高原高寒特長鐵路單線隧道機械化施工配套技術(shù)應(yīng)用

朱琴生

(中鐵隧道一處有限公司，重慶 401120)

高原高寒特長鐵路單線隧道機械化施工配套技術(shù)應(yīng)用

朱琴生

(中鐵隧道一處有限公司，重慶 401120)

以阿爾金山特長隧道為例，講述了高原高寒地區(qū)特長鐵路單線隧道機械化施工配套技術(shù)的應(yīng)用，為類似隧道鉆爆法快速施工技術(shù)提供參考。

高原高寒隧道；機械化配套；快速施工

西部大開發(fā)“十三五”規(guī)劃已發(fā)布，西部的陸橋通道、京藏通道、川藏通道將得到快速發(fā)展，高原高寒地區(qū)的長大隧道的修建將大量出現(xiàn)，由于高原特殊的自然環(huán)境，采取大規(guī)模的機械化配套技術(shù)進行隧道建設(shè)將成為必然。

1 工程概況及特點

格庫鐵路阿爾金山特長隧道位于新疆與青海的界山—阿爾金山的巴什考供埡口，橫跨索爾庫里盆地，隧道起訖里程為DK568+910～DK582+105，全長13195m，平均海拔高度在3300m，隧道最大埋深650m。隧道采用兩座斜井+出口平導輔助正洞施工，該區(qū)屬于青藏高原戈壁灘寒帶氣候區(qū)，其氣候特點主要為干旱少雨，四季溫差大，冬季漫長酷寒，夏季短暫，多風、干燥，主要體現(xiàn)在：年平均氣溫2.9℃，最冷月平均-25.1℃，最低-34.3℃，冰雪期長達9個月，最大凍結(jié)深度為2.5m，空氣壓力低，空氣壓力卻隨著海拔高度的增加而降低，氧氣壓力也隨之降低，據(jù)測算,在海拔4270米高處，工程所處 阿爾金山地區(qū)氧氣壓力只有海平面的62%，導致嚴重缺氧。隧道穿越的地質(zhì)極其復(fù)雜，施工難度極大。

2 高原缺氧對內(nèi)燃工程機械性能的影響

青藏高原被譽為世界屋脊，高原上空氣稀薄，風沙大，氧氣較少,對工程機械的各項性能指標影響嚴重，具體表現(xiàn)在 ：（1）高寒缺氧導致過量空氣系數(shù)下降，燃料后燃嚴重，動力性和經(jīng)濟性均變差，熱負荷和煙度增加，環(huán)保壓力大。（2）空氣密度低，風冷系統(tǒng)散熱能力下降,冷卻液沸點降低，發(fā)動機熱負荷增加。（3）發(fā)動機氣缸壓縮終點的壓力與溫度下降，機油粘度上升，導致發(fā)動機低溫啟動困難。（4）大氣中含塵量大，空氣濾清器過濾性變差，將加快發(fā)動機的氣缸套磨損。（5）渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配性變壞,壓氣機效率下降，油耗增加，功率下降，機械作業(yè)效率明顯下降。

3 高原高寒戈壁灘地區(qū)隧道施工機械化技術(shù)措施

（1）合理調(diào)整柴油內(nèi)燃機噴油泵的供油提前角、縮短供油時間，選用低流動性的柴油、液壓油和機油，降低阻力，調(diào)節(jié)發(fā)電機的充電電壓，以改善供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)。（2）強化空氣濾清器的管理，高原戈壁灘環(huán)境大氣粉塵大，增大了進氣阻力，將縮短空濾器使用壽命，導致空氣濾清效率低下，加大發(fā)動機的早期磨損，應(yīng)縮短空氣濾清器的更換周期。 （3）對于固定式機械設(shè)備如內(nèi)燃發(fā)電機，要搭建機房，加設(shè)電瓶保溫箱，機房內(nèi)采用暖氣、電熱爐保溫措施保證發(fā)動機高原低溫啟動。

4 高寒隧道快速施工機械化配套總體方案

4.1 機械化施工配套總體方案

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖，采用全斷面施工；Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法施工，以隧道類型、斷面、圍巖級別、隧道施工綜合進度、隧道圍巖作為依據(jù)，全斷面和臺階法施工的設(shè)備配置方案分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級三種機械化配套模式，分別對應(yīng)三種綜合施工進度指標。

Ⅰ級機械化配套方案適用于需要施工進度最快且業(yè)主有設(shè)備專項費用時的配置模式，開挖作業(yè)線中采用三臂液壓鑿巖臺車進度較快，成本與人工開挖成本逐步接近，采用鑿巖臺車對隧道圍巖的擾動小，Ⅱ級機械化配套方案適用于施工進度較快且業(yè)主或施工單位自身有需求時的配置模式；Ⅲ級機械化配套配置適用于常規(guī)施工組織的配置模式。

4.2 機械化配套設(shè)備選型原則

（1）針對不同的施工工序按專業(yè)化組織流水作業(yè)，以性能好、效率高、機況良好的大型設(shè)備裝配挖裝運、錨噴、襯砌、輔助作業(yè)等主要作業(yè)線，實現(xiàn)各機械化作業(yè)線的有機配合，用機械化程度的提高來實現(xiàn)隧道施工的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。（2）作業(yè)線配套能力順序由大到小為：運輸能力、裝渣能力、開挖能力、施組能力。（3）施工機械與施工方法配套，既要考慮圍巖較好時的全斷面法，又要兼顧地質(zhì)較差時的應(yīng)變方法。（4）施工機械與人員配套，一方面，應(yīng)保證操作人員的安全，另一方面，先進的施工機械必須配備高素質(zhì)的操作人員，以便發(fā)揮其最好的作用。（5）設(shè)備配置富余系數(shù)不宜過大，以避免造成部分設(shè)備能力的浪費。（6）設(shè)備外形尺寸應(yīng)與隧道斷面相適應(yīng)，并根據(jù)不同的施工形式優(yōu)化配置；以便適應(yīng)特長隧道施工的特點。（7）施工機械要和隧道輔助施工作業(yè)配套，如電力、排水、供水、通風、軌道等。（8）盡可能采用同一個廠家出產(chǎn)的同類機械的設(shè)備，這樣方便其維修、配件供應(yīng)和通用互換，確保機械使用率。同時，充分考慮設(shè)備國產(chǎn)化。

4.3 格庫鐵路阿爾金山特長隧道機械化配套方案

阿爾金山單線鐵路隧道由于地處高原高寒戈壁灘地區(qū)，斷面小，工作空間不足，通風不易解決等因素，其施工機械化程度較雙線鐵路隧道施工弱。按其作業(yè)方式可分為全斷面開挖和臺階法開挖兩種方式。單線鐵路隧道施工設(shè)備的種類與雙線隧道設(shè)備種類區(qū)別在于隧道斷面的區(qū)別，主要有仰拱作業(yè)設(shè)備、模板臺車、防水板作業(yè)設(shè)備、開挖作業(yè)設(shè)備等，阿爾金山隧道建設(shè)二號斜井區(qū)采用Ⅰ級機械化配套方案，主要設(shè)備如下。（1）超前地質(zhì)鉆孔及預(yù)報設(shè)備。①自行式全液壓旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機。采用日本礦研生產(chǎn)的RPD-150C型自行式履帶全液壓沖擊式鉆機，可以完成超前地質(zhì)探孔，可直接取芯、現(xiàn)場記錄、注漿、排水及釋放有害氣體等，能快速完成各種地質(zhì)巖層的長、短距離的超前地質(zhì)預(yù)報，及時獲取并記錄鉆孔過程的數(shù)據(jù)，判斷隧道前方地質(zhì)情況，及時準確的為施工服務(wù)，實施鉆注一體化，以便采取不同技術(shù)措施指導施工生產(chǎn)。②TSP203超前地質(zhì)預(yù)報。利用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，可以快捷地預(yù)報開挖掌子面前方100～350m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，為阿爾金山隧道建設(shè)二號斜井區(qū)及時改變施工工藝提供了依據(jù)，減少了施工中突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的危險性，為長洪嶺隧道進口安全施工提供了保障，減少了人員和設(shè)備的損傷，帶來了很大的經(jīng)濟效益。（2）開挖設(shè)備。阿爾金山隧道二號斜井采用采用瑞典阿特拉斯生產(chǎn)的BoomerXE3C 全電腦三臂鑿巖臺車進行鉆孔，同時配置鑿巖臺車專用工作籃，進行隧道測量劃線、裝藥、連線等作業(yè)。①根據(jù)預(yù)設(shè)圖紙，實現(xiàn)自動定位控制、鉆孔過程自動控制、鉆孔數(shù)據(jù)分析，鉆孔速度更快，準確率和精確度更高，鉆具更節(jié)約。②可實現(xiàn)一人操作，電腦自動控制，對操作人員水平要求低，減少了人員數(shù)量和人為因素影響；③全過程數(shù)據(jù)記錄和分析，為每個循環(huán)提供改進參考，提高爆破質(zhì)量，減少超欠挖工程量。（3）出碴設(shè)備。阿爾金山隧道二號斜井配備了一臺PC200挖掘機，用于找頂扒碴工序施工，正洞采用側(cè)卸式裝載機ZL40B進行裝碴作業(yè)，出碴作業(yè)采用25T型自卸汽車調(diào)配出碴，并根據(jù)運距的長短適量補充自卸汽車數(shù)量。（4）噴射混凝土機械。由于濕噴機械手具有良好的可操縱性，噴嘴本身的全方位可調(diào)可操作性能，使操作人員能根據(jù)巖面的起伏凹凸作精細的噴射方向調(diào)整，從而大大降低回彈率，其回彈率大約在13%～17%，依據(jù)噴混凝土作業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從混凝土的回彈率、人員配置、能源消耗、工作效率等方面對小型濕噴機和濕噴機械噴漿手兩種方案的經(jīng)濟性進行分析得出：當使用時間長，月噴射方量較大時采用機械手更為經(jīng)濟實惠；由于小型濕噴機工作條件差，使用穩(wěn)定性差，其適合于使用時間短，噴射總量少的狀況，因此為進一步提高機械化配套施工的工效，在阿爾金山隧道二號斜井均采用一輛ZS25D混凝土濕噴臺車。（5）混凝土施工成套設(shè)備。①仰拱及填充。采用履帶式液壓24m仰拱棧橋、弧形模板、鋼端模全幅分次澆筑，仰拱一次澆筑長度12m；輔助坑道采用簡易棧橋全幅分段澆筑。②拱墻襯砌。自制防水板安裝機鋪設(shè)防水板、土工布，分開鋪設(shè)并采用“熱熔墊圈+超聲波熱熔”焊接固定方式；混凝土采用輸送泵配合12m整體模板臺車澆筑，輔助坑道采用9m整體模板臺車；模板臺車集附著式振動器、分料裝置、獨頭半鋼模、拱頂壓降裝置于一身，加工時預(yù)設(shè)計，注重入料窗口位置的優(yōu)化；各類洞室采用鋼模板與正線襯砌一同澆筑，一次成型；襯砌段設(shè)多功能臺架，集拱頂壓降、自動噴淋養(yǎng)護、掉塊處理功能與一身。（6）通風設(shè)備選型。阿爾金山隧道建設(shè)二號斜井區(qū)段通風距離大于4000m，必須采用巷道式通風方能滿足長距離通風要求，各區(qū)段通風均采用變頻節(jié)能風機，大功率風機盡量集中采購高性能設(shè)備。

5 結(jié)語

高原高寒戈壁灘地區(qū)的環(huán)境氣候惡劣，人煙稀少，機械化配套施工能夠提高施工速度、增大員工安全系數(shù)、改善員工作業(yè)環(huán)境、降低員工作業(yè)強度、保障工程質(zhì)量、減少人力資源投入，降低工程成本，大規(guī)模的機械化配套施工是格庫鐵路得以完成的保障，也是阿爾金山隧道建設(shè)的強有力武器，為高原、高寒、缺氧地區(qū)隧道施工提供了一定的借鑒經(jīng)驗。

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U455.3

A

1671-0711（2017）05（下）-0147-02