高铁隧道钻爆法主要工序作业时间特征研究

段 铮,王朋乐

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308； 2.长安大学,西安 710064)

1 概述

近年来，随着国家交通基础设施投资建设的步伐不断加快及铁路隧道修建技术的不断提高，特长隧道在铁路建设中不断增多[1]，如石太高铁太行山隧道[2-3]；兰新铁路乌鞘岭隧道[4-5]；青藏铁路关角隧道[6-7]及向莆铁路青云山隧道[8]等，长度均超过20 km。在隧道长度不断增加的同时，地质条件异常复杂，隧道的施工工期预测也更加困难。为了更好地预测高速铁路隧道施工工期，控制施工成本，有必要通过现场调查方式收集不同围岩条件下的开挖工序作业时间，分析相应条件下的工序时间特性，从而对隧道工期进行预估。

目前，通过现场施工数据对施工行为进行预测的研究主要集中在地铁隧道方面，其中具有代表性的是王等[9]基于数值模拟-人工神经网络-蒙特卡罗原理耦合方法，对地铁隧道坍塌事故风险进行预测；周健等[10]提出了一种盾构隧道施工预测与动态调控方法，通过施工参数来预测地层损失率，从而对施工行为进行动态调控。在隧道施工工期预测方面，杨国庆[11]依据隧道施工现场资料，优化辅助坑道设置，研究出合理可行的建设工期。邬彪红[12]通过研究隧道施工中的机械化配套方案，缩减隧道施工工期，加快了隧道进度。综合来看，对于隧道施工工期的预测主要根据正常的施工顺序、劳动力效率、最小作业面积、间歇时间等综合确定，缺乏有效的计算公式[13-16]。

本文以350 km/h双线高速铁路隧道典型循环开挖进尺及施工方法为例，Ⅱ级围岩进尺3.5 m，多功能台架人工钻爆全断面施工；Ⅲ级围岩进尺3 m，多功能台架人工钻爆双台阶法施工；Ⅳ级围岩进尺2 m，多功能台架人工钻爆双台阶法施工；Ⅴ级围岩进尺0.6 m，多功能台架人工钻爆三台阶法施工，研究掌子面钻孔工序、装药爆破工序、出渣工序、立架工序和湿喷工序的作业时间特征，同时分析不同工序作业时间在作业总时间中的占比情况，提出高速铁路隧道施工工序作业时间预测方法，并通过工序时间占比情况提出有针对性的加快高速铁路隧道施工效率的建议。

2 工序作业时间分析及预估

2.1 钻孔工序

钻孔工序通常采用人工手持风动凿岩机进行钻孔作业，本文选取了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V四种级别围岩各20组作业时间数据，由于不同隧道钻孔人员与钻孔数量不同，因此将各钻孔工序时间换算成钻单个深度为1 m的孔洞所用时间，并求出不同围岩等级下的钻孔时间平均值，见图1。

图1 不同等级围岩钻单个每延米孔洞所用时间

由图1可以看出，Ⅴ级围岩钻单个每延米孔洞平均时间为5.93 min， Ⅳ级围岩为4.21 min，Ⅲ级围岩为3.74 min，Ⅱ级围岩为3.83 min，说明围岩情况较好时每延米钻孔所用时间较短，因为围岩较硬时成孔较易保持，不需要重复钻孔，钻孔时间为纯钻眼时间。钻孔总时间可根据每延米钻孔所用时间、钻孔总数量、钻孔作业人数等综合确定，计算公式如下

(1)

式中，T1为钻孔总时间；α1为钻孔工人的熟练程度；t1为每延米钻孔所用时间，min；d为循环开挖进尺，m；Nzk为单循环钻孔总数量；nzk为钻孔作业人员数量。

2.2 装药爆破工序

钻孔工作完成后，装药人员按设计每孔装药量进行装药，由于不同施工现场的装药人员和钻孔数量不同，因此将装药时间换算成每个装药人员不同进尺下的单孔装药时间，并求出平均时间，见图2。

图2 不同开挖进尺下单孔装药时间

由图2可以看出，不同开挖循环进尺下单孔装药所用时间不同，但具有一定趋势，对图2中的4组单孔装药平均时间数据进行拟合，拟合结果见图3，则单孔装药平均时间t2与孔深d的关系为

t2=0.76d+2.37

(2)

进一步可求出装药爆破工序作业时间T2的计算公式

图3 单孔装药平均时间拟合结果

(3)

式中，α2为装药工人的熟练程度；n为炮眼的种类；di为炮眼深度，m；nzy为装药作业人员数量。

2.3 出渣工序

在隧道出渣过程中，及时迅速地将开挖的石渣运至弃渣场是制约隧道施工进度的决定性因素。装渣作业主要以挖掘机扒渣、装载机装渣为主。运渣作业主要分为无轨式和有轨式，其中无轨运输采用自卸汽车进行出渣，有轨运输采用机车拖动斗车进行出渣作业[17]。本文主要对采用装载机装渣、自卸汽车运渣的无轨式出渣模式进行分析。

在隧道开挖循环进尺d确定后，总渣量Vqz相应确定，其计算公式为

Vqz=RηdS

(4)

式中，R为岩体松胀系数；η为超挖系数，视爆破质量而定，一般可取1.15～1.25；S为开挖断面面积，m2。

在出渣总量确定后，为尽快将爆破下来的洞渣运至洞外，需要配置足够的自卸汽车保证运输的连续性，自卸汽车在理想状态下的最优配置数量为

(5)

式中，Lqz为弃渣场到隧道洞口的距离，m；Ljc为隧道累计进尺，m；vzx为自卸汽车满载行驶与空车行驶的平均速率，m/min；Tzm为装载机装满1辆自卸汽车所需的时间，min。

装载机装满1辆自卸汽车所需时间Tzm的计算公式为

(6)

式中，Vzx为自卸汽车斗容，m3；nzz为装渣用装载机数量；βzz为1台装载机的实际装载效率，m3/min。

若施工现场配置的自卸汽车数量不少于最优配置数量nc，则不会发生装载机窝工等车装渣的现象，这种情况下出渣总时间为

(7)

2.4 立架工序

当前高速铁路隧道的立架工序仍较多采用人工立架方式，作业人员多劳动强度大。由于Ⅱ、Ⅲ级围岩稳定性相对较好，工法多以全断面、台阶法为主，一次开挖进尺较大，不设或者很少设置钢架，而Ⅳ，Ⅴ级围岩段围岩稳定性相对较差，施工工序相对繁多，工法选择以微台阶、三台阶或三台阶临时横撑等为主，一次开挖进尺较短，且需要设置钢架，不同等级围岩的初期支护参数见表1。

本文主要对Ⅳ，Ⅴ级围岩段的立架时间进行统计分析，即Ⅳ级围岩段每循环开挖进尺2 m，支立钢架2榀；Ⅴ级围岩段每循环开挖进尺0.6 m，支立钢架1榀。由于不同等级围岩开挖进尺不同、立架参数不同，因此将其换算成不同等级围岩一次开挖后的每榀立架时间，并求出平均时间，见图4。

由图4可以看出，Ⅴ级围岩每榀平均立架时间为160 min，Ⅳ级围岩每榀平均立架时间为111 min。立架总时间T4可根据每榀平均立架时间、立架榀数等综合确定，计算公式为

表1 不同等级围岩的初期支护参数

T4=α3t3nps

(8)

式中，α3为立架工人的熟练程度；t3为不同等级围岩下每榀平均立架时间；nps为立架榀数。

图4 不同等级围岩每榀立架时间

2.5 湿喷工序

立架完成后需要进行初期支护的喷射混凝土作业，主要对采用湿喷机喷射混凝土、罐车运输混凝土的作业模式进行分析。湿喷工序作业时间T5可通过初期支护每延米设计混凝土用量，湿喷混凝土回弹率，湿喷机实际喷射效率，开挖循环进尺等综合确定，计算公式为

(9)

式中，α4为湿喷机延误系数；Vhn为设计每延米混凝土用量，m3/m；αht为湿喷混凝土回弹率；vs为湿喷机实际喷射效率，m3/min。

3 五部工序作业时间计算

隧道掌子面钻孔、装药爆破、出渣、立架和湿喷这五部工序的作业时间直接决定着隧道循环总时间。依据某高速铁路隧道在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ四种不同等级围岩段的实际施工参数进行作业时间计算，计算结果见表2，同时给出五部工序的实际作业耗时及各工序在总耗时中的占比情况，见表3、表4。

表2 五部工序计算作业耗时

表3 五部工序实际作业耗时

表4 五部工序实际作业耗时在工序总耗时中的占比情况

由表2和表3可以看出，Ⅱ级围岩进尺3.5 m时计算作业总耗时778.6 min，每延米计算耗时222.5 min，而实际作业总耗时785 min，每延米实际耗时224.3 min，相差极小，其他3种围岩中各工序计算作业耗时与实际耗时也相差不大。因此，通过预估公式计算得到的工序作业时间与实际作业时间吻合度较高，具有一定的指导意义。

由表4可以看出，钻孔工序采用人工手持风动凿岩机进行钻孔，作业耗时占工序总耗时的12%～23%，作业时间较短，但存在作业人员数量多，劳动强度大的问题；装药工序作业耗时占比不高于10%，作业人员劳动强度低，作业时间短；出渣作业采用自卸汽车出渣配合装载机装渣，作业时间基本不超过总时间的20%，在保证机械数量配置充足的情况下，出渣工序采用机械化施工大大缩减了作业强度和作业时间；立架工序采用人工作业，作业时间占总耗时的33%～49%，作业时间长劳动强度高，不满足快速施工的要求，也不适合高海拔高寒等特殊地区的隧道施工，因此应加强立架工序的机械化程度，减少作业人员的劳动强度和作业时间；湿喷工序采用混凝土罐车配合湿喷机进行湿喷混凝土作业，作业耗时占总耗时的20%～50%，作业时间长，因此应优化湿喷方式，充分发挥湿喷机湿喷效率，缩短湿喷作业时间。

4 结语

随着“一带一路”倡议的实施，中西部地区势必要建设更多的铁路隧道，仅依靠建设经验来预估隧道施工工期具有很大的局限性[18-20]。本文通过收集隧道施工过程中的开挖参数与作业时间，对隧道施工工期计算进行细化，利用数理统计方法分析施工工序时间特性，推导出预估公式，并将计算结果与实际工序耗时进行对比，得到以下结论。

(1)针对350 km/h双线高速铁路隧道，不同围岩等级下的隧道施工难度不均，基本表现为隧道围岩越差，钻孔工序、立架工序作业时间越长；装药爆破工序主要跟隧道循环开挖进尺有关，服从一次函数关系；出渣工序与湿喷工序作业时间主要受循环开挖进尺、机械配套水平的影响，根据机械的实际施工效率等参数可以对工序作业时间进行预估。

(2)立架工序与湿喷工序的作业时间占五部作业工序总时间的比例较大，立架时间中Ⅳ级和V级围岩的每榀平均立架时间分别为111 min和160 min，因此立架工序已成为限制隧道施工工期的重要因素节点，应加强较差围岩段立架工序的机械化程度，减少人员作业强度及作业时间；不同进尺下湿喷工序作业时间均占总时间的20%以上，因此应优化湿喷方式，充分发挥湿喷机的湿喷效率。

(3)通过对比某高速铁路隧道掌子面五部工序实际作业耗时，证明了各工序作业时间预估公式的合理性，因此该研究成果可为采用相同施工方法的长大铁路隧道施工工期预测提高参考和借鉴。