郝俊明

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 前言

川藏鐵路東起四川省成都市，向西至拉薩市，新建正線長度1 511 km，其中雅安至林芝段967.178 km，線路位于青藏高原東南部，沿線山高谷深，人跡罕至，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、雅魯藏布江等七大江河，具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災害、敏感的生態(tài)環(huán)境等特點。川藏線地層巖性十分復雜，沿線斷裂、褶皺密集發(fā)育，以深大活動斷裂為主控構造；地下水主要有孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水及斷層帶水；不良地質和特殊巖土發(fā)育，不良地質有活動斷裂和高烈度地震、高地應力(巖爆和大變形）、高地溫和高溫熱水、危巖落石、滑坡、崩塌、泥石流、放射性、有害氣體等[1]。沿線隧道占比大、特長隧道及隧道群密集，全線10 km以上隧道共33座，占隧道總長87%，全線20 km以上隧道共15座，占隧道總長55%，全線30 km以上隧道6座，占隧道總長27%。高海拔隧道占比大，大部分隧道處于海拔2 400～4 100 m間，在一條鐵路一次性出現(xiàn)數(shù)量如此眾多的高海拔特長隧道實屬世界罕見。高海拔地區(qū)的低溫、低壓、低氧環(huán)境特征是影響本線隧道鉆爆法施工的重要因素，人工、機械功效均會不同程度降低。常規(guī)的機械設備配套，將無法滿足按期完成建設任務的需要。在川藏鐵路隧道施工中實現(xiàn)機械化配套技術能控制工程質量、降低勞動強度；能降低隧道施工較大以上事故，提高隧道施工安全性；能減少隧道施工作業(yè)人員，減少日益緊張的人力需求，是快速施工，以機代人，保證工程進度的重要措施。

2 鉆爆法機械化施工隧道研究

2.1 目前在建鐵路隧道機械化配套及施工情況

2.1.1 目前在建鐵路隧道機械化配套情況

國內鐵路隧道大多按基本、中度、高度三種機械化配套模式施工，基本配套為《鐵路隧道工程施工機械配置技術規(guī)程》中無軌運輸基本配置[2]，中度配套在一些工序(如仰拱、襯砌、防水板、溝槽、養(yǎng)護等工序）上進行了加強，高度配套在全工序上進行了機械化配置。

2.1.2 目前在建鐵路隧道機械化施工情況

施工期間不可避免地碰到一些不利因素，如工序轉換、機械維修、自然災害等概率性事件所導致的進度延緩，每月正常施工平均為24 d；在進行了機械化配套后，可在開挖、裝藥、初期支護等工序減少施工作業(yè)人數(shù)；在進行了機械化配套后，施工進度指標有一定提升，高度機械化配套進度指標較基本配套提高約20%，比中度機械化配套提高約10%；在高原、低氧環(huán)境下施工，受人員和機械降效影響，施工進度較平原段降低，分圍巖級別不同，降低11% ～16%不等；雙線隧道與單線隧道施工進度，在Ⅲ、Ⅳ級圍巖情況下，雙線隧道比單線隧道略快，在Ⅴ級圍巖情況下，單線與雙線隧道基本一致；大變形、強烈?guī)r爆、富水破碎帶、高地溫等不良地質導致施工進度降低；高原地區(qū)對隧道施工通風主要影響因素有氧氣含量，及溫度偏低導致內燃機油料燃燒不充分，增加了作業(yè)循環(huán)的污染。風機性能發(fā)揮受到限制，高原地區(qū)長距離隧道施工通風采用高性能風機和低漏風率、大直徑風管以保證通風質量；新型設備如超長水平鉆機、兩臂濕噴機械手、混裝炸藥車、除塵設備等在鐵路隧道中應用經(jīng)驗較少，建議提前在鐵路隧道中進行試驗，進一步優(yōu)化后可應用到川藏鐵路建設中。另一些設備如集裝箱出渣系統(tǒng)、正洞皮帶運輸雖在國外已應用，但在國內尚無先例，還須進一步調查、研究和試驗。

2.2 隧道施工的影響因素

2.2.1 影響施工進度的主要工序

鉆孔、裝藥、出渣、支護等工序影響施工進度。仰拱、襯砌工序雖不是影響進度的主要工序但目前受安全步距要求影響，如施工過慢會造成掌子面等待仰拱和襯砌的局面，從而影響施工進度；大變形施工段，控制進度的主要工序為初期支護，包括長短錨桿施工、徑向注漿加固、拱架安裝等；強烈?guī)r爆段，控制進度的主要因素為等待巖爆釋放時間及設備維修。控制進度的主要工序為超前支護及初期支護包括噴混、拱架安裝等。綜合實際施工月進度30～50 m范圍；富水破碎帶注漿施工段，控制進度的主要工序為超前注漿；高地溫對隧道施工主要影響為施工人員勞動能力降低，機械設備故障率顯著升高，施工月進尺隨溫度增加顯著降低[3]70-71。

2.2.2 高度機械化配套與基本配套鉆爆用人數(shù)量及人員要求

由表1可知，兩者人員數(shù)量差異在開挖、裝藥及立拱工序。

2.2.3 機械化配套對施工進度影響

根據(jù)對鄭萬高鐵湖北段隧道開挖月進度調研分析:中度機械化配套月進度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別提升6%、12%、15%，高度機械化配套月進度Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別提升20%、23%、4%[4]；通過成蘭鐵路單線隧道的調研，不同機械化配套下平均進度指標對比發(fā)現(xiàn)，高度機械化配套進度指標較基本配套提高20%，比中度機械配套提高約10%[5]。

2.2.4 高原降效對施工進度影響

通過調研川藏鐵路拉林段，相同配置下高原施工對比，在高原、低氧環(huán)境下施工，受人員和機械降效影響，施工進度較平原段降低，分圍巖級別不同，降低11%～16%不等。

2.2.5 機械化配套推廣存在的問題

施工定額低，目前沒有與機械化配套相應的定額，導致施工單位不愿成套配置；超挖問題突出，費用高。鑿巖臺車受制于設備本身結構外插角的原因，開挖平均線性超挖20 cm以上，高于人工風鉆開挖。鑿巖臺車每個月的固定折舊費、配件費、油料費、鉆具費等費用較高，其開挖成本高于人工風鉆開挖；安全步距不夠，采用大型機械化配套所需施工設備布置空間不滿足現(xiàn)行規(guī)范對安全步距的要求；裝藥問題多，由于國內對炸藥的管制，混裝炸藥無法在鐵路隧道施工中使用，混裝炸藥設備無法推廣；工法與大型機械化配套不匹配，在設備配置時未考慮一套設備能夠適應多種施工工法，成套設備難以高效施工，更換施工裝備及人員造成進度延誤；操作手缺乏，機械設備的操作手、維修及管理人員緊缺，尤其是維修保養(yǎng)技術人員緊缺更加嚴重。開挖工序故障耽誤占比較大，現(xiàn)場故障難以及時處理；施工管理不到位，目前機械化施工管理經(jīng)驗不足；設備使用、運轉專業(yè)化程度不高，施工管理未考慮成套裝備導致工序安排矛盾[3]73。

3 高原隧道鉆爆法快速施工控制要素及解決方案

3.1 高原長距離施工供氧

3.1.1 氧含量控制標準

將海拔高度2 500 m作為增氧的界限，即海拔超過2 500 m時必須采用增氧通風方案，此濃度可以作為川藏鐵路隧道內空氣氧含量控制標準[6]。

3.1.2 制氧方式選擇

現(xiàn)在主要的制氧方法有深冷法、變壓吸附法、化學法、水電解法、薄膜法等，通過各自制氧方法和特點分析，建議選擇變壓吸附法制氧，其特點是技術成熟、濃度適中、規(guī)模靈活、能耗低、投資約為深冷法的1/2，可直接制造醫(yī)用氧，并具有以下優(yōu)勢:制氧規(guī)模靈活，適合于高原特殊環(huán)境條件下使用；生產(chǎn)出的氧氣產(chǎn)品符合醫(yī)療用氧的標準，無需作進一步的處理，減少了設備投資和運行成本；制氧系統(tǒng)簡單可靠，運轉部件少，故障率低，易于維修，操作簡單，運行可靠靈活；制氧過程以電能為動力、空氣為原料、無化學反應，對環(huán)境不造成污染，綠色環(huán)保。

3.1.3 供養(yǎng)方法

采用隧洞氧吧、個人攜帶呼吸器和隨通風管直接送入工作面相結合的方案進行供氧，在洞外設置一套供氧系統(tǒng)。

3.1.4 增氧布置方式

增氧布置方式分為兩種，通過管路供氧方式和專用管路供氧方式，這兩種方式的制氧和供氧設備均設置在洞外固定位置，主要區(qū)別是供氧點位置不同，前者供氧點在洞外，后者供氧點在洞內。對兩種增氧通風方式，可結合隧道施工條件和設備投入及能耗進行綜合比選。

3.2 機械化配套條件下軟弱圍巖施工方法及支護

單線隧道、雙線隧道在Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖情況下采用的施工方法及支護措施見表2。

表2 超前支護措施

3.3 控制施工進度工序解決方案

3.3.1 鉆孔

一方面進一步改進鑿巖臺車性能，減少超挖，另一方面從定額中增加超挖數(shù)量，做到實際超挖與定額相匹配?；阼弾r臺車的操作和維修人員緊缺，故障耽誤在開挖工序中占比較大，所以設備要備用，在一個標段備用2臺，并加強專業(yè)操作人員及維修保養(yǎng)人員培養(yǎng)，要求設備廠商定點、及時提供保障服務。

3.3.2 裝藥爆破

裝藥工序目前采用人工充填包裝混裝炸藥，施工速度較慢，需要人數(shù)較多；采用三臂鑿巖臺車施工，臺車僅有2個操作手，作業(yè)面少，裝藥速度較慢。不能最大發(fā)揮機械化配套施工功效。采用現(xiàn)場混裝炸藥設備以減少裝藥人數(shù)，提高功效。采用吸塵設備，在爆破后快速吸塵排煙，能夠減少通風排煙時間，降低高海拔通風排煙壓力，保證隧道施工效率。

3.3.3 出渣

長大斜井采用皮帶運輸出渣系統(tǒng)；對于長距離獨頭掘進工區(qū)，出渣能力難以滿足掌子面出渣需要，進一步研究集裝箱出渣系統(tǒng)及正洞移動破碎機+皮帶運輸出渣系統(tǒng)，以提高出渣效率[7]。

3.3.4 支護（包括立架、掛網(wǎng)、噴混凝土）

目前主要采用多功能臺架人工立架、掛網(wǎng)，存在勞動強度大、效率低等問題。采用拱架安裝機可降低勞動強度、提高效率；噴射混凝土目前普遍采用小型濕噴機人工噴射混凝土，采用大型機械化配套的隧道一般采用單臂濕噴機械手，效率有待進一步提升，采用二臂濕噴機械手噴混凝土，噴混效率可提高約1倍；為提高施工進度，采用高強度支護體系如高性能噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土，以減少或取消鋼架，以雙線隧道Ⅳ圍巖為例進行進度分析，每月施工進度可提高10%。

3.3.5 機械化配套設備布置

為考慮大型機械化施工布置、操作空間，充分發(fā)揮機械效率，采用大機配套后，仰拱距離掌子面最短距離為60 m，二次襯砌距離掌子面最短距離為105 m。

3.4 設備選型原則

少內燃多電力原則，川藏線海拔高，氣候環(huán)境惡劣，多配置電力設備，少采用內燃設備，洞內外配備增氧加強通風的設備；能力匹配原則，作業(yè)線配套能力順序由大到小:運輸能力、裝渣能力、開挖能力、施組能力；設備外形尺寸應與施工空間相適應，既要考慮圍巖較好時的全斷面法，又要兼顧地質較差時的應變方法，同一施工作業(yè)面，盡量采用一種機械化配套方案；為方便配件供應，通用互換及維修，保證設備使用效率，盡量同一廠商產(chǎn)的同類設備[8-9]。川藏鐵路隧道高原低氧自然環(huán)境及復雜地質環(huán)境特征，鉆爆法機械化快速施工設備選型按“快速施工，以機代人”的原則，選擇能適應高原低氧環(huán)境下設備，并滿足復雜地質環(huán)境對設備性能的需要。

3.5 鉆爆法施工機械化配套原則

3.5.1 人少化原則

實施機械化配套以減少隧道施工作業(yè)人員，減少日益緊張的人力需求，作業(yè)人員成本提高，只有通過機械化特點及施工工期要求，體現(xiàn)以人為本的原則，實現(xiàn)機械化施工代替人工施工。

3.5.2 保證質量和安全必配原則

為確保工程質量，仰拱、鋪底配置自行式仰拱棧橋，防排水作業(yè)線配置防水板自動安裝臺車，隧道二次襯砌作業(yè)線配置智能化臺車，養(yǎng)護作業(yè)線配置養(yǎng)護作業(yè)臺車，溝槽作業(yè)線配置溝槽臺車。實現(xiàn)機械化配套技術能減少隧道發(fā)生安全事故的幾率，提高了隧道施工安全性；同時，機械化施工效率能提高隧道初期支護和二次襯砌快速封閉成環(huán)，確保隧道能及時得到支護，減少對隧道圍巖的擾動，提高隧道施工安全性。

3.5.3 減輕勞動強度和有利提高功效原則

在鐵路長大隧道施工中實施配套技術是減輕作業(yè)人員勞動強度和提高功效的需要。采用機械化配套除了能保證隧道施工快速、質量穩(wěn)定，也能減少人員投入，提高功效，作業(yè)強度大幅降低。在施工人員、設備配套情況下，施工人員安全能得到保障。先進的設備必須配備高素質的操作員，專業(yè)化管理，才能更好地服務現(xiàn)場[10]。

3.5.4 設備備用原則

鑿巖臺車、錨桿鉆注一體機、濕噴機、拱架安裝機、挖裝運出渣設備等按一個標段備用2臺。

3.6 鉆爆法機械化配套方案

下面主要對雙線隧道高度機械化配套進行配置，列表供參考，單線隧道以及輔助導坑機械配套配置可參照此表，在相關設備型號和大小、數(shù)量上進行調整即可，見表3。

表3 雙線隧道高度機械化配套設備配置[11]

3.7 推薦施工進度指標

施工期間將不可避免遇到一些不利因素，如工序轉換、機械維修、自然災害等概率性事件導致的進度延緩，按正常施工24 d計算，同時，考慮高原低氧環(huán)境，人員設備效率降低，按15%進行折減。本次機械化配套施工組織的進度指標見表4。

3.8 智能建造裝備配套

隧道智能裝備是隧道智能建造的重要保證，不僅要施工裝備機械化，而且要智能機械化，實現(xiàn)地質數(shù)據(jù)的采集、施工數(shù)據(jù)的存儲與裝備少人無人化控制，才能實現(xiàn)設計、施工和評價的工作目標，才能滿足新工法、新理論和新目標的要求。

表4 施工進度指標推薦[3]143 m

3.8.1 超前加固圍巖止水采用智能注漿臺車

利用智能鑿巖臺車超前鉆孔MWD數(shù)據(jù)，自動生成注漿參數(shù)，實現(xiàn)自動注漿，并生成自動注漿日志，實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、遠程監(jiān)控操作。

3.8.2 開挖采用智能三臂鑿巖臺車

短距離地質預報，自帶隨鉆測量系統(tǒng)MWD地質分析，自動鉆孔，實現(xiàn)3D開挖輪廓掃描，自動生成施工日志，數(shù)據(jù)儲存、遠程監(jiān)控操作。

3.8.3 初期支護采用智能拱架臺車

拱架自動定位，自動安裝，生成拱架安裝日志，數(shù)據(jù)存儲、無線傳輸，遠程監(jiān)控操作；采用智能噴射臺車，自動定位，隧道輪廓自動掃描，自動噴射，自動生成噴混日志，數(shù)據(jù)存儲，遠程監(jiān)控操作。

3.8.4 二次襯砌采用智能化襯砌臺車

自動灌注混凝土，自動振搗，壓力、溫度、灌注方量自動采集，自動生成襯砌日志，數(shù)據(jù)存儲、遠程監(jiān)控操作；采用智能化養(yǎng)護臺車，溫度自動跟隨，恒濕養(yǎng)護，自動生成養(yǎng)護日志，數(shù)據(jù)存儲、遠程監(jiān)控操作[12]。

4 注意事項

4.1 隧道設計參數(shù)現(xiàn)場采集

隧道超前支護與開挖方法研究主要依據(jù)理論分析，圍巖物理力學參數(shù)采用規(guī)范中的數(shù)值。在下階段采集圍巖的相關力學參數(shù)時，為確保安全，須在隧道工點進行試驗研究，以制定詳細的支護方案和施工方案。

4.2 新型設備須提前試驗研究

高度機械化配套配置了多種新型設備，一些設備如超長水平鉆機、二臂濕噴機械手、混裝炸藥車、除塵設備等在鐵路隧道中應用經(jīng)驗較少，建議提前在鐵路隧道內進行試驗，進一步優(yōu)化后可應用到川藏鐵路建設中。另一些設備如集裝箱出渣系統(tǒng)、正洞皮帶運輸系統(tǒng)雖在國外已應用，但在國內尚無先例，還須進一步研究試驗。

4.3 設備集成多功能一體化

進一步研制開發(fā)利于隧道快速施工多功能一體的新型設備及新型支護結構，如折疊式鋼架及安裝機、拱架機與濕噴機械集成于一體等。減少設備的種類及對隧道施工作業(yè)空間的占用。

4.4 研究高性能支護體系理論

進一步對高性能支護體系進行理論分析，對高強度噴射混凝土或鋼纖維混凝土進行試驗研究以確定高性能支護體系的支護參數(shù)，取消或加大鋼架間距以減少初期支護時間。

4.5 拓展混裝炸藥管理于鐵路工程

因現(xiàn)行火工品管理政策，現(xiàn)場混裝炸藥暫未能在鐵路隧道使用，建議相關部門協(xié)調，制定適合川藏鐵路施工混裝炸藥管理辦法[3]177-182。

5 結束語

新建川藏鐵路雅安至林芝段的建設蓄勢待發(fā)，要想高效建設好，必須采用高度機械化，只有配置好高效的工裝，才能保證施工效率、施工質量。