高寒高海拔隧道施工機械配套技術(shù)

韓連濤

(青海省公路建設(shè)管理局，青海西寧 810008)

1 工程概況

長拉山隧道全長1 080 m，起訖里程為K82+110～K83+190，位于青海省西南部的玉樹藏族自治州雜多縣境內(nèi)，所在區(qū)域?qū)儆谇嗄细咴?。隧道防雪棚?0 m，明洞75 m，Ⅴ級圍巖洞口段30 m，Ⅴ級圍巖淺埋段90 m，Ⅴ級圍巖斷層破碎帶150 m，Ⅳa級圍巖深埋段465 m(包括Ⅳa級圍巖緊急停車帶80 m)，Ⅲ級圍巖240 m。隧道按二級公路雙向兩車道設(shè)計，最大埋深為220 m，凈寬10 m，凈高5 m，設(shè)計行車速度為60 km/h，遂區(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型;由于地形起伏較大，具有垂直帶分布明顯的山地氣候特點，全年氣候嚴寒、少雨，無明顯四季之分，只有冷暖兩季之別，冷季長達8個月～9個月，暖季只有3個月～4個月，極端最低氣溫－26.7℃。針對特殊的自然環(huán)境，通過多方案比較，配置適應(yīng)低溫、高海拔隧道施工開挖、錨噴支護、二次襯砌和施工保障4條機械化作業(yè)線;在施工使用過程中，針對特殊環(huán)境對機械設(shè)備的影響，采用隧道施工機械配套與平原隧道不同的技術(shù)。

2 高原低溫缺氧環(huán)境對施工機械的影響和對策

2.1 海拔高程對汽車動力的影響

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，汽車動力損失約11%，隧道洞口地面高程為4 502.6 m，設(shè)備的動力損失約為52%，見圖1。

2.2 低溫對機械設(shè)備的影響

溫度過低使設(shè)備的潤滑油性能變差，發(fā)動機等燃燒不正常，易凍裂，蓄電設(shè)備易凍壞等，會導(dǎo)致設(shè)備負荷過高，甚至不能使用;同時，溫度過低，設(shè)備啟動困難，造成使用率低，施工效率低。

2.3 機械設(shè)備在低溫高原缺氧環(huán)境下使用的對策

由于大氣密度和含氧量隨著海拔高度的增高而降低，長拉山隧道地處長拉山山腳處，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)動機功率下降。柴油機帶增壓裝置下降40%，非增壓裝置下降52%;而采取改良后的機械設(shè)備(高原型施工設(shè)備)各項性能指標(如動力性、經(jīng)濟性、熱平衡性能、排放性能、低溫啟動性能等)均有較大的改觀。內(nèi)燃機機械效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系見圖2。

即便如此，在使用高原型施工設(shè)備過程中，仍需采取發(fā)動機預(yù)熱和保溫、選用低凝點柴油、強化放電能力、加大進氣量、增加發(fā)動機保養(yǎng)次數(shù)、改善啟動時間、增加清洗次數(shù)等措施。

3 高原低溫隧道施工機械設(shè)備配套原則及保養(yǎng)措施

3.1 施工機械設(shè)備配套原則

在高原、低溫、缺氧的條件下，隧道施工機械設(shè)備配套原則為:

1)多選風(fēng)動、電動設(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)選用進口、合資、國內(nèi)組裝的先進設(shè)備，不用故障率高的落后設(shè)備。

3.2 施工機械設(shè)備保養(yǎng)措施

易損易耗配件儲備齊全，增加設(shè)備的保養(yǎng)次數(shù)、及時進行維修是保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，高原、低溫環(huán)境對維修和保養(yǎng)帶來諸多困難，為此要采取有效措施進行彌補。

1)超前預(yù)測，備足配件。對特種潤滑油、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)測需用量，做好計劃，儲備充足。

2)采用按時保養(yǎng)及時修理的三級保養(yǎng)制度。依據(jù)設(shè)備使用說明書，結(jié)合低溫、缺氧的高原施工特點，督促和監(jiān)督司機按制度及時進行檢查維修和保養(yǎng)，預(yù)防設(shè)備經(jīng)常性故障的發(fā)生。設(shè)備維修保養(yǎng)四項要求為:清潔:設(shè)備內(nèi)外整潔，各滑動面、絲杠、齒條、油孔等處無油污，各部位不漏油、不漏氣。整齊:工具、附件、工件要放置整齊，管道、線路要有條理。潤滑良好:按時加油或換油，不漏油，油壓正常，油標明亮，油路暢通，油質(zhì)符合要求。安全:遵守安全操作規(guī)程，不超負荷使用設(shè)備，設(shè)備的安全防護裝置齊全可靠，及時消除不安全因素。

3)重視動力設(shè)備的維修和配置。空壓機、發(fā)電機組、挖掘機等的配置狀況直接會影響到隧道開挖支護、襯砌的施工進度。采取的措施主要有:a.配置備用設(shè)備，一旦發(fā)生故障，應(yīng)及時更換;b.成立專業(yè)的設(shè)備維修工班，及時保養(yǎng)檢查，以降低設(shè)備故障的發(fā)生率。

4 施工機械設(shè)備配套技術(shù)

針對低溫、缺氧的高原特殊環(huán)境和富水的地質(zhì)構(gòu)造，長拉山隧道施工機械配套經(jīng)過多方案的比較，確定方案為:性能可靠的大壓力、大容量螺桿式空壓機組驅(qū)動鑿巖機鉆孔，履帶式液壓挖掘機和輪式側(cè)卸裝載機裝碴，大功率自卸車出碴;鑿巖機鉆設(shè)錨桿孔，自制臺架架設(shè)拱架，干噴機噴射混凝土;電腦自動控制拌合站對混凝土集中拌合，采用保溫被的混凝土攪拌運輸車運輸，混凝土輸送泵和整體液壓襯砌臺車模筑二襯混凝土;發(fā)電機組、空壓機組、軸流通風(fēng)機、自制大容量熱水箱、制氧房、醫(yī)務(wù)室、砂石料保溫棚和地炕等形成保障，使施工正常進行。長拉山隧道為單洞單口掘進，各循環(huán)作業(yè)線配備備用設(shè)備或配備雙套設(shè)備進行施工，主要施工機械設(shè)備見表1。

表1 長拉山隧道主要施工機械設(shè)備表

4.1 開挖作業(yè)線機械配置

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

2)裝碴機械。配備2臺側(cè)卸式裝載機和2臺挖掘機進行裝碴、排險，1臺裝載機進行掌子面裝碴，2 h～4 h可完成，1臺裝載機備用或吊運拱架、水泵等;挖掘機主要為挖裝仰拱和中心溝爆破碴，其中1臺備用。

3)運碴機械。因隧道內(nèi)滴滲水較多，采用25 t自卸車進行運碴，經(jīng)計算每臺自卸車可裝運17 m3洞碴，每循環(huán)進尺按2 m計，共爆破洞碴天然方 180 m3，堆積方180×1.4=252 m3，需運輸15車，裝車運輸往返時間為45 min(平均運距長1.5 km)，5臺車進行運輸時間為135 min，考慮各種因素影響，則5臺車3 h可運碴完成，其中1臺備用。

4)棄碴場機械。距隧道口1 km處設(shè)置棄碴場，配置1臺ZLC40B側(cè)卸式裝載機進行平整，平碴時間在每次出碴完成后集中進行，需時1.5 h ～2.5 h。

4.2 錨噴支護作業(yè)線機械配置

1)混凝土噴射機械。隧道內(nèi)設(shè)2臺PZ-5(5 m3/h)干噴機從兩側(cè)邊墻同時噴射混凝土，輸料管長30 m～40 m，2臺實際噴射方量8 m3/h，每循環(huán)混凝土量為25 m3左右，可在3 h～4 h內(nèi)噴射完成;噴射混凝土拌和為JS500強制拌和機進行拌和，農(nóng)用運輸車(5 m3)2輛運至洞內(nèi)。

2)注漿機械。配備注漿泵和壓漿泵2套，對超前導(dǎo)管和中空錨桿進行注漿。

3)拱架機械。利用開挖臺架(6 m)作為工作平臺，人工拼裝，臺架用Ⅰ18a工字鋼自制加工。

4.3 混凝土襯砌作業(yè)線機械配置

1)混凝土拌和機械。自動計量拌合站設(shè)在距洞口400 m處，由于混凝土拌合站距隧道洞內(nèi)最長距離為1 400 m，混凝土攪拌運輸車行駛速度為10 km/h，則混凝土運輸時間最長為10 min以內(nèi)，滿足混凝土初凝時間要求;二襯臺車長10.5 m，混凝土每模為119 m3，2臺JS750拌和機25 min可拌和混凝土10 m3，則5 h可完成每?；炷翑?shù)量的拌和，能夠滿足施工需要，及時保證混凝土供應(yīng)。

2)襯砌臺車。在長拉山隧道施工中，根據(jù)隧道平曲線半徑，訂做了10.5 m長軌行式液壓臺車，臺車面板厚1.0 cm，龍門架為箱式鋼板組裝而成，行駛方式為電動自行方式，如圖3所示。

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

4)混凝土灌注設(shè)備。選用1臺HTB60型混凝土輸送泵進行混凝土水平和豎直提升，通過臺車兩側(cè)的滑槽將混凝土灌入到襯砌臺車內(nèi)，另1臺輸送泵作為備用，防止設(shè)備發(fā)生意外，混凝土出現(xiàn)冷縫。

4.4 施工保障機械設(shè)備配置

1)動力設(shè)備。發(fā)電機組和空壓機是隧道施工的必備設(shè)備?？諌簷C:依據(jù)掌子面掘進鑿巖機的數(shù)量和開挖方法，Ⅲ級圍巖全斷面開挖鉆爆鑿巖機需11臺，每臺用風(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20 m3/min的空壓機同時工作，考慮備用品，隧道口共配置4臺20 m3/min螺桿式空壓機，螺桿式空壓機結(jié)構(gòu)簡單，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，對制冷劑中含有大量的潤滑油不敏感，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)電機組:拌合站與隧道用電進行分離，單獨配置1臺發(fā)電機，隧道場地和洞內(nèi)用電考慮空壓機、混凝土輸送泵、通風(fēng)機、洞內(nèi)照明、抽水、鋼筋加工機械和日常生活用電等，交叉施工用電總功率為640 kW，同時考慮發(fā)電機組全天工作，存在輸出功率下降(按下降30%計)的問題，則需發(fā)電功率為914 kW，隧道口配備了2臺沃爾沃HX500GF(550 kW)發(fā)電機組，同時備用1臺沃爾沃HX400GF(400 kW)，沃爾沃發(fā)電機組低溫啟動性能好，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SDF(A)型軸流通風(fēng)機，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，洞口設(shè)置保溫棚，通過洞內(nèi)火爐和熱水箱保證洞內(nèi)溫度。

3)其他配屬設(shè)備。隧道施工隊配置了兩套上海世博會展覽的制氧設(shè)備，配備醫(yī)務(wù)室和醫(yī)務(wù)人員，配足常發(fā)病藥品，保證高原反應(yīng)人員能夠得到及時救治;建成了強大的保暖、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 結(jié)語

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊環(huán)境條件下，通過對長拉山隧道工程施工及其一系列的分析研究，對施工機械設(shè)備的選型和配套使用、維修、保養(yǎng)技術(shù)進行了初步的探討，總結(jié)了一定的經(jīng)驗，為高原、缺氧地區(qū)隧道施工提供了一定的借鑒經(jīng)驗;同時，通過對設(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，降低了機械設(shè)備的故障率，減少了勞動力的使用數(shù)量和強度，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］楊文宣.論青藏鐵路機械設(shè)備合理配置與施工［J］.西部探礦工程，2003，15(9):19-21.

［2］青海省道309線多雜公路《兩階段施工圖設(shè)計》第四冊［Z］.