劉禹陽，王朋樂，汪碧云，席錦州

(1.長安大學建筑工程學院，西安 710061；2.長安大學公路學院，西安 710061; 3.四川川交路橋有限責任公司，成都 618399;4.四川公路橋梁建設集團有限公司，成都 610041)

近年來，由于社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，國家對公路及鐵路隧道建設效率與建筑質量的要求越來越高。機械化施工具有施工進度快、建筑質量高、環(huán)境污染小和安全保障高等優(yōu)點，越來越受到隧道建設者的青睞，“機械化換人，自動化減人”口號不斷落實到各工程項目當中[1-4]。當前中國機械化施工配套水平可分為兩種：加強型機械化配套與普通型機械化配套[5]。雖然采用鑿巖臺車等大型先進機械的加強型機械化施工技術更為先進，作業(yè)人員的勞動強度更低，并且有較多學者對加強型機械化配套施工下的施工設備配套、施工組織和技術措施等進行了相關研究[6-10]，但在實際工程中由于一次性投入資金過大，先進機械成體系施工難度大等諸多問題，普通型機械化配套依舊是隧道施工作業(yè)的首要選擇。

目前，對于機械化施工配套理論方面的研究主要集中在道路方面，如楊秦森[11]采用排隊論方法對道路修筑中裝載機與汽車配合施工模式進行研究，建立了裝載機-汽車相互配合系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學模型，得出與各種裝載機相配合的汽車載重量和車輛臺數(shù)。當前有關公路隧道機械化配套方面的研究還較少，有對工程現(xiàn)場施工機械化配套效果的研究，如劉進軍[12]以巖山隧道為依托，將大型機械設備如水平超前鉆機、濕噴機等同常規(guī)機械在施工速度、施工質量等方面進行比較，得出機械化施工在以上方面及經(jīng)濟性上都是優(yōu)于常規(guī)的人工開挖機械；陳豪[13]從施工進度、施工質量和施工成本三個方面建立評價體系，對比了公路隧道鑿巖臺車配合立拱臺車施工與人工鉆爆法施工的區(qū)別。有學者對各施工機械配套模式的研究，如趙東波[14]依托安琶鐵路甘姆奇克隧道工程，對隧道開挖、裝運和支護等不同工序進行機械化施工設備配置，并對比了不同機械配置的工效差異。也有學者對不同地質條件下的機械化施工技術進行研究，如李洋等[15]對軟弱圍巖下機械化配套技術進行研究，實現(xiàn)了軟弱圍巖段的隧道機械化快速施工?？偠灾壳皩匪淼罊C械化施工中機械配置數(shù)量的研究還不充分，無法做到合理安排施工機械，使工序作業(yè)總時間最短。因此，為加快隧道施工進度，最大程度的發(fā)揮機械化施工優(yōu)勢，有必要對隧道施工工序內機械配置數(shù)量進行研究。

公路隧道機械化配套指公路隧道修筑過程中采用的各機械設備間的匹配關系，只有合理的匹配關系才能充分發(fā)揮隧道施工設備的整體效益。隧道施工中掌子面開挖出渣和初期支護及時施做是制約隧道施工進度的關鍵工序，出渣與濕噴工序內存在兩種機械配套關系，即出渣工序內裝載機與自卸汽車的配套關系，濕噴工序內濕噴機與混凝土罐車的配套關系。由于隧道斷面的限制，用于出渣作業(yè)的裝載機數(shù)量最多為2臺，用于濕噴作業(yè)的濕噴機數(shù)量基本為1臺，對于以上兩工序的機械配套研究主要是對運輸機械自卸汽車及混凝土罐車的配置數(shù)量進行研究。

現(xiàn)依托在建世界第一特長螺旋隧道——金家莊螺旋隧道工程，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)調研，對隧道出渣與濕噴作業(yè)中運輸機械數(shù)量配置進行研究，給出出渣工序內自卸汽車最優(yōu)配置數(shù)量計算公式和不同自卸汽車配置數(shù)量下的出渣總時間計算公式，對濕噴作業(yè)線上混凝土罐車配置數(shù)量進行優(yōu)化，給出增加罐車數(shù)量的合理進尺。本研究成果可判斷運輸機械數(shù)量配置是否合理，可為隧道開工前的機械設備計劃和工期分析提供理論支持，對加快隧道施工進度、充分發(fā)揮機械設備作業(yè)效率具有重要意義。

1 研究背景

新建延慶至崇禮高速公路位于張家口市東部地區(qū)，全長113.624 km，是北京至張家口聯(lián)合舉辦冬奧會中連接延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的重大交通保障項目，是冬奧會注冊運動員轉場的首選通道。

金家莊特長螺旋隧道位于張家口市赤城縣炮梁鄉(xiāng)磚樓村東、金家莊村西北方向，是延崇高速公路的重點控制性工程，隧道左幅ZK80+398～ZK84+626，長4 228 m，隧道右幅K80+386～K84+490，長4 104 m，為世界第一特長螺旋隧道，如圖1所示。本隧道要求在2019年4月貫通，建設總時長為24個月，由于隧道地處冀北山區(qū)，冬季寒冷漫長，嚴重影響施工，造成項目工期緊、任務大，如何在現(xiàn)有機械化配套基礎上實現(xiàn)快速施工，是項目要解決的關鍵問題。

圖1 金家莊特長螺旋隧道

金家莊特長螺旋隧道內輪廓設計寬度13.86 m，高度12.16 m，開挖面積達150.6 m3，洞身以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，采用臺階法或預留核心土臺階法開挖，其中，上臺階開挖寬度為14.5 m，開挖高度為7.5 m。初期支護采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C35混凝土澆筑，Ⅲ級圍巖段內，初期支護厚14 cm，二次襯砌40 cm。Ⅳ級圍巖段內，初期支護厚24 cm，二次襯砌45 cm。

為實現(xiàn)工期要求，金家莊特長螺旋隧道采用自卸汽車出渣配合裝載機裝渣的無軌運輸出渣模式，其中單洞配置自卸汽車6輛，裝載機2臺；采用混凝土罐車配合濕噴機進行初支作業(yè)，其中單洞配置混凝土罐車2輛，濕噴機1臺。

由于出渣工序的作業(yè)總時間受裝載機實際裝載效率決定，而裝載機實際裝載效率由自卸汽車的配置數(shù)量影響，同樣濕噴工序的作業(yè)總時間由濕噴機實際濕噴效率決定，而混凝土罐車的配置數(shù)量影響濕噴機噴射效率的發(fā)揮，因此在裝載機與濕噴機配置數(shù)量確定的情況下，應對自卸汽車及混凝土罐車的配置數(shù)量進行研究。

2 主導機械停機等待時間特征

將出渣工序內的裝載機和濕噴工序內的濕噴機定義為主導機械，將自卸汽車及混凝土罐車定義為運輸機械，現(xiàn)場調研隧道進口里程ZK81+115～ZK81+355內的60個開挖作業(yè)循環(huán)，對出渣與濕噴作業(yè)過程中裝載機和濕噴機的停機等待時間進行統(tǒng)計。取每個循環(huán)下等待時間的平均值，裝載機的等待時間與濕噴機等待時間如圖2與圖3所示，其中，等待時間的正負分別代表運輸機械未及時到達和提前到達，等待時間為正值時，主導機械停機，作業(yè)停滯。

圖4 出渣作業(yè)模式

圖2 裝載機停機等待時間

圖3 濕噴機停機等待時間

由圖2可知，累計開挖至ZK81+225之前，自卸汽車的配置數(shù)量滿足主導機械裝載機的裝渣效率，裝載機無需等待自卸汽車，隨著隧道累計進尺逐漸增加，在某一臨界累計進尺后，裝載機停機等待問題逐漸凸顯，停機等待時間總體呈線性快速增加，由于自卸汽車的運輸時間受到現(xiàn)場組織協(xié)調和機械管理水平等因素影響，等待時間在線性增長趨勢下出現(xiàn)離散。圖3中濕噴機等待時間具有相同的變化趨勢和分布特征。

因此，影響出渣和濕噴作業(yè)時間的主導因素為隧道累計進尺，且運輸機械的配置需要根據(jù)累計進尺動態(tài)改變。由此可見，縮短出渣與濕噴工序的作業(yè)總時間需要遵循兩個原則：①避免主導機械出現(xiàn)停機等待；②以隧道累計進尺即運輸距離指導運輸機械數(shù)量動態(tài)配置。利用上述原則可進行運輸機械的數(shù)量配置。

3 運輸機械數(shù)量配置

3.1 自卸汽車配置數(shù)量計算及合理性判斷

3.1.1 自卸汽車合理配置數(shù)量

由于自卸汽車出渣往返與洞內外道路條件、駕駛員技術、滿載與空載速度差等主客觀因素相關，以上因素在理論公式中考慮難度較大，因此需設定以下假設：①自卸汽車需在掌子面和棄渣場之間按一定間隔分布，保證自卸汽車出渣作業(yè)的連續(xù)性，如圖4所示；②計算過程不涉及自卸汽車滿載和空載的運輸速度差，自卸車輛行駛速度Vzx(m/min)取一次棄渣循環(huán)的平均速度，或通過現(xiàn)場統(tǒng)計得到行駛速度的平均值，如條件允許，應盡量取現(xiàn)場調研平均值；③自卸車輛在洞內外近乎平均距離分布。

(1)裝載機在裝渣過程中，下一輛自卸車可仍在運輸途中。在裝載機裝滿一輛自卸車輛的時間內，下一輛自卸車可行駛的距離見式(1)，如行駛距離小于Dc，裝載機將停機等待；如大于Dc，將有至少兩輛自卸車等待裝渣。

Dc=VzxTzm

(1)

式(1)中：Tzm為裝載機裝滿自卸汽車時間，min；Dc為自卸汽車可行駛的距離，m。

(2)基于主導機械不停機等待原則，若使裝載機作業(yè)不停機，則在上一輛自卸汽車裝滿離開前，下一輛車便會到達掌子面處準備裝渣，以自卸汽車可行駛的距離Dc為控制，隧道洞內外自卸汽車的總數(shù)量nc應滿足：

(2)

式(2)中：nc為卸汽車的配置數(shù)量；Ljc為某時刻隧道累計進尺，m，Lqz為棄渣場到隧道洞口的距離，m。

由式(2)可知，自卸汽車的配置數(shù)量nc會隨隧道累計進尺而不斷變化，該特征與現(xiàn)場統(tǒng)計結果(圖2和圖3)相一致。

假設實際自卸汽車配置數(shù)量為ncs，自卸車數(shù)量配置合理性判斷如表1所示。

表1 自卸車數(shù)量配置合理性判斷

3.1.2 出渣總時間

在棄渣總量確定下，出渣總時間的長短主要取決于裝渣機的利用率，而裝載機的利用率由自卸汽車的聯(lián)合運輸效率決定。

假設某循環(huán)隧道開挖斷面面積為Sdm(m2)(一般取上臺階斷面面積)，一輛自卸汽車的裝渣量為Szz(m2)，開挖進尺為djc(m)，查閱已有文獻[4-5]可知，棄渣總量Wqz(m3)為

Wqz=SdmdjcRΔ

(3)

式(3)中：R為巖體松脹系數(shù)，取值如表2所示；Δ為超挖系數(shù)，視爆破質量而定，一般取1.15～1.25。

出渣總次數(shù)m應為

(4)

表2 巖石松脹系數(shù)R值

(1)當自卸汽車數(shù)量ncs配置不足時，裝載機停機等待時間可有自卸車距離掌子面的距離確定。

相鄰兩輛自卸汽車的間距Dcc為

(5)

因此，裝載機單次裝渣平均延誤時間Tyw(min)為

(6)

考慮到隧道掌子面空間狹窄，自卸車輛掉頭緩慢，設定掉頭錯車時間為1 min，則出渣循環(huán)總時間Tcz(min)為

Tcz=m(Tzm+Tyw+1)

(7)

(2)當自卸汽車配置數(shù)量足夠時，自卸汽車不會產(chǎn)生延誤，因此Tyw=0，出渣總時間Tcz(min)為

Tcz=m(Tzm+1)

(8)

3.2 混凝土罐車配置數(shù)量計算及合理性判斷

濕噴作業(yè)中混凝土罐車在拌合站接收混凝土料，運送至隧道掌子面，濕噴機進行濕噴作業(yè)。由于濕噴機沒有儲存混凝土功能，所以濕噴持續(xù)作業(yè)的先決條件是始終有一輛混凝土罐車在旁卸料，一輛濕噴機卸完料時，另一輛混凝土罐車已抵達掌子面，往返一次掌子面與混凝土拌合站。

因此，濕噴作業(yè)中混凝土罐車數(shù)量計算涉及噴完一罐車混凝土時間、攪拌站混凝土裝車時間和混凝土運輸時間。

(1)噴完一罐車混凝土時間：假設濕噴機的噴射效率為α(min/m3)，混凝土罐車的容量為x(m3)，則濕噴機噴射完成一罐車x(m3)混凝土需要的時間Tsp(min)為

Tsp=αx

(9)

(2)攪拌站混凝土裝車時間：罐車在混凝土拌合站的平均裝料效率為β(min/m3)，則混凝土罐車裝滿x(m3)混凝土需要的時間Tzl(min)為

Tzl=βx

(10)

(3)混凝土運輸時間：混凝土罐車滿載行駛與空車行駛的平均運輸速率為Vgc(m/min)，混凝土罐車從卸料完成到再次返回掌子面濕噴機處的循環(huán)時間Tgc(min)為

(11)

基于濕噴機不停機等待原則，混凝土運輸時間應滿足噴完一罐車混凝土時間，混凝土罐車配置數(shù)量是否合理的判斷標準如表3所示。

表3 混凝土罐車數(shù)量配置合理性判斷

由圖3已知，濕噴作業(yè)中濕噴機是否停機等待存在臨界進尺，當Tsp=Tgc時，式(10)中的Ljc便為混凝土罐車數(shù)量是否增加的臨界進尺，即當隧道累計進尺小于Ljc時，配置2輛混凝土罐車；當隧道累計進尺大于Ljc時，應配置3輛混凝土罐車，Ljc求法如式(12)所示。

(12)

4 運輸機械配置數(shù)量計算應用

4.1 出渣機械配置數(shù)量優(yōu)化

4.1.1 自卸汽車最優(yōu)配置數(shù)量

因此，當隧道累計進尺為1 050 m時，現(xiàn)場應配置12輛自卸汽車以上才能滿足裝載機的裝載效率。

4.1.2 不同自卸汽車配置數(shù)量下的出渣總時間

(1)當現(xiàn)場實際配置的自卸汽車數(shù)量大于12時，延誤時間Tyw=0，代入式(7)可求得出渣總時間Tcz=m(Tzm+1)=42(3.02+1)=168.84(min)。

同理，可分別得出自卸車數(shù)量ncs=7～11輛時，延誤時間和出渣總時間如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著自卸汽車配置數(shù)量的增加，出渣延誤時間逐漸縮短，在自卸汽車配置數(shù)量達到12輛時，延誤時間為0，此時出渣總時間最短，車輛數(shù)大于12輛時，出渣總時間和延誤時間不改變?？紤]到經(jīng)濟等因素，建議現(xiàn)場至少增加5輛自卸汽車，形成單洞11輛自卸汽車出渣的模式，開挖進尺4 m情況下，循環(huán)出渣可節(jié)約出渣總時間109.2 min。

圖5 不同出渣機械配置下的延誤時間和出渣總時間

4.2 濕噴機械配置數(shù)量優(yōu)化

通過現(xiàn)場調查分析，濕噴機實際噴射效率α=5.23 min/m3，混凝土罐車容量x=6 m3，混凝土罐車在拌合站的裝料效率β=2.03 min/ m3,混凝土罐車的平均行駛速率Vgc=144.80 m/min，拌合站到隧道洞口的距離Lbh=500 m，則濕噴機濕噴一罐車的混凝土料所需時間Tsp=αx=5.23×6=31.38(min)。

裝滿一罐車混凝土料所需時間Tzl(min)為Tzl=βx=2.03×6=12.18(min)。

2輛混凝土罐車配合1臺濕噴機的模式下，由公式(12)可得，增加罐車數(shù)量的臨界進尺Ljc=(31.38-12.18)×144.8/2-500=890 m。

因此當隧道修建到累計進尺為890 m時，應增加1輛混凝土罐車，形成3輛混凝土罐車運送混凝土的模式。

5 結論與討論

(1)隨著累計開挖進尺的增加，在某一臨界累計進尺后，裝載機和濕噴機停機等待問題逐漸凸顯，停機等待時間與累計進尺總體呈線性快速增加，隧道累計進尺是影響出渣和濕噴作業(yè)時間的主導因素。

(2)縮短出渣與濕噴工序的作業(yè)總時間需要遵循兩個原則：①避免裝載機和濕噴機出現(xiàn)停機等待；②以隧道累計進尺即運輸距離指導運輸機械數(shù)量動態(tài)配置。

(3)基于運輸距離強相關性與主導機械不停機等待兩原則，兼顧施工現(xiàn)場實際工作環(huán)境，建立了自卸汽車數(shù)量配置計算公式、不同自卸汽車配置模式下出渣總時間計算公式和混凝土罐車數(shù)量增加的臨界進尺計算公式，同時，提出了運輸機械配置數(shù)量合理性判斷標準。

(4)當金家莊螺旋隧道累計進尺達到1 050 m時，現(xiàn)場應至少配置11輛自卸汽車才能滿足裝載機的裝載效率，每次循環(huán)出渣可節(jié)約出渣總時間109.2 min。當累計進尺為890 m時，應由3輛混凝土罐車運送混凝土以滿足濕噴機效率。