杜昱辰

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責任公司，浙江 杭州 310002)

麗水市灘坑引水工程為Ⅱ等工程，工程自灘坑水庫引水至胡村水庫，輸水線路方案進水口設(shè)置在原下塘村附近，輸水隧洞接豎井式取水工作閘門井后走向偏向西北，經(jīng)底坑、滿頭壘、沙坑、大丘至上垟接埋管，其后接入輸水主洞，向北經(jīng)過金村、烏陰坑，出口接調(diào)流加壓泵站，并在上埠埋管及烏陰坑支洞預留分水口。輸水線路長31.97km，其中隧洞段長約31.72km，支洞總長約4.88km，隧洞均采用單頭掘進鉆爆法施工。

鉆爆法[1- 6]是一種機械協(xié)同作業(yè)、多循環(huán)開挖的隧洞施工常用方法，在鉆爆法施工、無軌汽車運輸方式施工的長距離、小斷面工程實際中，工程進度效率受施工機械化程度影響較大。機械化程度越高，則施工效率越高，施工進度越快。但一味地追求高性能施工機械，難免出現(xiàn)高能低就的情況，造成資源浪費與成本增加。因此，在長距離、小斷面灘坑引水隧洞工程施工循環(huán)作業(yè)中，如何合理配置施工機械，是工程施工進度的重要保障。本文結(jié)合隧洞循環(huán)進尺作業(yè)工序，分析隧洞進尺作業(yè)中各施工機械應(yīng)用情況。結(jié)合工作實際與現(xiàn)場調(diào)查，在工程現(xiàn)場設(shè)備型號既定情況下，分析施工機械配置的主要影響因素;結(jié)合排隊論分析方法[7- 8]，分析循環(huán)進尺作業(yè)機械配置方案，為類似工程項目建設(shè)優(yōu)化提供實踐指導。

1 隧洞施工條件概述

灘坑引水隧洞位于浙江西南山區(qū)，山勢連綿起伏，兩岸山體雄厚，地形陡峻。隧洞沿線施工支洞布置地形條件較復雜，大部分洞段埋深200～500m，部分洞段埋深達到800～900m以上，沙坑和大丘施工支洞長度超過1km，其余段一般均能控制在1km以內(nèi)。下塘進水口附近山體較陡，施工場地布置條件較差，需對進水口附近山體進行平整作為施工場地，同時考慮水庫蓄水的時間及水位的要求。隧洞沿線的山體外均有縣道、鄉(xiāng)道通過，施工支洞交通條件較好。本工程隧洞主洞總長度31.72km，分別設(shè)底坑、沙坑、大丘、金村、烏陰坑、胡村6個支洞，主支洞斷面分別為3.5m×3.5m，4.5m×4.5m城門洞型，支洞長度由161m至1526m不等。

2 施工機械配置研究

2.1 循環(huán)進尺作業(yè)分析

鉆爆法及無軌運輸作業(yè)下的隧洞循環(huán)進尺作業(yè)主要流程包括測量放樣、鉆孔布置、裝藥爆破、通風散煙、除險出渣、支護處理。其中：鉆孔爆破作業(yè)包括鉆孔、清孔、裝藥、起爆。出渣作業(yè)包括扒渣、裝渣、出渣、清渣。通風作業(yè)包括通風、除塵、排煙等。以灘坑引水工程大丘支洞施工作業(yè)線施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例(見表1)，按照鉆爆法施工中測量準備、鉆孔、裝藥爆破、通風散煙及除險出渣5條作業(yè)線分類分析，并對比各作業(yè)線耗時工效，如圖1所示。統(tǒng)計結(jié)果表明鉆孔及排險出渣占據(jù)循環(huán)作業(yè)的絕大部分工作時長，故上述關(guān)鍵工序的耗時優(yōu)化是提高循環(huán)進尺效率，加快隧洞進度的重要突破點。

表1 灘坑引水工程大丘支洞循環(huán)進尺作業(yè)時間表

圖1 工序循環(huán)作業(yè)耗時統(tǒng)計表

在工程實際施工作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，受隧洞掌子面作業(yè)空間限制，鉆孔裝藥作業(yè)通常采用1臺鑿巖機匹配4名作業(yè)人員的配置方案。因鉆孔過程耗時受鉆孔精度、數(shù)量、尺寸等的影響，且考慮后續(xù)裝藥爆破精度的要求，工序耗時暫難以有效提升。排險出渣作業(yè)在隧洞循環(huán)進尺中耗時占比也較大，且機械化程度最高，受機械配置影響最大。在小斷面、長距離隧洞施工作業(yè)中，出渣運輸機械受空間限制影響，入洞車輛和出洞車輛無法完成正面會車，需借助錯車道便于對向來車出入，往往錯車等待環(huán)節(jié)的隨機性會直接影響出渣運輸耗時。因此，需以出渣運輸作業(yè)為重點，研究以機械配置為核心的出渣效率提升問題，從而提升整體循環(huán)進尺效率。

2.2 施工機械配置原則

根據(jù)灘坑引水工程隧洞施工特點，施工機械的選型需滿足以下原則：

(1)滿足各工序需要。各施工機械應(yīng)以滿足循環(huán)進尺作業(yè)為要求，以扒渣清理、挖、裝、運、支護為工作主線，輔助通風排水降塵措施，形成各工序機械化流水作業(yè)線。

(2)適配工作環(huán)境。由于本工程主洞斷面為3.5m×3.5m、支洞斷面為4.5m×4.5m城門洞型布置，斷面尺寸小、洞內(nèi)空間有限，需選用小型號適配斷面及空間要求的施工機械。

(3)符合能耗要求。洞內(nèi)施工作業(yè)時，除爆破出渣產(chǎn)生的有毒有害氣體及灰塵外，施工機械設(shè)備的氣體排放同樣影響施工作業(yè)環(huán)境，限制作業(yè)效率，因此，盡量選擇低能耗設(shè)備，降低尾氣污染。

(4)滿足經(jīng)濟要求。低性能的機械，價格便宜，但是施工作業(yè)能力低；高性能的機械，施工作業(yè)能力強，但是價格也相應(yīng)偏高。應(yīng)該通過技術(shù)經(jīng)濟比較，優(yōu)選出單位產(chǎn)品成本費用低，生產(chǎn)效率高的機械設(shè)備。

2.3 施工機械分類

隧洞出渣最主要的機械設(shè)備為扒渣機以及出渣運輸車，扒渣裝載一體式機械能有效解決灘坑引水工程洞內(nèi)空間約束問題。機械的選擇主要考慮外形尺寸、機械性能及裝載能力。并考慮小斷面隧洞空間受限影響大，宜采用傳送式出渣。出渣運輸機械的選擇主要考慮隧洞空間要求、載重及油耗、功率等。現(xiàn)行施工條件下，考慮運輸車輛會車問題，在隧洞直線段每隔300m設(shè)置一處錯車道(錯車道為上底7m、下底12m、寬7m的梯形布置))。本工程出渣運輸機械采用恒立重工礦山巷道專用四輪運輸車UK- 8。額定載重量為8t，斗容量4m3，柴油機功率為70kW，最高行駛速度(重載)為23km/h。

2.4 機械配置影響因素分析

在出渣運輸工序中，確定扒渣裝載機裝載效率后，需考慮運輸出渣機械數(shù)量是否滿足扒渣裝載機的裝載效率。特別是在長距離隧洞施工中，隨著掌子面的不斷推進，出渣運輸車運距不斷增加，疊加錯車道會車時間，會導致往返耗時增加。如運輸車載重及數(shù)量配置不滿足，且錯車道設(shè)置間距不合理，則將頻繁出現(xiàn)裝載機等待運輸車的停滯時間，增大出渣整體耗時。因此，應(yīng)以減少扒渣裝載機等待時間為目標，開展運輸機械配置。

隧洞施工出渣系統(tǒng)中，自卸汽車在掌子面前排隊裝車后，到達指定的泄渣點，然后再返回裝渣點，如此循環(huán)；洞室二襯澆筑系統(tǒng)中，混凝土罐車在混凝土廠排隊裝車后，到澆筑現(xiàn)場排隊將混凝土卸入輸送泵內(nèi)，然后再返回混凝土工廠，如此循環(huán)，均屬于排隊論的范疇。本章考慮隧洞出渣運輸過程，運用排隊論簡化工程模型，結(jié)合本工程實際提供的機械設(shè)備，根據(jù)不同機械配備的工況，統(tǒng)計了運輸車臺數(shù)變化下扒渣裝載機實際生產(chǎn)率及單方運渣出渣成本(見表2)。

表2 運輸車臺數(shù)變化下扒渣裝載機實際生產(chǎn)率及單方運渣出渣成本

從表2可知運輸車從掌子面到出洞卸渣工作中，1臺扒渣裝載機配備4臺出渣運輸車最適宜?？紤]投入4臺或5臺運輸車時，成本差別不大，從循環(huán)作業(yè)效率考慮，可選擇5臺運輸車出渣。后續(xù)隨著主洞掘進距離的增長及錯車段數(shù)量的增加，可采用上述方法重新配置機械數(shù)量。

3 EPC項目隧洞通風管理

隧洞施工通風[9- 10]的根本目標是在洞內(nèi)掌子面爆破完成后，快速排出有毒有害氣體和高濃度爆破粉塵，并在施工過程中持續(xù)提供新鮮空氣，為洞內(nèi)施工作業(yè)改善施工作業(yè)環(huán)境，保障作業(yè)人員及機械的施工作業(yè)安全。作為EPC工程總承包單位，需嚴格執(zhí)行現(xiàn)場管理，以保障隧洞施工通風的有效實施。根據(jù)通風設(shè)計確定的設(shè)備型號及布置形式，嚴格落實施工通風作業(yè)的每道工序和流程，保障技術(shù)措施及輔助性技術(shù)的應(yīng)用，能有效減少漏風損失，提高通風效率。在對項目部現(xiàn)場管理的要求中，主要包括以下內(nèi)容：

(1)源頭降低粉塵。洞內(nèi)掌子面爆破作業(yè)前，通過提高測量放線精度、提高爆破鉆孔精度、優(yōu)化孔位布置形式等優(yōu)化爆破參數(shù)設(shè)計，以期達到一次爆破成型，盡可能避免掌子面超挖欠挖，減少機械二次清理工作量。

(2)在爆破方式選擇上，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件適時選擇水壓爆破，往炮眼中注水并用炮泥堵塞，利用爆破應(yīng)力波對水的不可壓縮性，經(jīng)過水體傳遞到炮眼圍巖中的爆炸能量幾乎無損失。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)有利于巖石進一步破碎，炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對環(huán)境的污染，便于從源頭減少爆破粉塵濃度。

(3)減少損耗，提高通風效率，減少漏風。通風風向與隧洞出風風向垂直，導致隧洞部分風流方向改變，撞向隧洞壁面形成紊流，從而阻礙了隧洞內(nèi)風流的整體運行，降低通風效果。洞內(nèi)漏風主要為接頭處漏風及破損漏風2種。為降低漏風損失，重點交叉部位及靠近掌子面部位必須采用鐵風筒，防止外力致?lián)p導致漏風；膠質(zhì)軟風筒采用活三環(huán)多層反邊接頭，減少漏風；采用加長風筒，減少串聯(lián)接頭；沿程孔洞采用貼膠或刷膠封孔，避免漏風。

(4)降低風阻。通風阻力是引起風壓損失、降低通風效率的主要原因。從風壓計算公式可分析得到，管道通風摩阻損失與風管直徑的指數(shù)關(guān)系成反比。因此，在灘坑引水工程主洞及各支洞后續(xù)通風管道選擇上，盡可能增大風管直徑是減少通風損失的有效技術(shù)優(yōu)化措施。此外，通風管道的平直情況和與施工機械、洞內(nèi)設(shè)備的交叉銜接處的聯(lián)接程度是控制通風局部阻力的關(guān)鍵。風筒懸掛應(yīng)做到平直緊穩(wěn)，盡量減緩轉(zhuǎn)角處的筒彎度，避免風管褶皺減小通風直徑；在主支洞交叉處及風筒直徑變化處，采用變徑節(jié)或三通連接，以減少通風阻力；定期排出風筒內(nèi)因內(nèi)外溫差產(chǎn)生的積水，減少風筒垂度。

(5)通風監(jiān)測。對爆破前及爆破后空氣氣體含量檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，橫向?qū)Ρ认嘟鼧短柗秶鷥?nèi)，爆破前后各時段各項指標差異；縱向?qū)Ρ炔煌瑯短柗秶鷥?nèi)，爆破前后各時段各項指標差異。配備空氣監(jiān)測預警系統(tǒng)，常態(tài)化監(jiān)測洞內(nèi)作業(yè)環(huán)，保障作業(yè)安全的同時，也為后續(xù)施工通風優(yōu)化調(diào)整提高參考依據(jù)。

(6)輔助設(shè)施，控制煙塵擴散為保證洞內(nèi)施工通風效果，采取如下輔助措施配合施工通風。如水幕降塵是采用高壓形成水霧后構(gòu)成的屏障，用于施工降塵，在距離掌子面的炮煙范圍內(nèi)可設(shè)置兩道180°旋噴水幕，阻隔煙塵及有害氣體向隧洞擴散。噴霧降塵采用霧炮機等向掌子面持續(xù)性噴霧，利用高壓水產(chǎn)生霧化吸收易溶于水的有害氣體及煙塵。濕式鑿巖是在鑿巖過程中連續(xù)向鉆孔底部供水，以潤濕和捕獲礦塵，降低煙塵。采用濕噴作業(yè)，有效避免了干噴作業(yè)強度低的同時，還能有效控制噴砼粉塵，改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié)論

本文以灘坑引水工程為實際背景，從施工資源配置和鉆爆法施工環(huán)節(jié)著手，整體上考慮工序資源配置，最大限度提高爆破掘進效率；從細節(jié)上考慮施工通風環(huán)節(jié)高效、安全，為隧洞項目建設(shè)優(yōu)化提供指導。在施工機械配置上，結(jié)合工程實際背景，分析得到在當前掘進距離下1臺扒渣裝載機配備4臺出渣運輸車輛的最優(yōu)方案。此外從工程總承包項目管理角度，提出了針對施工通風的技術(shù)管理措施。

本文探討的機械配置以隧洞工期過半的工程實際為前提，未來可繼續(xù)深入研究分析不同間距錯車道下的施工機械配置最優(yōu)問題，從考慮錯車道間距優(yōu)化和施工機械配置優(yōu)化的角度，提出隧洞掘進循環(huán)進尺優(yōu)化的方法論和具體實踐方案。同時在施工機械配置模型方面，可通過大量的時間監(jiān)測統(tǒng)計，分析出各工序各環(huán)節(jié)時間分布規(guī)律。