隧道開挖與初支機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性及作業(yè)銜接特征分析

劉禹陽, 王朋樂, 汪碧云, 席錦州, 羅燕平, 文 展, 馮國春

(1. 長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061；2. 長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710061；3. 四川川交路橋有限責(zé)任公司，成都 618399；4. 四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，成都 610041)

公路隧道機(jī)械化配套施工不僅可以帶來技術(shù)的進(jìn)步及設(shè)備的更新，還能明顯提升項目施工現(xiàn)場管理效益，在節(jié)約現(xiàn)場施工管理成本的同時為施工企業(yè)創(chuàng)造更大的價值[1]。機(jī)械化配套施工是以單機(jī)設(shè)備組合配套形成的施工生產(chǎn)作業(yè)線，以綜合生產(chǎn)能力為核心，進(jìn)而不斷提高機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用程度，在質(zhì)量可控的基礎(chǔ)上達(dá)到快速施工的目的。

公路隧道快速施工涉及機(jī)械作業(yè)能力、施工技術(shù)水平和組織管理水平等眾多因素，不同于技術(shù)與管理水平的難以規(guī)律化，施工機(jī)械的機(jī)械穩(wěn)定性保證了施工現(xiàn)場機(jī)械作業(yè)能力有規(guī)律可循，保證了施工機(jī)械化配套研究的可行性[2-5]。隨著隧道圍巖條件、施工技術(shù)水平、施工機(jī)械類型以及組織管理水平等不同，施工機(jī)械群的整體性能和施工能力也不相同，但在各隧道施工現(xiàn)場，單機(jī)械作業(yè)基本都保持著穩(wěn)定的運行規(guī)律。穩(wěn)定的單機(jī)作業(yè)特性是施工機(jī)械設(shè)備選型的基礎(chǔ)，是多機(jī)種機(jī)械群協(xié)同施工的保證，也是機(jī)械群具備隧道施工作業(yè)能力并穩(wěn)定發(fā)揮的先決條件。同時，施工作業(yè)時間還涉及工序內(nèi)部的機(jī)械銜接時間和工序之間的銜接時間。因此，開挖與初支機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性及作業(yè)銜接特征值得進(jìn)行深入研究。

關(guān)于隧道施工機(jī)械化配套的研究已有大量。李洋等[6]采用合理的施工機(jī)械設(shè)備、合適的施工工法、車輛掉頭錯車和二次襯砌澆筑不斷道等方式，實現(xiàn)了快速施工；林毅等[7]提出以機(jī)械工裝為基礎(chǔ)，將隧道各施工工序分為9條生產(chǎn)線，并針對不同圍巖級別，對各個生產(chǎn)線上的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行科學(xué)組合，使隧道內(nèi)形成流水式均衡生產(chǎn)局面；萬姜林等[8]基于米花嶺隧道提出按施工出渣、錨噴支護(hù)和襯砌三條作業(yè)線進(jìn)行機(jī)械配套的快速施工方法；姜銀周等[9]對比了加強(qiáng)型機(jī)械化與普通型機(jī)械化施工效果和施工速率，認(rèn)為加強(qiáng)型機(jī)械化提高了隧道施工工效，加快了施工進(jìn)度；歐陽結(jié)新[10]將隧道洞身開挖與支護(hù)施工機(jī)群分為三類，分別是開挖施工機(jī)群，初期支護(hù)機(jī)群和二次襯砌機(jī)群，并對各個機(jī)群中主要機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性及工作特性進(jìn)行了分析。目前對于隧道施工單機(jī)械的作業(yè)特性研究有待豐富，掌子面各工序內(nèi)部和工序間的機(jī)械銜接作業(yè)仍需進(jìn)一步分析研究。

為此，依托世界第一特長螺旋隧道——金家莊螺旋隧道，針對隧道開挖和初期支護(hù)工序，首先對風(fēng)動鑿巖機(jī)、裝載機(jī)、自卸車、濕噴機(jī)和混凝土罐車五種施工機(jī)械進(jìn)行作業(yè)時間的特性統(tǒng)計分析，明確了各機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性；然后對出渣和濕噴工序內(nèi)部的裝載機(jī)和濕噴機(jī)的停機(jī)等待時間特征進(jìn)行分析；最后對金家莊隧道出渣和濕噴工序之間的銜接問題進(jìn)行了特征分析探討。的研究成果可為隧道機(jī)械化配套施工提供數(shù)據(jù)支撐，對加快隧道施工進(jìn)度，發(fā)揮機(jī)械設(shè)備作業(yè)效率具有重要意義。

1 工程概況

金家莊特長螺旋隧道是北京至張家口聯(lián)合舉辦冬奧會中連接延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的重點控制性工程，位于張家口市赤城縣炮梁鄉(xiāng)磚樓村東、金家莊村西北方向，全長113.624 km。隧道左幅ZK80+398～ZK84+626，長 4 228 m，隧道右幅K80+386～K84+490，長 4 104 m，為世界第一特長螺旋隧道，如圖1所示。

圖1 金家莊特長螺旋隧道Fig.1 Jinjiazhuang extra long spiral tunnel

金家莊隧道要求于2019年4月貫通，建設(shè)總時長24個月，由于隧道地處冀北山區(qū)，冬季寒冷漫長，嚴(yán)重影響施工，造成項目工期緊、任務(wù)大，因此需要進(jìn)行機(jī)械化快速施工。

金家莊特長螺旋隧道設(shè)計行車速度80 km/h，隧道凈寬13 m[包括0.75 m(左檢修道)、0.75 m(左側(cè)向?qū)?、2×3.75 m(行車道)、3 m(右側(cè)向?qū)?和1 m(右檢修道)]。隧道區(qū)地層主要為海西期二長花崗巖，局部為第四系覆蓋層，其中左右線Ⅳ級圍巖分別為3 030、3 080 m，Ⅲ級圍巖分別為690、580 m，Ⅴ級圍巖分別為508、444 m。

金家莊隧道單洞開挖和初期支護(hù)施工中鉆孔工序采用14臺風(fēng)動鑿巖機(jī)，出渣工序采用2臺裝載機(jī)和6臺自卸汽車，濕噴工序采用1臺濕噴機(jī)和2臺混凝土罐車，并配備1座攪拌站。由于混凝土拌合站的拌合能力在原材料充足的情況下基本不變，重點研究其余5類機(jī)械設(shè)備的單機(jī)作業(yè)時間特性，以及出渣與立架工序之間及立架與濕噴工序之間的銜接特征。現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備詳細(xì)情況如表1所示。

表1 現(xiàn)場進(jìn)口單洞機(jī)械設(shè)備Table 1 Imported single hole mechanical equipment on site

2 施工機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性

隧道施工機(jī)械單機(jī)作業(yè)能力直接決定了機(jī)械設(shè)備選型和機(jī)械群協(xié)同施工能力，針對金家莊隧道的開挖和初期支護(hù)工序，對風(fēng)動鑿巖機(jī)、裝載機(jī)、自卸車、濕噴機(jī)和混凝土罐車五種施工機(jī)械進(jìn)行作業(yè)時間的特性統(tǒng)計分析，其中，風(fēng)動鑿巖機(jī)作業(yè)特性服從負(fù)指數(shù)分布，裝載機(jī)和混凝土罐車作業(yè)特性服從均勻分布，自卸汽車和濕噴機(jī)作業(yè)特性服從正態(tài)分布。

施工機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性與隧道斷面尺寸，圍巖級別和線路形態(tài)關(guān)系不大，但與施工方法關(guān)系緊密，因此以下特性分析結(jié)果適用于鉆爆法和臺階法施工隧道。

2.1 負(fù)指數(shù)分布特性

對于風(fēng)動鑿巖機(jī)，現(xiàn)場調(diào)查了80個連續(xù)循環(huán)的鉆孔深度和時間數(shù)據(jù)，所處圍巖級別均為Ⅲ級，每延米鉆進(jìn)所用的時間如圖2所示。

由圖2可知，每延米鉆孔耗時多集中在40～60 min，其極大值和極小值分別為Nmax=109.00，Nmin=35.00。

圖2 每延米鉆孔耗時Fig.2 Drilling time per linear meter

利用美國學(xué)者斯特吉斯的經(jīng)驗公式確定組數(shù)K，對每延米鉆孔時間進(jìn)行分組，數(shù)據(jù)量N為80，則

K=1+3.322lgN≈7.322

(1)

組數(shù)K取整數(shù)7，因此數(shù)據(jù)分為7組，組距d為

(2)

因此，每延米鉆孔所用時間的數(shù)據(jù)分組如圖3所示。

圖3 每延米鉆孔時間統(tǒng)計圖Fig.3 Statistics of drilling time per linear meter

由圖3可知，每延米實際鉆孔時間服從負(fù)指數(shù)分布，樣本均值：

(3)

負(fù)指數(shù)分布的概率密度函數(shù)為

f(x;λ)=λe-λx,x≥0

(4)

式(4)中：λ>0為分布參數(shù)，稱為率函數(shù)，表示每單位時間發(fā)生該事件的次數(shù)。

指數(shù)分布區(qū)間為(0, ∞)，常應(yīng)用最大似然估計方法估計λ：

(5)

所以采用風(fēng)動鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)時，每延米鉆孔所用時間x服從負(fù)指數(shù)分布，其概率分布函數(shù)為

(6)

2.2 均勻分布特性

對于裝載機(jī)和混凝土罐車，裝載機(jī)作業(yè)時間特性以裝滿一輛自卸汽車的時間衡量，混凝土罐車的作業(yè)時間特性以罐車在掌子面和拌合站之間滿載與空車行駛時的平均速率衡量。

現(xiàn)場采用兩臺裝載機(jī)為自卸汽車裝渣，連續(xù)調(diào)查了80組裝載機(jī)裝滿一自卸汽車的時間和混凝土罐車循環(huán)運輸時間，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，兩臺裝載機(jī)裝滿一自卸汽車的時間Tz集中在2.5～4.0 min，差距較小，服從均勻分布，Tz～U(2.5,4.0)。

圖4 裝載機(jī)裝載耗時Fig.4 Loading time of loader

圖5 混凝土罐車循環(huán)運輸時間Fig.5 Cycle transportation time of concrete tank truck

由圖5可知，混凝土罐車在掌子面和拌合站之間滿載和空載平均行駛速率Vg集中在10～13 km/h，服從均勻分布，Vg～U(10,13)。

2.3 正態(tài)分布特性

對于自卸汽車和濕噴機(jī)，自卸汽車的作業(yè)時間特征應(yīng)表示為除裝渣時間外的循環(huán)運輸時間特征，濕噴機(jī)的作業(yè)時間特性以單位時間內(nèi)濕噴混凝土的量衡量，即濕噴速率。

現(xiàn)場分別統(tǒng)計了80組自卸汽車循環(huán)運輸時間和濕噴機(jī)每小時濕噴混凝土的量，對自卸汽車循環(huán)運輸時間的80組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)分組如圖6所示，過程不再贅述，計算可知，自卸汽車循環(huán)運輸時間Tc呈Tc～N(33.11,2.902)正態(tài)分布。

圖6 自卸汽車運輸時間統(tǒng)計圖Fig.6 Transport time statistics of dump truck

濕噴機(jī)實際濕噴效率集中在9.5～13.5 m3/h內(nèi)，對濕噴機(jī)實際濕噴速率的80組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)分組如圖7所示，計算可知，濕噴機(jī)實際濕噴速率Vs近似呈Vs～N(11.70,1.222)的正態(tài)分布。

圖7 濕噴機(jī)濕噴速率統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical chart of wet jet rate of wet jet machine

3 作業(yè)銜接特征分析

3.1 工序內(nèi)機(jī)械停機(jī)等待時間特征

由于配合機(jī)械未能及時抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場，主導(dǎo)施工機(jī)械需停止工作等待，所導(dǎo)致的停滯時間為停機(jī)等待時間。出渣工序內(nèi)由于自卸車輛在掌子面出渣出現(xiàn)中斷，裝載機(jī)可能停機(jī)等待，濕噴工序內(nèi)由于混凝土罐車未能及時供料，濕噴機(jī)可能停機(jī)等待。

現(xiàn)場連續(xù)統(tǒng)計60組裝載機(jī)和濕噴機(jī)的停機(jī)等待時間，統(tǒng)計結(jié)果如圖8、圖9所示。其中，等待時間為負(fù)值表示運輸機(jī)械提前到達(dá)，主導(dǎo)機(jī)械未停機(jī)等待；等待時間為正值表示運輸機(jī)械未及時到達(dá)，主導(dǎo)機(jī)械停機(jī)等待運輸機(jī)械的到來。

圖8 裝載機(jī)停機(jī)等待時間Fig.8 Waiting time for loader shutdown

圖9 濕噴機(jī)停機(jī)等待時間Fig.9 Waiting time of wet jet machine shutdown

由圖8、圖9可以看出，裝載機(jī)和濕噴機(jī)停機(jī)等待現(xiàn)象與隧道累計進(jìn)尺關(guān)系緊密，某一臨界累計進(jìn)尺后，運輸機(jī)械可提前抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場的情況消失，裝載機(jī)與濕噴機(jī)開始發(fā)生停機(jī)等待問題，現(xiàn)有運輸機(jī)械運輸效率不能滿足裝載機(jī)和濕噴機(jī)作業(yè)能力，隨著累計進(jìn)尺的增加，停機(jī)等待時間逐漸增大。由于運輸機(jī)械的運輸時間受到現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)和機(jī)械管理水平等因素影響，等待時間在線性增長趨勢下出現(xiàn)離散，但停機(jī)等待的主導(dǎo)原因認(rèn)為隧道累計進(jìn)尺的增加，即運輸距離的增大。

3.2 工序間銜接時間特征

施工現(xiàn)場不同作業(yè)線對施工人員類別和所需材料設(shè)備需求不同，工序之間的轉(zhuǎn)換需要完成人員和設(shè)備的退進(jìn)場工作，轉(zhuǎn)化不及時影響施工進(jìn)度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，金家莊隧道出渣與立架作業(yè)銜接和立架與濕噴作業(yè)銜接存在工序銜接不暢問題，連續(xù)60組工序銜接耗時統(tǒng)計如圖10、圖11所示。

圖10 出渣與立架作業(yè)銜接時間Fig.10 Connection time of slag removal and erection

圖11 立架與濕噴作業(yè)銜接時間Fig.11 Connection time of erection and wet spraying

由圖10、圖11可知，出渣與立架工序間銜接時間主要集中在40～80 min，由于現(xiàn)場材料和設(shè)備的不能及時跟進(jìn)，銜接較大耗時均大于150 min，整體平均耗時105.5 min。立架完成到濕噴開始的間隔時間集中在30～90 min，由于混凝土拌合站不能及時供應(yīng)混凝土等原因，銜接較大耗時均大于150 min，整體平均耗時107.5 min。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，發(fā)生工序銜接不暢的主要原因有現(xiàn)場管理人員未提前通知下一工序人機(jī)進(jìn)場或人員進(jìn)場耗時過長，尤其是夜間作業(yè)時銜接不暢的問題尤為嚴(yán)重，以及混凝土材料供應(yīng)不足，現(xiàn)場施工停滯。同時發(fā)現(xiàn)，工序間銜接不暢發(fā)生后，下個循環(huán)同樣的工序銜接大概率發(fā)生延誤。

出渣與立架工序銜接時間和立架與濕噴工序銜接時間對比如圖12所示，由圖12可知，兩種銜接耗時大小發(fā)生規(guī)律基本相同，即同一施工循環(huán)下，出渣與立架銜接耗時較大時，立架與濕噴銜接亦會發(fā)生較大耗時。造成這一現(xiàn)象的原因較為復(fù)雜，推測主要原因為同一工區(qū)左右兩洞同時開挖支護(hù)，兩洞機(jī)械與人員有交集，如左洞內(nèi)出渣與立架銜接出現(xiàn)延誤，將會影響到右洞的相關(guān)工序開展，而右洞的相關(guān)延誤又會影響左洞的后續(xù)工序銜接。

圖12 工序銜接時間對比Fig.12 Process connection time comparison

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場調(diào)查金家莊隧道風(fēng)動鑿巖機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車、濕噴機(jī)和混凝土罐車五個機(jī)械的單機(jī)作業(yè)特性發(fā)現(xiàn)，開挖與初期支護(hù)機(jī)械單機(jī)作業(yè)特性符合一定規(guī)律，其中，風(fēng)動鑿巖機(jī)作業(yè)特性服從負(fù)指數(shù)分布，裝載機(jī)和混凝土罐車作業(yè)特性服從均勻分布，自卸汽車和濕噴機(jī)作業(yè)特性服從正態(tài)分布。

(2)對于工序內(nèi)部的機(jī)械停機(jī)等待問題，通過對金家莊隧道裝載機(jī)和濕噴機(jī)的停機(jī)等待時間分析發(fā)現(xiàn)，隨著累計進(jìn)尺的增加，裝載機(jī)和濕噴機(jī)停機(jī)等待問題逐漸凸顯，停機(jī)等待時間與累計進(jìn)尺總體呈線性快速增加。與現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)和機(jī)械管理水平等因素相比，隧道累計進(jìn)尺是裝載機(jī)和濕噴機(jī)停機(jī)等待問題的主導(dǎo)原因。

(3)對于工序之間的銜接問題，通過對金家莊隧道出渣與立架銜接和立架與濕噴銜接進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，銜接時間普遍大于30 min，多集中在30～90 min 之間，工序之間銜接時間較長，工序間銜接不暢發(fā)生后，下個循環(huán)同樣工序的銜接大概率發(fā)生延誤。同時，同一施工循環(huán)下，出渣與立架銜接耗時較大時，立架與濕噴銜接亦會發(fā)生較大耗時。