高寒高海拔隧道施工機(jī)械配套技術(shù)

霍 玲

(中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司，山東日照 276826)

1 工程概況

長(zhǎng)拉山隧道出口段長(zhǎng)1 080 m，起訖里程為K82+110～K83+190，位于青海省西南部的玉樹(shù)藏族自治州雜多縣境內(nèi)，所在區(qū)域?qū)儆谇嗄细咴Ｋ淼雷畲舐裆顬?20 m，凈寬10 m，凈高5 m，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為60 km/h，隧區(qū)最大凍土深度為2.98 m，洞口海拔高度為4 489 m，是目前世界上海拔最高的公路隧道。項(xiàng)目區(qū)深處內(nèi)陸高原腹地，海拔高，屬典型的高原大陸性半干旱氣候類(lèi)型，只有冷暖兩季之別，冷季長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月～9個(gè)月，暖季只有3個(gè)月～4個(gè)月，極端最低氣溫－26.7℃。

2 高原低溫缺氧環(huán)境對(duì)施工機(jī)械的影響

2.1 海拔高程對(duì)汽車(chē)動(dòng)力的影響

借鑒青海省公路建設(shè)有關(guān)課題的成果，當(dāng)海拔高度每升高1 000 m時(shí)，汽車(chē)動(dòng)力損失約11%，隧道洞口地面高程為4 502.6 m，設(shè)備的動(dòng)力損失約為52%，見(jiàn)圖1。

圖1 海拔高程與汽車(chē)動(dòng)力關(guān)系圖

2.2 低溫對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

溫度過(guò)低使設(shè)備的潤(rùn)滑油性能變差，發(fā)動(dòng)機(jī)等燃燒不正常，易凍裂，蓄電設(shè)備易凍壞等，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷過(guò)高，甚至不能使用;同時(shí)，溫度過(guò)低，設(shè)備啟動(dòng)困難，造成使用率低，施工效率低。

2.3 缺氧對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響

由于大氣密度和含氧量隨著海拔高度的增高而降低，長(zhǎng)拉山隧道地處長(zhǎng)拉山山腳處，三面環(huán)山，海拔高度4 489 m，冬季氧氣含量為平原的40%～50%，氧分壓只有10.92 kPa(海平面上空氣中的氧分壓為21 kPa)，造成內(nèi)燃機(jī)械吸入空氣(氧氣量)減少，改變了空燃比，導(dǎo)致氣缸內(nèi)有效壓力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。柴油機(jī)帶增壓裝置下降40%，非增壓裝置下降52%;而采取改良后的機(jī)械設(shè)備(高原型施工設(shè)備)各項(xiàng)性能指標(biāo)(如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、熱平衡性能、排放性能、低溫啟動(dòng)性能等)均有較大的改觀(見(jiàn)圖2)。

3 高原施工機(jī)械設(shè)備配備要求及配套原則

3.1 高原施工機(jī)械設(shè)備要求

隨著海拔的升高，大氣壓力、空氣密度和含氧量隨之減少，氣溫也隨之下降。因此，高原施工機(jī)械需要風(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，配置更有效的低溫啟動(dòng)裝置，使用低溫油料和防凍冷卻液，并提高液力、液壓系統(tǒng)的流動(dòng)性和散熱性;在使用高原型施工設(shè)備過(guò)程中，仍需采取發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱和保溫、強(qiáng)化放電能力、加大進(jìn)氣量、增加發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)次數(shù)、改善啟動(dòng)時(shí)間、增加清洗次數(shù)等措施。

圖2 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖

3.2 施工機(jī)械設(shè)備配套原則

在高原、低溫、缺氧的條件下，隧道施工機(jī)械設(shè)備配套原則為:

1)多選風(fēng)動(dòng)、電動(dòng)設(shè)備，少選內(nèi)燃設(shè)備;2)選用大型設(shè)備，少選小型設(shè)備;3)選用增壓設(shè)備，少用非增壓設(shè)備;4)多用新設(shè)備，少用舊設(shè)備;5)選用進(jìn)口、合資、國(guó)內(nèi)組裝的先進(jìn)設(shè)備，不用故障率高的落后設(shè)備。

4 施工機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)

針對(duì)低溫、缺氧的高原特殊環(huán)境對(duì)機(jī)械設(shè)備的影響，長(zhǎng)拉山隧道施工機(jī)械配套經(jīng)過(guò)多方案的比較，配置適應(yīng)低溫、高海拔隧道施工開(kāi)挖、錨噴支護(hù)、二次襯砌和施工保障四條機(jī)械化作業(yè)線;長(zhǎng)拉山隧道出口段為單洞單口掘進(jìn)，各循環(huán)作業(yè)線配備備用設(shè)備或配備雙套設(shè)備進(jìn)行施工。

4.1 開(kāi)挖作業(yè)線機(jī)械配置

開(kāi)挖鉆孔過(guò)程中盡量減少單孔作業(yè)時(shí)間、控制使用鉆孔用水，減少鉆孔施工及鉆孔液對(duì)凍土圍巖溫度場(chǎng)的擾動(dòng)，防止施工廢水對(duì)基底凍土的熱融;出碴工序在開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)中，占用時(shí)間較長(zhǎng)，提高出碴能力就意味著提高整體施工能力。

1)鉆孔機(jī)械。鉆孔是施工爆破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個(gè)施工循環(huán)中占用時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)高原低溫環(huán)境特點(diǎn)，且隧道開(kāi)挖斷面較小，經(jīng)過(guò)研討比較后，隧道鉆孔選用15套YT-28型鑿巖機(jī)，耗風(fēng)量3.5 m3/min，高原區(qū)耗風(fēng)量5 m3/min，同時(shí)備用5套鑿巖機(jī)。

2)裝碴機(jī)械。配備2臺(tái)側(cè)卸式裝載機(jī)和2臺(tái)挖掘機(jī)進(jìn)行裝碴、排險(xiǎn)，1臺(tái)裝載機(jī)進(jìn)行掌子面裝碴，2 h～4 h可完成，1臺(tái)裝載機(jī)備用或吊運(yùn)拱架、水泵等;挖掘機(jī)主要為挖裝仰拱和中心溝爆破碴，其中1臺(tái)備用。

3)運(yùn)碴機(jī)械。因隧道內(nèi)滴滲水較多，采用25 t自卸車(chē)進(jìn)行運(yùn)碴，經(jīng)計(jì)算每臺(tái)自卸車(chē)可裝運(yùn)17 m3洞碴，每循環(huán)進(jìn)尺按2 m計(jì)，共爆破洞碴天然方 180 m3，堆積方180×1.4=252 m3，需運(yùn)輸15車(chē)，裝車(chē)運(yùn)輸往返時(shí)間為45 min(平均運(yùn)距較長(zhǎng)1.5 km)，5臺(tái)車(chē)運(yùn)輸時(shí)間為135 min，考慮各種因素影響，則5臺(tái)車(chē)3 h可運(yùn)碴完成，其中1臺(tái)備用。

4)棄碴場(chǎng)機(jī)械。距隧道口1 km處設(shè)置棄碴場(chǎng)，配置1臺(tái)ZLC40B側(cè)卸式裝載機(jī)進(jìn)行平整，平碴時(shí)間在每次出碴完成后集中進(jìn)行，需時(shí)1.5 h ～2.5 h。

4.2 錨噴支護(hù)作業(yè)線機(jī)械配置

1)混凝土噴射機(jī)械:隧道內(nèi)設(shè)2臺(tái)PZ-5(5 m3/h)干噴機(jī)從兩側(cè)邊墻同時(shí)噴射混凝土，輸料管長(zhǎng)30 m～40 m，2臺(tái)實(shí)際噴射方量8 m3/h，每循環(huán)混凝土量為25 m3左右，可在3 h～4 h噴射完成;噴射混凝土拌和為JS500強(qiáng)制拌和機(jī)進(jìn)行拌和，農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)(5 m3)2輛運(yùn)至洞內(nèi)。

2)注漿機(jī)械:配備注漿泵和壓漿泵2套對(duì)超前導(dǎo)管和中空錨桿進(jìn)行注漿。

3)拱架機(jī)械:利用開(kāi)挖臺(tái)架(6 m)作為工作平臺(tái)，人工拼裝，臺(tái)架用Ⅰ18a工字鋼自制加工。

4.3 混凝土襯砌作業(yè)線機(jī)械配置

1)混凝土拌和機(jī)械。自動(dòng)計(jì)量拌合站設(shè)在距洞口400 m處，由混凝土拌合站距隧道洞內(nèi)最長(zhǎng)距離為1 400 m，混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)行駛速度為10 km/h，則混凝土運(yùn)輸時(shí)間最長(zhǎng)為10 min以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足混凝土初凝時(shí)間要求;二襯臺(tái)車(chē)長(zhǎng)10.5 m，混凝土每模為119 m3，2臺(tái)JS750拌和機(jī)25 min可拌和混凝土10 m3，則5 h可完成每?；炷翑?shù)量的拌和，能夠滿(mǎn)足施工需要，及時(shí)保證混凝土供應(yīng)。

2)襯砌臺(tái)車(chē)。在長(zhǎng)拉山隧道施工中，根據(jù)隧道平曲線半徑，訂做了10.5 m長(zhǎng)軌行式液壓臺(tái)車(chē)，臺(tái)車(chē)面板厚1.0 cm，龍門(mén)架為箱式鋼板組裝而成，行駛為電動(dòng)自行方式。

3)混凝土運(yùn)輸設(shè)備。已拌和混凝土采用混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)(12 m3)3輛運(yùn)至洞內(nèi)，能夠滿(mǎn)足施工需要。

4)混凝土灌注設(shè)備。選用1臺(tái)HTB60型混凝土輸送泵進(jìn)行混凝土水平和豎直提升，通過(guò)臺(tái)車(chē)兩側(cè)的滑槽將混凝土灌入到襯砌臺(tái)車(chē)內(nèi)，另一臺(tái)輸送泵作為備用，防止設(shè)備發(fā)生意外混凝土出現(xiàn)冷縫。

4.4 施工保障機(jī)械設(shè)備配置

1)動(dòng)力設(shè)備:發(fā)電機(jī)組和空壓機(jī)是隧道施工的必備設(shè)備?？諌簷C(jī):依據(jù)掌子面掘進(jìn)鑿巖機(jī)的數(shù)量和開(kāi)挖方法，Ⅲ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖鉆爆鑿巖機(jī)需11臺(tái)，每臺(tái)用風(fēng)量(考慮高原影響和距離風(fēng)損失)為5 m3，則最大用風(fēng)量為55 m3，需3臺(tái)20 m3/min空壓機(jī)同時(shí)工作，考慮備用品，隧道口共配置4臺(tái)20 m3/min螺桿式空壓機(jī)，螺桿式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件少，能在大的壓力差或壓力比的工況下工作，排氣溫度低，對(duì)制冷劑中含有大量的潤(rùn)滑油不敏感，有良好的輸氣量調(diào)節(jié)特性，適合高海拔、缺氧地區(qū)隧道使用。發(fā)電機(jī)組:拌合站與隧道用電進(jìn)行分離，單獨(dú)配置1臺(tái)發(fā)電機(jī)，隧道場(chǎng)地和洞內(nèi)交叉施工用電總功率為640 kW，同時(shí)考慮發(fā)電機(jī)組全天工作，存在輸出功率下降(按下降30%計(jì))，則需發(fā)電功率為914 kW，隧道口配備了2臺(tái)沃爾沃HX500GF(550 kW)發(fā)電機(jī)組，同時(shí)備用1臺(tái)沃爾沃HX400GF(400 kW)，沃爾沃發(fā)電機(jī)組低溫啟動(dòng)性能好，在高原缺氧的環(huán)境中功率損失小，工作可靠性高。

2)通風(fēng)設(shè)備:海拔高度4 500 m的隧道內(nèi)空氣稀薄，氧氣含量比洞外更低，需不斷往洞內(nèi)輸送新鮮空氣，以保證氧分量，確保施工人員的身心健康。洞口配置1臺(tái)SDF(A)型軸流通風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量為750 m3/min～1 200 m3/min，保證了洞內(nèi)排煙通風(fēng)和空氣的質(zhì)量，同時(shí)，洞口設(shè)置保溫棚，通過(guò)洞內(nèi)火爐和熱水箱保證洞內(nèi)溫度。

3)其他配屬設(shè)備:配置了兩套制氧設(shè)備，配備醫(yī)務(wù)室，保證高原反應(yīng)人員能夠得到及時(shí)救治;建成了強(qiáng)大的保暖、供暖系統(tǒng)(保溫棚、水暖鍋爐、地炕等)，保障冬季施工和工人的日常生活。

5 高原低溫隧道施工機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)措施

易損易耗配件儲(chǔ)備齊全，增加設(shè)備的保養(yǎng)次數(shù)、及時(shí)進(jìn)行維修是保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，高原、低溫環(huán)境對(duì)維修和保養(yǎng)帶來(lái)諸多困難，為此要采取有效措施進(jìn)行彌補(bǔ):

1)超前預(yù)測(cè)，備足配件。對(duì)特種潤(rùn)滑油、防凍液、燃油、三濾、斗齒、油缸油封、高壓油管、加壓設(shè)備等易損易耗件，根據(jù)消耗量及更換周期提前預(yù)測(cè)需用量，做好計(jì)劃，儲(chǔ)備充足。

2)采用按時(shí)保養(yǎng)、及時(shí)修理的三級(jí)保養(yǎng)制度。依據(jù)設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)，結(jié)合低溫、缺氧的高原施工特點(diǎn)，督促和監(jiān)督司機(jī)按制度、及時(shí)進(jìn)行檢查維修和保養(yǎng)，預(yù)防設(shè)備經(jīng)常性故障的發(fā)生。

3)重視動(dòng)力設(shè)備的維修和配置。a.配置備用設(shè)備，一旦發(fā)生故障，及時(shí)更換;b.成立專(zhuān)業(yè)的設(shè)備維修工班，及時(shí)保養(yǎng)檢查，降低設(shè)備故障的發(fā)生率。

6 結(jié)語(yǔ)

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊環(huán)境條件下，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)拉山隧道工程施工及一系列的分析研究，對(duì)施工機(jī)械設(shè)備的選型和配套使用、維修、保養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了初步的探討，總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)，為高原、缺氧地區(qū)隧道施工提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn);同時(shí)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的選型、配套、維修、保養(yǎng)，提高了高原地區(qū)設(shè)備的利用率，降低了機(jī)械設(shè)備的故障率，減少了勞動(dòng)力的使用數(shù)量和強(qiáng)度，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 吳煥通.隧道施工及組織管理指南[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2] 戴強(qiáng)民.公路施工機(jī)械[M].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 溫少芳.凍土隧道施工通風(fēng)模糊控制系統(tǒng)的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(8):67-69.