机也会受到影响。海拔高低对水沸点的影响见表。

表2 不同海拔高度下蒸馏水沸点

2.2 富水环境对机械设备的影响

水环境下，机械设备排气会受阻，降低效率；同时洞内外温差大，低温水结冰，造成机械传动、制动装置出现反复受损，维修频率增加。

3 隧道施工机械配套技术

3.1 隧道作业线系统分析

选取正洞V级围岩施工作业线数据进行统计。按照开挖、出渣、支护、辅助四条作业线分类分析，并对比各作业线耗时工效。由于二次衬砌施工落后于掌子面较远，故衬砌作业线与其他作业线平行施工，不计入整条施工作业线工效分析。

各施工作业线耗时比例如图1所示，各施工作业线所耗时间如图2所示。

图1 施工作业线时间比例图

图2 工序循环中各施工作业线所耗时间

由上图可以看出，开挖、支护、出渣作业线占了大部分的施工时间，达到92.66%。特别是支护作业线站到整个施工作业线的一半以上（56.22%），所以快速施工主要得优化好开挖、支护、出渣三条作业线，尤其是支护作业线。

3.2 开挖掘进设备配置

关角隧道采用单线单洞（即I、II线）设计形式，即一座斜井进入正洞先展开两个正洞工作面施工，后续通过两线间横通道再展开两个工作面施工，一座斜井作为运输通道，供应正洞4个掘进工作面施工组织需要，因此斜井运输能力及设备的合理配置直接制约施工进度。

通过施工过程中不断总结、统计分析，根据作业线划分及数据分析，支护作业占比达到了56.22%，但出渣作业线机械设备较为集中，结合现场实际，一座斜井4个工作面按照2个工作面同时出渣、1个工作面支护、1个工作面开挖配置机械设备较为合理，达到错峰生产的目的，同时资本投入最为合理。

通过现场统计分析：斜井长度按照2km计算，正洞开挖平均长度按照1km计算，弃渣场平均距离1km，因此出渣运输距离综合距离为4km，考虑到斜井反坡、水环境等，出渣车行驶速度按照10km/h计算，计算得出每台出渣车运输时间为：48min/车，单个工作面受断面空间限制配置1台转载机、1台挖掘机，每台车装渣时间为：10min，通过计算每台车运输一次（往返）约1h，每个工作面需要7台出渣车，考虑机械维修、保养等因素备用2台车。单个工点机械设备配置详见表3。

表3 单个工点4 个工作面机械设备配置表

施工过程中发现，所有生产的挖掘机大小臂均只能在平面上运动，隧道开挖拱脚部位空间狭小、受限，拱脚只能全部利用人工施工，施工效率低下。为解决此问题，实现挖掘机360度旋转的功能，自主研发了一种挖掘机大小臂连接装置[2]（如图3、4），实现了拱脚部位挖掘机施工的要求，同时降低了由于挖掘机工作时移动不便，大小臂容易对隧道的初期支护碰撞，导致钢架变形，甚至形成塌方的风险。

图3 大小臂连接装置俯视图

图4 安装到挖掘机上的大小臂连接装置侧视图

图5 钢架安装装置与吊车伸缩臂侧视图

3.3 支护作业线机械配置

喷混凝土和立拱架工序是支护作业线占用时间

比例最高的工序，达80%，主要通过改良配套设备的方法提高其施工效率[3]。

3.3.1 钢架安装设备

目前隧道内钢架安装基本采用人工施做，劳动强度较大，尤其是在高原缺氧地区，施工效率大大降低。因此设计开发一种机械安装钢架设备[4]，可大量减少人工劳动量，极大的提高高原地区立钢架工序的效率，装置如图5、图6。

图6 钢架安装装置正视图

3.3.2 喷锚设备

关角隧道采取湿喷工艺，由混凝土拌合站集中供应，由混凝土运输车运至洞内，再安装调试湿喷机械设备，连接空压机管路及电路，在开启空压机，喷锚手洞内在进行湿喷操作，工序繁多，所需时间较长，收工同样的工序繁多，收工和开工均需6-8名作业人员，施工效率低，影响隧道施工的整体效率。除此之外喷锚手只能站到渣体上或者机械设备上进行操作，作业的空间受到限制，严重影响到初喷的质量。因此为提高湿喷工序的效率，设计开发了混凝土素喷综合一体机[5]，如图7、图8所示。

图7 综合一体机侧视图

图8 综合一体机俯视图

该设备采用混凝土运输车作为载体，混凝土储存罐在3-4方，在车辆上预留足够的空间，安装湿喷机械和空压机，并在车上安装可以机械带动转动的电缆线转盘，方便集中操作，具有洞内安装就位工序少、时间短，作业范围大，收工整理时间短，操作人员少的特点。同时根据喷锚一体车的施工效率配置混凝土罐车数量，素喷综合一体机的效率为：30m3/h，混凝土运输车运输距离为5km，运输时间为30min，需要运输车辆为：4台，因此喷锚作业需要设备配为：1台素喷综合一体车、4台混凝土运输车。

3.4 辅助作业线设备配置

隧道辅助作业线主要为衬砌施工、抽排水、隧道通风排烟。隧道处于冬季寒冷地区，通风排烟过程中从隧道外吸入洞内的新鲜空气温度低，导致整个隧道内温度降低，尤其是影响衬砌施工质量。传统的加设升温火炉、门帘等设施只能保证短距离、短时间的温度，隧道长距离、长时间的保温难以保证，且烟气较大，安全风险高。因此设计和加工制作一种隧道通风升温装置[6]（图9、图10所示），来替代在隧道内设置火炉等隧道升温措施，在隧道内设置升温风箱，升温装置安装在风箱内，所有通过通风机进入隧道的空气全部经过风箱加温后，送至各个作业面，从而达到隧道通风升温的目的。

图9 单组升温装置立面图

①单组升温装置，②单组升温装置连接口。

图10 隧道内升温系统设置侧视图

（1）接空压机循环水管入水口(冷水)，（2）接空压机循环水管出水口(热水)；A是隧道洞内方向，B是隧道洞口方向，C是隧道拱部密封的通风加热风箱，D是升温后经过通风机压入洞内，E是洞外冷空气进入,F是备用电锅炉；⑥密封风箱彩钢板，⑧隧道底板支护，⑨单组升温装置间连接管，⑩隧道拱顶支护。

4 结语

通过实验手段研究高海拔隧道施工机械效率的变化规律，对关角隧道现场施工机械效率数据进行统计，记录现场施工情况，对施工作业线的工效展开分析，并提出相应的技术措施，进行机械配套，具体结论为：开挖、支护、出渣作业线占了大部分的施工时间，达到92.66%。所以快速施工主要得优化好开挖、支护、出渣三条作业线，从机械设备配置角度出发，主要以出渣设备配置为主，以支护作业线改进、自主研发为主优化工序，确保安全质量，提高施工效率、加快施工进度，确保了关角隧道32.69km顺利实现贯通，为类似工程建设机械设备配置提供了有利的作用。