新建川藏铁路隧道钻爆法机械化配套快速施工研究

2020-05-30郝俊明

铁道建筑技术 2020年3期

郝俊明

(中铁十六局集团有限公司北京 100018）

1 前言

川藏铁路东起四川省成都市，向西至拉萨市，新建正线长度1 511 km，其中雅安至林芝段967.178 km，线路位于青藏高原东南部，沿线山高谷深，人迹罕至，线路穿越横断山、念青唐古拉山，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布、雅鲁藏布江等七大江河，具有显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、敏感的生态环境等特点。川藏线地层岩性十分复杂，沿线断裂、褶皱密集发育，以深大活动断裂为主控构造；地下水主要有孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水及断层带水；不良地质和特殊岩土发育，不良地质有活动断裂和高烈度地震、高地应力(岩爆和大变形）、高地温和高温热水、危岩落石、滑坡、崩塌、泥石流、放射性、有害气体等[1]。沿线隧道占比大、特长隧道及隧道群密集，全线10 km以上隧道共33座，占隧道总长87%，全线20 km以上隧道共15座，占隧道总长55%，全线30 km以上隧道6座，占隧道总长27%。高海拔隧道占比大，大部分隧道处于海拔2 400～4 100 m间，在一条铁路一次性出现数量如此众多的高海拔特长隧道实属世界罕见。高海拔地区的低温、低压、低氧环境特征是影响本线隧道钻爆法施工的重要因素，人工、机械功效均会不同程度降低。常规的机械设备配套，将无法满足按期完成建设任务的需要。在川藏铁路隧道施工中实现机械化配套技术能控制工程质量、降低劳动强度；能降低隧道施工较大以上事故，提高隧道施工安全性；能减少隧道施工作业人员，减少日益紧张的人力需求，是快速施工，以机代人，保证工程进度的重要措施。

2 钻爆法机械化施工隧道研究

2.1 目前在建铁路隧道机械化配套及施工情况

2.1.1 目前在建铁路隧道机械化配套情况

国内铁路隧道大多按基本、中度、高度三种机械化配套模式施工，基本配套为《铁路隧道工程施工机械配置技术规程》中无轨运输基本配置[2]，中度配套在一些工序(如仰拱、衬砌、防水板、沟槽、养护等工序）上进行了加强，高度配套在全工序上进行了机械化配置。

2.1.2 目前在建铁路隧道机械化施工情况

施工期间不可避免地碰到一些不利因素，如工序转换、机械维修、自然灾害等概率性事件所导致的进度延缓，每月正常施工平均为24 d；在进行了机械化配套后，可在开挖、装药、初期支护等工序减少施工作业人数；在进行了机械化配套后，施工进度指标有一定提升，高度机械化配套进度指标较基本配套提高约20%，比中度机械化配套提高约10%；在高原、低氧环境下施工，受人员和机械降效影响，施工进度较平原段降低，分围岩级别不同，降低11% ～16%不等；双线隧道与单线隧道施工进度，在Ⅲ、Ⅳ级围岩情况下，双线隧道比单线隧道略快，在Ⅴ级围岩情况下，单线与双线隧道基本一致；大变形、强烈岩爆、富水破碎带、高地温等不良地质导致施工进度降低；高原地区对隧道施工通风主要影响因素有氧气含量，及温度偏低导致内燃机油料燃烧不充分，增加了作业循环的污染。风机性能发挥受到限制，高原地区长距离隧道施工通风采用高性能风机和低漏风率、大直径风管以保证通风质量；新型设备如超长水平钻机、两臂湿喷机械手、混装炸药车、除尘设备等在铁路隧道中应用经验较少，建议提前在铁路隧道中进行试验，进一步优化后可应用到川藏铁路建设中。另一些设备如集装箱出渣系统、正洞皮带运输虽在国外已应用，但在国内尚无先例，还须进一步调查、研究和试验。

2.2 隧道施工的影响因素

2.2.1 影响施工进度的主要工序

钻孔、装药、出渣、支护等工序影响施工进度。仰拱、衬砌工序虽不是影响进度的主要工序但目前受安全步距要求影响，如施工过慢会造成掌子面等待仰拱和衬砌的局面，从而影响施工进度；大变形施工段，控制进度的主要工序为初期支护，包括长短锚杆施工、径向注浆加固、拱架安装等；强烈岩爆段，控制进度的主要因素为等待岩爆释放时间及设备维修。控制进度的主要工序为超前支护及初期支护包括喷混、拱架安装等。综合实际施工月进度30～50 m范围；富水破碎带注浆施工段，控制进度的主要工序为超前注浆；高地温对隧道施工主要影响为施工人员劳动能力降低，机械设备故障率显著升高，施工月进尺随温度增加显著降低[3]70-71。

2.2.2 高度机械化配套与基本配套钻爆用人数量及人员要求

由表1可知，两者人员数量差异在开挖、装药及立拱工序。

2.2.3 机械化配套对施工进度影响

根据对郑万高铁湖北段隧道开挖月进度调研分析:中度机械化配套月进度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分别提升6%、12%、15%，高度机械化配套月进度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分别提升20%、23%、4%[4]；通过成兰铁路单线隧道的调研，不同机械化配套下平均进度指标对比发现，高度机械化配套进度指标较基本配套提高20%，比中度机械配套提高约10%[5]。

2.2.4 高原降效对施工进度影响

通过调研川藏铁路拉林段，相同配置下高原施工对比，在高原、低氧环境下施工，受人员和机械降效影响，施工进度较平原段降低，分围岩级别不同，降低11%～16%不等。

2.2.5 机械化配套推广存在的问题

施工定额低，目前没有与机械化配套相应的定额，导致施工单位不愿成套配置；超挖问题突出，费用高。凿岩台车受制于设备本身结构外插角的原因，开挖平均线性超挖20 cm以上，高于人工风钻开挖。凿岩台车每个月的固定折旧费、配件费、油料费、钻具费等费用较高，其开挖成本高于人工风钻开挖；安全步距不够，采用大型机械化配套所需施工设备布置空间不满足现行规范对安全步距的要求；装药问题多，由于国内对炸药的管制，混装炸药无法在铁路隧道施工中使用，混装炸药设备无法推广；工法与大型机械化配套不匹配，在设备配置时未考虑一套设备能够适应多种施工工法，成套设备难以高效施工，更换施工装备及人员造成进度延误；操作手缺乏，机械设备的操作手、维修及管理人员紧缺，尤其是维修保养技术人员紧缺更加严重。开挖工序故障耽误占比较大，现场故障难以及时处理；施工管理不到位，目前机械化施工管理经验不足；设备使用、运转专业化程度不高，施工管理未考虑成套装备导致工序安排矛盾[3]73。

3 高原隧道钻爆法快速施工控制要素及解决方案

3.1 高原长距离施工供氧

3.1.1 氧含量控制标准

将海拔高度2 500 m作为增氧的界限，即海拔超过2 500 m时必须采用增氧通风方案，此浓度可以作为川藏铁路隧道内空气氧含量控制标准[6]。

3.1.2 制氧方式选择

现在主要的制氧方法有深冷法、变压吸附法、化学法、水电解法、薄膜法等，通过各自制氧方法和特点分析，建议选择变压吸附法制氧，其特点是技术成熟、浓度适中、规模灵活、能耗低、投资约为深冷法的1/2，可直接制造医用氧，并具有以下优势:制氧规模灵活，适合于高原特殊环境条件下使用；生产出的氧气产品符合医疗用氧的标准，无需作进一步的处理，减少了设备投资和运行成本；制氧系统简单可靠，运转部件少，故障率低，易于维修，操作简单，运行可靠灵活；制氧过程以电能为动力、空气为原料、无化学反应，对环境不造成污染，绿色环保。

3.1.3 供养方法

采用隧洞氧吧、个人携带呼吸器和随通风管直接送入工作面相结合的方案进行供氧，在洞外设置一套供氧系统。

3.1.4 增氧布置方式

增氧布置方式分为两种，通过管路供氧方式和专用管路供氧方式，这两种方式的制氧和供氧设备均设置在洞外固定位置，主要区别是供氧点位置不同，前者供氧点在洞外，后者供氧点在洞内。对两种增氧通风方式，可结合隧道施工条件和设备投入及能耗进行综合比选。

3.2 机械化配套条件下软弱围岩施工方法及支护

单线隧道、双线隧道在Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩情况下采用的施工方法及支护措施见表2。

表2 超前支护措施

3.3 控制施工进度工序解决方案

3.3.1 钻孔

一方面进一步改进凿岩台车性能，减少超挖，另一方面从定额中增加超挖数量，做到实际超挖与定额相匹配。基于凿岩台车的操作和维修人员紧缺，故障耽误在开挖工序中占比较大，所以设备要备用，在一个标段备用2台，并加强专业操作人员及维修保养人员培养，要求设备厂商定点、及时提供保障服务。

3.3.2 装药爆破

装药工序目前采用人工充填包装混装炸药，施工速度较慢，需要人数较多；采用三臂凿岩台车施工，台车仅有2个操作手，作业面少，装药速度较慢。不能最大发挥机械化配套施工功效。采用现场混装炸药设备以减少装药人数，提高功效。采用吸尘设备，在爆破后快速吸尘排烟，能够减少通风排烟时间，降低高海拔通风排烟压力，保证隧道施工效率。

3.3.3 出渣

长大斜井采用皮带运输出渣系统；对于长距离独头掘进工区，出渣能力难以满足掌子面出渣需要，进一步研究集装箱出渣系统及正洞移动破碎机+皮带运输出渣系统，以提高出渣效率[7]。

3.3.4 支护（包括立架、挂网、喷混凝土）

目前主要采用多功能台架人工立架、挂网，存在劳动强度大、效率低等问题。采用拱架安装机可降低劳动强度、提高效率；喷射混凝土目前普遍采用小型湿喷机人工喷射混凝土，采用大型机械化配套的隧道一般采用单臂湿喷机械手，效率有待进一步提升，采用二臂湿喷机械手喷混凝土，喷混效率可提高约1倍；为提高施工进度，采用高强度支护体系如高性能喷射混凝土或钢纤维喷射混凝土，以减少或取消钢架，以双线隧道Ⅳ围岩为例进行进度分析，每月施工进度可提高10%。

3.3.5 机械化配套设备布置

为考虑大型机械化施工布置、操作空间，充分发挥机械效率，采用大机配套后，仰拱距离掌子面最短距离为60 m，二次衬砌距离掌子面最短距离为105 m。

3.4 设备选型原则

少内燃多电力原则，川藏线海拔高，气候环境恶劣，多配置电力设备，少采用内燃设备，洞内外配备增氧加强通风的设备；能力匹配原则，作业线配套能力顺序由大到小:运输能力、装渣能力、开挖能力、施组能力；设备外形尺寸应与施工空间相适应，既要考虑围岩较好时的全断面法，又要兼顾地质较差时的应变方法，同一施工作业面，尽量采用一种机械化配套方案；为方便配件供应，通用互换及维修，保证设备使用效率，尽量同一厂商产的同类设备[8-9]。川藏铁路隧道高原低氧自然环境及复杂地质环境特征，钻爆法机械化快速施工设备选型按“快速施工，以机代人”的原则，选择能适应高原低氧环境下设备，并满足复杂地质环境对设备性能的需要。

3.5 钻爆法施工机械化配套原则

3.5.1 人少化原则

实施机械化配套以减少隧道施工作业人员，减少日益紧张的人力需求，作业人员成本提高，只有通过机械化特点及施工工期要求，体现以人为本的原则，实现机械化施工代替人工施工。

3.5.2 保证质量和安全必配原则

为确保工程质量，仰拱、铺底配置自行式仰拱栈桥，防排水作业线配置防水板自动安装台车，隧道二次衬砌作业线配置智能化台车，养护作业线配置养护作业台车，沟槽作业线配置沟槽台车。实现机械化配套技术能减少隧道发生安全事故的几率，提高了隧道施工安全性；同时，机械化施工效率能提高隧道初期支护和二次衬砌快速封闭成环，确保隧道能及时得到支护，减少对隧道围岩的扰动，提高隧道施工安全性。

3.5.3 减轻劳动强度和有利提高功效原则

在铁路长大隧道施工中实施配套技术是减轻作业人员劳动强度和提高功效的需要。采用机械化配套除了能保证隧道施工快速、质量稳定，也能减少人员投入，提高功效，作业强度大幅降低。在施工人员、设备配套情况下，施工人员安全能得到保障。先进的设备必须配备高素质的操作员，专业化管理，才能更好地服务现场[10]。

3.5.4 设备备用原则

凿岩台车、锚杆钻注一体机、湿喷机、拱架安装机、挖装运出渣设备等按一个标段备用2台。