王朋樂

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

近年來，隨著國家鐵路設(shè)施建設(shè)要求及隧道修建技術(shù)的不斷提高，采用鉆爆法施工的特長山嶺隧道不斷增多[1]，如石太高鐵太行山隧道[2]、蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[3]、青藏鐵路關(guān)角隧道[4]及向莆鐵路青云山隧道[5]等，長度均超過20 km。正在建設(shè)的川藏鐵路中也有若干特長隧道，如易貢隧道(42 486 m)、色季拉山隧道(38 013.9 m)、果拉山隧道(34 200 m)、德達隧道(33 350 m)、拉月隧道(31 090 m)、芒康山隧道(30 675 m)、孜拉山隧道(30 000 m)等[6-8]。在隧道長度不斷增加的同時，機械設(shè)備的聯(lián)合作業(yè)效率及施工工期控制愈加難以保證。因此，有必要對鉆爆法機械化施工下的山嶺隧道循環(huán)工序作業(yè)時間特征及機械效率等進行研究，有預(yù)見性地安排施工機械，優(yōu)化施組方案。

目前針對山嶺隧道鉆爆法機械化施工的研究較多。王明年等[9]依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道洞群，對大型機械化大斷面法施工下初期支護位移數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析；林毅等[10]以鄭萬高鐵湖北段隧道工程實踐為依托，從大斷面快速修建技術(shù)理論研究、機械化配套設(shè)備、機械化配套條件下施工技術(shù)和信息化系統(tǒng)應(yīng)用等方面總結(jié)了鄭萬高鐵湖北段隧道大斷面修建關(guān)鍵技術(shù)，推動隧道的整體施工水平和綜合管理能力提高。趙東波[11]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(shè)備配置，并對比了不同機械配置的工效差異。鄔彪紅[12]通過研究隧道施工中的機械化配套方案，縮減隧道施工工期，加快了隧道進度。劉禹陽等[13-14]依托金家莊特長螺旋隧道工程，通過系統(tǒng)調(diào)研開挖與初期支護相關(guān)機械的現(xiàn)場作業(yè)時間，采用理論分析及數(shù)理統(tǒng)計方法，研究了裝載機與濕噴機的停機等待時間特征，提出了隧道運輸機械數(shù)量配置原則，并對施工機械的單機作業(yè)特性和銜接特性進行了分析。綜上，目前關(guān)于鉆爆法機械化施工的研究較多，對隧道施工前期施組準備具有參考意義，但在隧道施工現(xiàn)場隨著隧道進尺的不斷增加，各種影響機械施工效率及造成工序時間延長的問題不斷發(fā)生。隨著鉆爆法山嶺隧道由原來的粗放型施工向精細化施工轉(zhuǎn)型，施組方案應(yīng)根據(jù)實際狀況及時優(yōu)化。

目前隧道施工現(xiàn)場的施工信息主要靠施工人員現(xiàn)場記錄填寫施工日志，然后遞交給項目管理人員，由于信息的滯后性，項目管理人員不能及時判斷施工中的延誤原因，機械安排具有滯后性，延長了作業(yè)時間，且機械數(shù)量的不足會隨著掘進里程的增加而逐漸顯現(xiàn)，因此應(yīng)有預(yù)見性地安排車輛進場[13]。在施工工期預(yù)測方面，目前主要根據(jù)正常施工順序、施工效率、作業(yè)面積等綜合確定，缺乏有效的計算公式。本文在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過理論分析及數(shù)理統(tǒng)計方法，創(chuàng)新性地推導(dǎo)了五部工序作業(yè)時間預(yù)估公式，同時得出了增加出渣工序及濕噴工序機械數(shù)量的計算方法。為方便現(xiàn)場人員應(yīng)用，以Visual Studio2012為開發(fā)平臺，采用C#語言，開發(fā)了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機械化施工配套分析軟件，實現(xiàn)管理人員遠程監(jiān)控施工進度并預(yù)見性地進行人員及機械安排的目標，有助于科學(xué)高效地進行隧道建設(shè)，提高施工效率，縮短施工工期。

1 施工循環(huán)信息采集系統(tǒng)

山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機械化施工配套分析軟件共分為3個模板，包括施工循環(huán)基本信息采集、機械配套數(shù)量計算和開挖作業(yè)時間預(yù)估，如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)功能模塊

施工循環(huán)基本信息錄入界面如圖2所示，包括基本信息、鉆孔作業(yè)、爆破作業(yè)、出渣排危作業(yè)、封閉巖面(初噴)、立拱架、超前支護、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土(復(fù)噴)、循環(huán)作業(yè)時間等10項基本錄入信息，包含了隧道現(xiàn)場施工中的全部作業(yè)流程及相關(guān)參數(shù)。在輸入完成后，系統(tǒng)將信息儲存在輕量級的SQLite數(shù)據(jù)庫中，可供項目管理人員遠程查閱與分析。

圖2 基本信息錄入界面

2 隧道機械化施工工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)

為甄別采用鉆爆法施工的山嶺隧道開挖循環(huán)作業(yè)時間影響因素，并合理預(yù)測施工工期，通過現(xiàn)場調(diào)研記錄某350 km/h雙線高速鐵路隧道實際開挖參數(shù)及作業(yè)時間，對直接影響隧道開挖進度的掌子面鉆孔、裝藥爆破、出渣、立架和濕噴五部工序的作業(yè)時間進行統(tǒng)計分析，確定這五部工序的作業(yè)時間影響因素并推導(dǎo)預(yù)估公式。

2.1 鉆孔工序

本隧道鉆孔工序采用人工手持風(fēng)動鑿巖機作業(yè)，現(xiàn)場統(tǒng)計的不同等級圍巖下每延米鉆孔時間如圖3和表1所示。

圖3 4種等級圍巖每延米鉆孔耗時圖

表1 4種等級圍巖每延米鉆孔耗時統(tǒng)計

每循環(huán)鉆孔用時與每延米鉆孔耗時、鉆孔總數(shù)量、鉆孔作業(yè)人數(shù)等有關(guān)，計算公式為

(1)

式中：T1為每循環(huán)鉆孔用時，min；α1為鉆孔工人的熟練程度；t1為每延米鉆孔耗時，min；d為每循環(huán)進尺，m；Nzk為每循環(huán)鉆孔數(shù)量；nzk為鉆孔人數(shù)。

以鉆孔作業(yè)時間計算公式式(1)為基礎(chǔ)編制工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)中鉆孔工序作業(yè)時間預(yù)估功能。軟件界面如圖4所示。

圖4 鉆孔工序作業(yè)時間預(yù)估界面

2.2 裝藥爆破工序

裝藥爆破工序中，裝藥人員在鉆孔內(nèi)進行裝藥，由于存在不同等級圍巖的裝藥人員和鉆孔數(shù)量不同的情況，因此將裝藥時間細化為每個裝藥人員不同進尺下的單孔裝藥時間，并求出平均時間，如圖5及表2所示。

表2 不同開挖進尺下單孔裝藥時間統(tǒng)計

每循環(huán)裝藥爆破工序用時與單孔裝藥時間、隧道開挖進尺、鉆孔數(shù)量、裝藥人數(shù)等有關(guān)。由圖5可以看出，單孔裝藥時間與開挖進尺近似服從一次函數(shù)關(guān)系，進而推導(dǎo)每循環(huán)裝藥爆破工序用時預(yù)估公式為

圖5 不同開挖進尺下單孔裝藥時間

(2)

式中：T2為每循環(huán)裝藥爆破工序耗時，min；α2為裝藥工人的熟練程度；di為炮眼深度，m；n為炮眼的種類；nzy為裝藥人數(shù)。

以式(2)為基礎(chǔ)編制工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)中裝藥爆破工序作業(yè)時間預(yù)估功能。軟件界面如圖6所示。

圖6 裝藥爆破工序作業(yè)時間預(yù)估界面

2.3 出渣工序

出渣工序作業(yè)時間與棄渣總量、機械配置數(shù)量、運輸機械行駛距離、機械容量等有關(guān)，其中棄渣總量Wqz計算公式為

Wqz=SdmdjcRΔ

(3)

式中：Sdm為隧道開挖斷面面積，m2；djc為隧道開挖進尺，m；R為巖體松脹系數(shù)；Δ為超挖系數(shù)，視爆破質(zhì)量而定，一般取1.15～1.25。

出渣工序作業(yè)時間與自卸汽車配置數(shù)量是否充足密切相關(guān)，當配置數(shù)量足夠時，裝載機裝完一車棄渣后下一輛自卸汽車已到達掌子面處等待裝渣，反之裝載機停機等待自卸汽車的到來。

1)當實際配置的自卸汽車數(shù)量不足時，即裝載機裝滿一自卸汽車后需停機等待下一輛自卸汽車到來，此時裝載機停機等待時間可由下一輛自卸車距離掌子面的長度及其平均行駛速度確定。

假設(shè)自卸汽車在掌子面和棄渣場之間的往返路程中等間距分布，則相鄰兩輛自卸汽車的間距Dcc為

(4)

式中：Ljc為隧道累計開挖進尺，m；Lqz為棄渣場距隧道洞口的距離，m；ncs為自卸汽車實際配置數(shù)量。

因此，裝載機單次裝渣平均延誤時間Tyw為

(5)

式中：Dc為裝載機裝滿一自卸汽車的時間另一輛自卸汽車可行駛的距離[根據(jù)式(6)確定]，m；Vzx為自卸汽車往返掌子面與棄渣場之間的平均行駛速度，m/min。

Dc=TzmVzx

(6)

式中，Tzm為裝載機裝滿一輛自卸汽車洞渣所用時間，min。

由于自卸汽車到達掌子面后需要掉頭進行裝渣，因此設(shè)定掉頭時間為1 min，則每循環(huán)出渣工序總時間T3預(yù)估公式為

T3=m(Tzm+Tyw+1)

(7)

式中，m為裝渣總車數(shù)，根據(jù)棄渣總量和自卸汽車容量確定。

2)當現(xiàn)場實際配置的自卸汽車數(shù)量足夠時，即裝載機裝滿一自卸汽車后下一輛自卸汽車已到達等待裝渣，自卸汽車不會產(chǎn)生延誤，因此Tyw=0，此時出渣總時間T3預(yù)估公式為

T3=m(Tzm+1)

(8)

以式(8)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)中出渣工序作業(yè)時間預(yù)估功能。軟件界面如圖7所示。

圖7 出渣工序作業(yè)時間預(yù)估界面

2.4 立架工序

本隧道立架工序采用人工立架方式，Ⅳ級圍巖段每循環(huán)開挖進尺2 m，支立鋼架2榀；Ⅴ級圍巖段每循環(huán)開挖進尺0.6 m，支立鋼架1榀。現(xiàn)場記錄的每榀平均立架時間如圖8和表3所示。

圖8 不同等級圍巖每榀立架時間

表3 不同等級圍巖每榀立架時間統(tǒng)計

每循環(huán)立架工序用時與每榀平均立架時間、立架榀數(shù)有關(guān)，計算公式為

T4=α3t2nps

(9)

式中：T4為立架工序作業(yè)總時間，min；α3為立架工人的熟練程度；t2為每榀平均立架時間，依據(jù)表3進行取值；nps為立架榀數(shù)。

以式(9)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)中立架工序作業(yè)時間預(yù)估功能。軟件界面如圖9所示。

圖9 立架工序作業(yè)時間預(yù)估界面

2.5 濕噴工序

每循環(huán)濕噴工序作業(yè)耗時與開挖進尺、每延米設(shè)計混凝土用量、濕噴混凝土回彈率和濕噴機實際噴射效率等有關(guān)，計算公式為

(10)

式中：T5為濕噴工序作業(yè)總時間，min；α4為濕噴機延誤系數(shù)；Vhn為設(shè)計每延米混凝土用量，m3/m；αht為濕噴混凝土回彈率；vs為濕噴機實際噴射效率，m3/min。

以式(10)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時間分析系統(tǒng)中濕噴工序作業(yè)時間預(yù)估功能。軟件界面如圖10所示。

圖10 濕噴工序作業(yè)時間預(yù)估界面

3 隧道施工機械化配套系統(tǒng)

隧道施工機械數(shù)量配置是否合理決定了機械群施工效率，直接影響了隧道施工進度。隧道施工工序內(nèi)存在兩種及以上機械設(shè)備配合使用時才會出現(xiàn)配套數(shù)量問題。在隧道出渣與濕噴工序內(nèi)存在兩種機械配套關(guān)系，即出渣工序內(nèi)裝載機與自卸汽車的配套關(guān)系，濕噴工序內(nèi)濕噴機與混凝土罐車的配套關(guān)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。

3.1 出渣工序中自卸汽車配置數(shù)量計算

同出渣工序作業(yè)時間預(yù)估公式推導(dǎo)類似，最優(yōu)的自卸汽車配置數(shù)量應(yīng)使掌子面裝渣用裝載機不停機等待自卸汽車的到來，因此判斷準則為裝載機裝滿一自卸汽車洞渣后下一輛自卸汽車已經(jīng)到達掌子面等待裝渣，即

Dcc=Dc

(11)

因此，保證裝載機不停機等待的自卸汽車配置數(shù)量nc應(yīng)滿足

(12)

依據(jù)式(12)，編制機械配套系統(tǒng)中出渣機械數(shù)量計算功能。軟件界面如圖11所示。

圖11 出渣機械配置數(shù)量計算功能界面

3.2 濕噴工序中混凝土罐車配置數(shù)量計算

同出渣機械配置數(shù)量計算類似，濕噴工序中混凝土罐車的配置數(shù)量應(yīng)滿足掌子面處始終有一輛混凝土罐車在給濕噴機卸料，一輛罐車卸完料時，另一輛混凝土罐車已裝料完成后重新抵達掌子面。因此判斷準則為濕噴機濕噴一罐車混凝土的時間、罐車往返掌子面和拌和站的行駛時間、罐車在拌和站裝料時間三者之間的關(guān)系。

1)濕噴機濕噴一罐車時間與濕噴機濕噴效率、罐車容量有關(guān)，即濕噴機噴完一罐車混凝土料的時間為

Tsp=αx

(13)

式中：Tsp為濕噴機噴完一罐車混凝土料的時間，min；α為濕噴機的濕噴效率，min/m3；x為混凝土罐車容量，m3。

2)攪拌站裝料時間與攪拌站的平均裝料效率和罐車容量有關(guān)，即罐車在拌和站裝滿一車混凝土料的時間為

Tzl=βx

(14)

式中：Tzl為罐車在拌和站裝滿一車料的時間，min；β為拌和站的平均裝料效率，min/m3。

3)混凝土運輸時間與掌子面與拌和站的距離和罐車的平均行駛速度有關(guān)，即罐車卸完料到裝滿料再次返回到濕噴機前的循環(huán)時間為

(15)

式中：Tgc為罐車循環(huán)運輸時間，min；Lbh為拌和站距隧道洞口的距離，m；Vgc為混凝土罐車的平均行駛速度，m/min。

因此當Tsp=Tgc時，混凝土罐車配置數(shù)量正好滿足濕噴機不停機等待的標準，因此將混凝土罐車數(shù)量由2輛增加至3輛的隧道累計進尺應(yīng)滿足

(16)

依據(jù)式(16)，編制機械配套系統(tǒng)中濕噴機械數(shù)量計算功能。軟件界面如圖12所示。

圖12 濕噴機械配置數(shù)量計算功能界面

4 結(jié)論

隨著復(fù)雜環(huán)境地區(qū)交通設(shè)施的進一步完善，勢必要建設(shè)更多的長大隧道，同時施工機械化水平也會進一步提高。本文通過收集隧道施工過程中的作業(yè)參數(shù)及作業(yè)時間，推導(dǎo)了工序時間預(yù)估公式和機械配置數(shù)量計算公式，得到以下結(jié)論：

1)針對350 km/h雙線高速鐵路隧道，不同圍巖等級下的隧道施工難度不均，耗時也各有不同，表現(xiàn)為隧道圍巖越差，鉆孔工序、立架工序作業(yè)時間越長；裝藥爆破工序主要跟隧道循環(huán)進尺有關(guān)；出渣工序和濕噴工序作業(yè)時間受隧道循環(huán)進尺和機械作業(yè)效率影響。

2)目前隧道修建過程中，出渣和濕噴工序內(nèi)使用2種機械設(shè)備，隨著隧道累計進尺的增加，將出現(xiàn)機械設(shè)備配置不足的問題。因此應(yīng)根據(jù)隧道累計進尺、施工場地及機械實際施工效率等計算合理的機械配置數(shù)量，并有預(yù)見性的安排機械進場。

3)為方便項目管理人員及時了解現(xiàn)場施工信息，開發(fā)了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機械化施工配套分析軟件，可實現(xiàn)管理人員遠程監(jiān)控施工進度并預(yù)見性的進行人員及機械安排的目標，有助于科學(xué)高效地進行隧道建設(shè)，提高施工效率，縮短施工工期。