田向軍

【摘 要】在海拔較高的地區(qū)以及極度寒冷的地區(qū)，機(jī)械的使用性能會(huì)大大降低，輸入功率也會(huì)降低。本文介紹了在高原環(huán)境下使大功率內(nèi)燃機(jī)功率保持的技術(shù)、在高原凍土地區(qū)鉆爆隧道的方法以及設(shè)備造型的配套原則、安全使用設(shè)備和設(shè)備使用管理技術(shù)等，這些技術(shù)在已完工的青藏鐵路建設(shè)中得到了檢驗(yàn)，現(xiàn)正在雀兒山隧道建設(shè)中不斷加以完善和革新。這樣就可以給類似的建設(shè)工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】高海拔；高寒區(qū)；凍土；設(shè)備；適應(yīng)性

0.前言

雀兒山隧道工程位于四川省甘孜州德格縣境內(nèi)國(guó)道317線，隧道全長(zhǎng)7048m。線路采用山嶺重丘區(qū)二級(jí)公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；隧道設(shè)計(jì)速度40km/h；隧道建筑限界：隧道主洞9.0*5.0m，平導(dǎo)和車行橫洞4.5*5.0m；隧道防水等級(jí)：二級(jí)，二次襯砌砼抗?jié)B等級(jí)不小于S8。第Q2標(biāo)段起訖里程為K344+500—K349+200，全長(zhǎng)4.695km，其中隧道主洞K344+500—K348+030，長(zhǎng)3530米，平導(dǎo)PK344+500—PK348+076，長(zhǎng)3576米。本標(biāo)段工程整體位于海拔4200m左右的高原地區(qū)，屬高海拔地區(qū)工程，具有海拔高、地應(yīng)力高、低氣溫、地含氧量、低氣壓的特點(diǎn)，年平均積雪日數(shù)為161天，年平均氣溫-0.3℃，具有海拔越高氣溫越低，積雪及結(jié)冰日期越長(zhǎng)，積雪厚度越大，氣候條件惡劣特點(diǎn)。同時(shí)造成機(jī)械設(shè)備及施工人員功效大幅度降低。

如此惡劣環(huán)境下，施工人員自身的生存和健康都難以保證，勞動(dòng)能力大打折扣。想要順利完成建設(shè)，必須大量利用大規(guī)模機(jī)械化的施工作業(yè)。在海拔將近5000米的高原上，惡劣的氣候環(huán)境使機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力輸出性能和工作效率嚴(yán)重降低，設(shè)備在低溫環(huán)境下工作也產(chǎn)生一系列的安全問題，還面臨要保護(hù)生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境等問題。本文討論了雀兒山隧道工程施工中的問題，主要是針對(duì)在高原環(huán)境下大功率內(nèi)燃機(jī)的適應(yīng)性、隧道鉆爆法施工設(shè)備與配套原則以及設(shè)備安全管理技術(shù)。

1.高原型工程機(jī)械的要求

因?yàn)榇髿鈮毫?、空氣密度、氣溫以及含氧量隨著海拔的升高而減少，所以高原型工程的施工機(jī)械在各個(gè)方面與平原型工程的機(jī)械差異性很大，隧道施工采用內(nèi)燃機(jī)械作業(yè)，無軌運(yùn)輸出渣。

1.1需要風(fēng)冷增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)和多級(jí)濾清或濕式空氣濾清器

在高原上含氧量低、氣壓低，普通發(fā)動(dòng)機(jī)在這樣的惡劣環(huán)境下工作效率顯著降低，所以要選用增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)來保持所需功率。高原上風(fēng)沙量較大，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過濾系統(tǒng)也有較高的要求。

1.2配置更有效的低溫啟動(dòng)裝置

在高原上進(jìn)行低溫啟動(dòng)不僅僅是低溫啟動(dòng)，而且是在嚴(yán)重缺氧的條件下進(jìn)行低溫啟動(dòng)。所以要求要比平原上的低溫啟動(dòng)要求要高。

1.3提高液力、液壓系統(tǒng)的流動(dòng)性和散熱性

在高原上需要改進(jìn)整機(jī)液體和液壓系統(tǒng)，提高散熱能力。這是因?yàn)樽兙仄鏖L(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行低效工作產(chǎn)生大量熱量，可是高原上稀薄的空氣影響到了散熱能力，密封性能也會(huì)降低。

1.4使用低溫油料和防凍冷卻液

在液壓油和冷卻液中添加防凍劑，使系統(tǒng)運(yùn)行溫度符合工作環(huán)境。并且使用低溫油料。

1.5駕駛室的要求

重視對(duì)駕駛室的密封、保暖、舒適度的保持。

2.高原內(nèi)燃機(jī)功率保持技術(shù)

高原上空氣稀薄、氣壓低，柴油機(jī)在如此環(huán)境下工作特性會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和工作經(jīng)驗(yàn)可以得出變化參數(shù)值。

2.1柴油機(jī)功率補(bǔ)償

柴油機(jī)單位汽缸工作容積的輸出功率為：

P=KΦηpn=CP

式中K修正系數(shù)，Φ充量系數(shù)，ф過量空氣系數(shù)，η單缸熱效率，ηm機(jī)械效率，ρs進(jìn)氣管中空氣密度，τ沖程數(shù)，n轉(zhuǎn)速。

C=KΦηn

式表明：在提高進(jìn)氣管空氣密度的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率基本上會(huì)按比例得到提升。一般是利用渦輪增壓技術(shù)來增加進(jìn)氣密度，實(shí)踐表明采用增壓技術(shù)后的柴油機(jī)功率一般能夠提高30%到40%。

2.2柴油機(jī)功率匹配

選擇柴油機(jī)時(shí)的計(jì)算功率匹配公式為：

N=N（1+KH）

式中N柴油機(jī)配置功率，N海拔一千米時(shí)柴油機(jī)的輸出功率， K功率補(bǔ)償系數(shù)，H海拔高度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)表明Kb取值為：海拔在3000到3500米時(shí)為4；海拔在3600到4500米時(shí)為6；海拔在4600到5100米時(shí)為8。這樣可以避免發(fā)生功率浪費(fèi)或者動(dòng)力不足的現(xiàn)象。

2.3其它改進(jìn)技術(shù)

2.3.1柴油機(jī)供油提前角度調(diào)整

在高原上有著火延遲，將柴油機(jī)供油提前角進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶崆?，這樣可以提升柴油機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)適當(dāng)減少供油量以免影響機(jī)組正常運(yùn)行。

2.3.2進(jìn)氣管和空氣濾清器的調(diào)整

增壓式柴油機(jī)的濾清器是采用旋風(fēng)紙質(zhì)空氣式的，這樣可以保證在高原的缺氧條件下柴油機(jī)仍可以吸入足夠的空氣，空氣濾清器和進(jìn)氣管的進(jìn)氣量也得到增加。

2.3.3排氣管和消聲器的調(diào)整

增壓柴油機(jī)采用的是分支氣管，每列氣缸的廢氣可以通過兩根排氣支管接到增壓器，柴油機(jī)排氣管的內(nèi)徑要小于外接排氣管。

發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音可以通過消聲器來進(jìn)行降低。在消聲器安裝后增加了排氣阻力，這樣就使發(fā)動(dòng)機(jī)功率受到影響。所以要改用大一些的消聲器，這樣排氣背壓、排氣阻力得到減小，從而實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的。

2.3.4散熱水箱的調(diào)整

要采用高原型水箱，在水箱的進(jìn)水室中裝配緩沖板，這樣就可以使水箱內(nèi)壓得到降低。

2.3.5低溫柴油、冷卻液和機(jī)油的使用

采用-35號(hào)輕柴油、乙二醇防凍液、L-ECC5W/30專用稠化機(jī)油。

經(jīng)過采用上述的這些新技術(shù)，在海拔4897米的風(fēng)火山隧道進(jìn)口進(jìn)行實(shí)測(cè)，康明斯 250 千瓦發(fā)電機(jī)的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，最大負(fù)荷工作時(shí)輸出功率達(dá)到170至180千瓦。

3.設(shè)備防寒和低溫啟動(dòng)技術(shù)

柴油機(jī)在高海拔惡劣環(huán)境下進(jìn)行低溫啟動(dòng)不同于平原地區(qū)的低溫啟動(dòng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)備實(shí)施防寒等措施，以抵抗惡劣環(huán)境正常進(jìn)行低溫啟動(dòng)。

3.1架設(shè)防寒保溫大棚

架設(shè)配有加溫裝置的防寒保溫大棚，可以對(duì)車輛進(jìn)行加溫。大部分車輛和工程機(jī)械都可以采用此措施。在青藏鐵路施工中此法得到了有效的利用。

3.2火焰預(yù)熱

許多汽車公司均針對(duì)高原環(huán)境對(duì)汽車加裝乙醚低溫起動(dòng)裝置、火焰預(yù)熱輔助起動(dòng)系統(tǒng)。這樣可以使汽車在海拔4000 米、-30℃的地區(qū)，甚至是缺氧的條件下都可以成功起動(dòng)。但是由于此種起動(dòng)是冷車起動(dòng)，所以會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不利影響。

3.3蒸汽預(yù)熱加溫器起動(dòng)措施

一個(gè)在高原高寒地區(qū)可以提高機(jī)械起動(dòng)性能的可靠措施，使用加溫器預(yù)先對(duì)水套和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行蒸汽預(yù)熱，可以使暖車時(shí)間得到減少，機(jī)械磨損得到降低。

3.4電預(yù)熱塞起動(dòng)

利用電熱絲預(yù)熱進(jìn)氣管中的空氣或者油底殼的機(jī)油以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

還有許多其他方法也可以實(shí)現(xiàn)高原低溫起動(dòng)，例如增設(shè)離合器、低溫冷起動(dòng)與加溫器聯(lián)合使用、加大蓄電池容量等措施。

4.隧道鉆爆法施工設(shè)備選型配套原則

設(shè)備選型原則非常重要，即盡量少選內(nèi)燃設(shè)備而多選用電動(dòng)設(shè)備和風(fēng)動(dòng)設(shè)備；少選小型設(shè)備而多選用大型設(shè)備；少選舊設(shè)備而多選用新設(shè)備。配套原則：保證常用設(shè)備數(shù)量充并具有穩(wěn)定的生產(chǎn)能力且配套完善，還要配置制氧與供氧設(shè)備、防寒保暖設(shè)備、洞內(nèi)環(huán)境升溫與控制系統(tǒng)等。

4.1鉆孔設(shè)備

和普通地區(qū)隧道施工相比不同的是，應(yīng)當(dāng)采用三臂或者兩臂的液壓鉆孔臺(tái)車。

4.2支護(hù)和襯砌機(jī)械

支護(hù)層是采用拱架模板拼裝式，二次襯砌是采用液壓模板臺(tái)車。在用混凝土泵送混凝土入模的作業(yè)時(shí)，必須重視控制混凝土的出站溫度和入模溫度。

4.3其它設(shè)備

4.3.1通風(fēng)、供暖系統(tǒng)

采用高原專用通風(fēng)和供暖機(jī)組并結(jié)合洞內(nèi)氣溫的要求，調(diào)節(jié)鍋爐蒸汽溫度與供熱量并經(jīng)過通風(fēng)管送入隧道的工作面，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整工作面溫度的目的。

4.3.2制氧、供氧系統(tǒng)

采取安全可靠的措施進(jìn)行隧道供氧，不僅保證了工作人員的身體健康，更有利于提高工人的工作效率，保障了隧道施工的順利完成。

5.結(jié)論

高原高寒地區(qū)的環(huán)境氣候惡劣，高度機(jī)械化的施工方式是青藏鐵路工程得以完成的保障，也是雀兒山隧道建設(shè)的強(qiáng)有力武器。借鑒青藏鐵路的成功建設(shè)，和正建設(shè)的雀兒山隧道，這些在高原高寒地區(qū)作業(yè)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以拓展到很多其他類似建設(shè)工程當(dāng)中。

大型化高原型常用設(shè)備和高原專用設(shè)備的綜合配套、設(shè)備防寒和低溫啟動(dòng)技術(shù)、低溫油料使用與管理技術(shù)、完善的配件儲(chǔ)備、設(shè)備維修保養(yǎng)技術(shù)等都是設(shè)備可以正常工作和安全使用的重要保證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]石愛勤，羅國(guó)璽，靳生盛.高原環(huán)境下工程機(jī)械使用技術(shù)[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（04）.

[2]江亦元，王夢(mèng)恕，王星華，湯國(guó)璋.高原多年凍土隧道施工技術(shù)及方案研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006（02）.

[3]任少?gòu)?qiáng).高原凍土隧道施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施[J].鐵道建筑技術(shù)，2003（S1）.