川藏鐵路隧道高海拔環(huán)境鉆爆法施工裝備選型配置思考

邢 泊， 馮歡歡

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

川藏鐵路是促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國(guó)家統(tǒng)一、鞏固邊疆穩(wěn)定的一項(xiàng)“世紀(jì)工程”，但由于其顯著的地形高差、復(fù)雜的地質(zhì)特征、頻發(fā)的山地災(zāi)害、脆弱的生態(tài)環(huán)境、惡劣的氣候條件、薄弱的資源供給等特點(diǎn)，給川藏鐵路隧道建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1]。為保證川藏鐵路隧道高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量建設(shè)，必須推行高度機(jī)械化的施工方式。新建川藏鐵路在海拔3 000 m以上的隧道長(zhǎng)度約647 km，占全線隧道總長(zhǎng)約76%。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，海拔在3 000～4 000 m時(shí)人工效率喪失50%，海拔越高，人工效率喪失率越高[2]。高海拔隧道施工裝備的成功選型是確保隧道安全高效建設(shè)的首要條件，有必要開(kāi)展針對(duì)性的研究。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)高海拔鉆爆法隧道施工裝備選型開(kāi)展了相關(guān)研究。張旭東[3]結(jié)合川藏鐵路隧道鉆爆法施工的9條作業(yè)線，較為詳細(xì)地對(duì)設(shè)備性能與川藏鐵路隧道斷面大小、海拔、施工效率等進(jìn)行了適宜性評(píng)價(jià)，并提出了低海拔高配型、低海拔低配型、高海拔高配型機(jī)械化配置方案，為實(shí)際施工機(jī)械化配置提供了重要參考； 楊米柱[4]從開(kāi)挖、支護(hù)方面介紹了青藏鐵路風(fēng)火山隧道機(jī)械設(shè)備選型，為高原隧道鉆爆法施工提供了機(jī)械化選型指導(dǎo)； 崔文鎮(zhèn)[5]結(jié)合祁連山隧道施工實(shí)際，針對(duì)高原地區(qū)長(zhǎng)大隧道建設(shè)中超前預(yù)報(bào)、開(kāi)挖支護(hù)、仰拱施作以及水溝電纜槽等一系列施工工序，闡述了幾種施工設(shè)備的應(yīng)用效果；此外，青藏鐵路羊八井隧道、蘭武二線烏鞘嶺隧道、拉林鐵路桑珠嶺隧道等的機(jī)械化配套對(duì)高原環(huán)境隧道施工機(jī)械化也具有一定的參考意義[6]。

但總的來(lái)說(shuō)，前人關(guān)于高海拔環(huán)境下的鉆爆法隧道施工裝備選型研究，更多是針對(duì)某個(gè)工序的施工裝備進(jìn)行選型分析，或者是總結(jié)分析對(duì)高原環(huán)境所采取的針對(duì)性技術(shù)，缺少對(duì)高度機(jī)械化配置模式下施工裝備選型的系統(tǒng)研究。川藏鐵路隧道多，整體海拔更高、難度更大，所采用的機(jī)械化配套裝備更多，需要在以往機(jī)械化配套技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)新、再提高。本文重點(diǎn)分析當(dāng)前鉆爆法隧道施工裝備的特點(diǎn)及其高海拔環(huán)境的適應(yīng)性，提出川藏鐵路隧道鉆爆法施工超前鉆探、開(kāi)挖、出渣、支護(hù)等各工序關(guān)鍵設(shè)備的選型建議，并對(duì)“破碎機(jī)+皮帶機(jī)”出渣、挖裝運(yùn)電動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)式除塵等新型裝備和技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用展望，以期為川藏鐵路高效、穩(wěn)步建設(shè)及新設(shè)備應(yīng)用提供參考。

1 極端環(huán)境影響分析

1.1 川藏鐵路極端環(huán)境

新建川藏鐵路雅安至林芝段線路起自既有成都至雅安鐵路雅安站，經(jīng)四川省雅安市、甘孜藏族自治州，西藏自治區(qū)昌都市、林芝市，接入在建拉薩至林芝鐵路林芝站。線路先后跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布江、雅魯藏布江等7大江河，并穿越二郎山、折多山、高爾寺山、伯舒拉嶺、色季拉山等8座高山，累計(jì)爬升高度達(dá)到1.4萬(wàn)m[7]。新建正線長(zhǎng)度為1 018 km，其中，隧道總長(zhǎng)852 km(69座)，占線路長(zhǎng)度的83%；海拔在3 000 m以上隧道49座，總長(zhǎng)約647 km。因此，高海拔導(dǎo)致的低溫、低氧與低壓是川藏鐵路施工首先面對(duì)的極端環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔每上升1 000 m，大氣壓強(qiáng)約降低10 kPa，含氧量約減少25 g/m3。當(dāng)海拔為4 000 m時(shí)，大氣壓強(qiáng)僅為56.04 kPa左右，含氧量?jī)H為182 g/m3左右。

1.2 高海拔環(huán)境的影響

1.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)性能降低

1)對(duì)于自然吸氣型內(nèi)燃機(jī)，海拔每上升1 000 m，其功率、轉(zhuǎn)矩下降8%～13%，油耗上升6%～9%，熱強(qiáng)度增加2%～5%，會(huì)產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)力、冒黑煙等現(xiàn)象。

2)高海拔地區(qū)秋冬時(shí)節(jié)晝夜溫差大的現(xiàn)象尤為明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的汽缸壓力和溫度隨海拔升高而降低，啟動(dòng)性能受溫度影響極大。氣溫過(guò)低導(dǎo)致潤(rùn)滑油黏度增大，流動(dòng)性變差，進(jìn)一步增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。

3)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)空氣減少，燃燒性能變差，滯后燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重，引起發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加；同時(shí)，冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量減少，冷卻水的沸點(diǎn)降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能下降，熱負(fù)荷進(jìn)一步增加。

1.2.2 電氣控制系統(tǒng)不穩(wěn)定

1)低溫下蓄電池容量衰減，蓄電池壽命縮減。

2)絕緣強(qiáng)度隨海拔升高、空氣密度減小而降低，電氣系統(tǒng)故障率相對(duì)提高[8]。

3)高原晝夜溫差大，如頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)或露天存放，強(qiáng)紫外線易導(dǎo)致線纜老化，影響電氣系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.3 流體控制系統(tǒng)易出現(xiàn)故障

1)低溫導(dǎo)致液壓油黏度過(guò)大，增加液壓元件的摩擦和發(fā)熱，系統(tǒng)內(nèi)壓力損失增大，設(shè)備難以正常工作。

2)在隧道內(nèi)高濕、高粉塵環(huán)境下，液壓油的乳化和污染易導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障。

1.2.4 空壓機(jī)排氣量大幅度減少

隨海拔升高，進(jìn)氣壓強(qiáng)越低，空壓機(jī)排量越小。海拔每上升100 m，平均大氣壓強(qiáng)約降低1.1 kPa，空壓機(jī)排氣量約減少1.1%。當(dāng)海拔達(dá)到4 000 m時(shí)，平均大氣壓強(qiáng)為56.04 kPa，空壓機(jī)排氣量約減少44%。

1.2.5 人員作業(yè)安全受到影響

1)海拔越高，含氧量越低，易導(dǎo)致作業(yè)人員大腦集中能力衰退、肌肉協(xié)調(diào)能力下降，易發(fā)生判斷上的錯(cuò)誤，情緒不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度同比增幅較大(見(jiàn)表1)，從而影響施工作業(yè)安全。

2)軟巖大變形和巖爆頻發(fā)，且此類(lèi)極端工況在埋深大、地應(yīng)力高的隧道工程中，地質(zhì)勘察難以準(zhǔn)確探測(cè)，存在較多不確定性與風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工設(shè)備防護(hù)結(jié)構(gòu)及作業(yè)人員安全提出了更高要求。

表1 不同海拔隧道主要施工工序的勞動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)及分級(jí)

2 鉆爆法施工裝備選型建議

超前支護(hù)、開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌等是鉆爆法施工的關(guān)鍵工序，做好各工序?qū)?yīng)機(jī)械化施工裝備的選型是確保施工質(zhì)量和效率的必要前提，如超前鉆探及支護(hù)設(shè)備、鑿巖臺(tái)車(chē)、拱架安裝設(shè)備、混凝土噴射設(shè)備等。

2.1 超前鉆探及支護(hù)設(shè)備

超前鉆探設(shè)備主要包括千米級(jí)水平鉆機(jī)、多功能鉆機(jī)等，考慮到川藏鐵路超前鉆探必要性、施工效率與綜合經(jīng)濟(jì)性，如無(wú)法設(shè)計(jì)超前探測(cè)洞，建議超前鉆探設(shè)備滿足150 m超前鉆探取芯要求即可。對(duì)于較受關(guān)注的千米級(jí)水平鉆機(jī)，由于其設(shè)備本身鉆深千米時(shí)，大多無(wú)法完整取芯，影響地質(zhì)判斷效果，并且鉆進(jìn)千米耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占據(jù)掌子面，影響施工，因此除特殊需要外不建議配置。

對(duì)于150 m以內(nèi)超前鉆探支護(hù)設(shè)備選型，卡薩C6和礦研RPD-180鉆機(jī)已有較多應(yīng)用案例。例如： 在拉林鐵路桑珠嶺隧道海拔3 572 m、洞內(nèi)最高環(huán)境溫度56 ℃的情況下，C6鉆機(jī)應(yīng)用于Ⅲ級(jí)圍巖時(shí)，每h可鉆進(jìn)6～8 m。國(guó)內(nèi)取芯深度一般在50 m左右，芯徑為50 mm，采用尾氣處理技術(shù)可達(dá)到環(huán)保要求，因此建議以C6鉆機(jī)功能參數(shù)為參考，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、效率等因素進(jìn)行選型?？ㄋ_C7系列多功能鉆機(jī)在鉆孔直徑、深度、高度方面同比C6和RPD-180均有較大提高，進(jìn)一步拓寬了施工范圍，可滿足國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)超前鉆探孔徑和孔深的要求。超前鉆機(jī)選型參考見(jiàn)表2。

表2 超前鉆機(jī)選型參考

對(duì)于30 m及以下短距離不取芯超前鉆探作業(yè)，采用鑿巖臺(tái)車(chē)已有較多應(yīng)用案例。如開(kāi)挖工序已配置鑿巖臺(tái)車(chē)，則采用此設(shè)備每循環(huán)兼顧超前鉆探及支護(hù)作業(yè)，是較為經(jīng)濟(jì)高效的選擇。在該設(shè)備用于超前鉆探作業(yè)時(shí)，應(yīng)主要關(guān)注鑿巖機(jī)系統(tǒng)特性和MWD(隨鉆測(cè)量)系統(tǒng)2個(gè)性能指標(biāo)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外具有代表性的鑿巖控制系統(tǒng)主要有2類(lèi)： 1)高壓低流量鑿巖系統(tǒng)，以安百拓COP系列鑿巖機(jī)為代表； 2)HC系列低壓大流量鑿巖系統(tǒng)，以蒙特貝、山特維克、多福鑿巖機(jī)為代表。根據(jù)大量工程應(yīng)用驗(yàn)證，COP系列鑿巖機(jī)在以Ⅱ級(jí)圍巖為主的較硬巖隧道施工時(shí)，鉆孔效率明顯高于HC系列，二者同時(shí)施作φ76 mm、25 m長(zhǎng)管棚時(shí)，其效率高出約20%。COP1838鑿巖機(jī)在青島膠州灣海底隧道曾施工φ89 mm、45 m深孔3根，共用時(shí)約3 h[9]。

以HC系列為代表的鑿巖系統(tǒng)，更適用于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，如施作鉆爆孔，與COP鑿巖機(jī)效率相當(dāng)； 經(jīng)過(guò)鄭萬(wàn)鐵路興山隧道長(zhǎng)時(shí)間對(duì)比驗(yàn)證，如施作超前探孔及管棚，鉆設(shè)φ76 mm孔時(shí)孔深可達(dá)到約30 m，鉆設(shè)φ89 mm孔時(shí)孔深可達(dá)到約25 m，其鉆具損耗與COP系列相比，降低20%～30%。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，上述2種鑿巖系統(tǒng)在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中的鉆孔效率相差不明顯，其顯著差別更多體現(xiàn)在Ⅱ級(jí)圍巖鉆孔中。實(shí)際選型時(shí)主要考慮2種情況，建議如下： 1)如更注重鉆孔速度而非長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性，建議選擇COP系列鑿巖系統(tǒng)； 2)如更注重經(jīng)濟(jì)性，在Ⅱ級(jí)圍巖中可以適當(dāng)降低鉆孔速度，建議選擇HC系列鑿巖系統(tǒng)。

2.2 鑿巖臺(tái)車(chē)

鑿巖臺(tái)車(chē)為開(kāi)挖工序主要施工設(shè)備，適用于全斷面、微臺(tái)階及上半斷面長(zhǎng)臺(tái)階法作業(yè)。覆蓋面積及鉆孔高度、高海拔適應(yīng)性、地質(zhì)適應(yīng)性、效率及成本等是鑿巖臺(tái)車(chē)選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

2.2.1 選型關(guān)鍵指標(biāo)分析

2.2.1.1 覆蓋面積及鉆孔高度

川藏鐵路隧道斷面面積介于50～150 m2，斷面高度介于鑿巖臺(tái)車(chē)停放面以上7.6～11 m，斷面寬度為7～12 m，適合三臂鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外三臂鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)高度、寬度均能滿足該尺寸要求，但具體選型時(shí)，部分臺(tái)車(chē)作業(yè)高度為11 m級(jí)別，如仰拱同步開(kāi)挖，需考慮作業(yè)時(shí)底部墊渣帶來(lái)的施工效率影響。

2.2.1.2 動(dòng)力系統(tǒng)高原適應(yīng)性

鑿巖臺(tái)車(chē)工作時(shí)由電力驅(qū)動(dòng)，高海拔環(huán)境對(duì)其影響不大；但川藏鐵路長(zhǎng)大隧道較多，如洞內(nèi)無(wú)檢修空間，需每循環(huán)駛出洞外或頻繁調(diào)度轉(zhuǎn)場(chǎng)，額外考慮其動(dòng)力配置情況。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外三臂鑿巖臺(tái)車(chē)質(zhì)量均在50 t左右，設(shè)計(jì)平原平地行走速度為15～18 km/h，爬坡角度約為25%，設(shè)備克服爬坡阻力為120～140 kN，這也是考驗(yàn)其動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。各廠家發(fā)動(dòng)機(jī)選取不同，其功率、轉(zhuǎn)矩曲線略有差異，但根據(jù)道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、油耗及高海拔衰減關(guān)系表推算，海拔超過(guò)3 500 m時(shí)，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)選型時(shí)建議發(fā)動(dòng)機(jī)功率≥160 kW，并帶有渦輪增壓及冷啟動(dòng)功能。

2.2.1.3 控制系統(tǒng)高海拔適應(yīng)性

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外鑿巖臺(tái)車(chē)整機(jī)控制系統(tǒng)總體分為2種，即全液壓控制鑿巖臺(tái)車(chē)和電液智能控制鑿巖臺(tái)車(chē)。智能型鑿巖臺(tái)車(chē)如運(yùn)用全自動(dòng)對(duì)孔及鉆孔功能，周邊鉆孔超挖量一般在25 cm左右，無(wú)法滿足施工對(duì)超欠挖的要求，故實(shí)際鉆設(shè)周邊孔為人工操作，對(duì)于超欠挖控制同樣主要取決于操作手水平。智能型電控系統(tǒng)對(duì)于隧道高溫、高濕、粉塵環(huán)境適應(yīng)性略差于全液壓控制系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用故障率可能高于全液壓控制鑿巖臺(tái)車(chē)。因此，當(dāng)海拔3 500 m以上時(shí)，建議主要選用全液壓控制鑿巖臺(tái)車(chē)，更加經(jīng)濟(jì)、維保便利且環(huán)境適應(yīng)性好；如更注重操作舒適性、信息化監(jiān)控采集及傳輸?shù)裙δ?，則建議選擇智能型鑿巖臺(tái)車(chē)。

2.2.1.4 使用成本

如使用鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖，國(guó)內(nèi)外各產(chǎn)品對(duì)風(fēng)水電的要求相差不大，成本消耗也相當(dāng)；周邊孔幾乎都為人工操作，超欠挖控制較好的話，平均可在17 cm左右； 在設(shè)備自身成本方面，全液壓控制鑿巖臺(tái)車(chē)比電液智能控制鑿巖臺(tái)車(chē)價(jià)格低約30%，且經(jīng)大量實(shí)例驗(yàn)證，其故障率低、維保便利，配件易采購(gòu)且價(jià)格較低。

2.2.2 選型建議

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)選型參考見(jiàn)表3。

結(jié)合三臂鑿巖臺(tái)車(chē)大斷面和微臺(tái)階法應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在川藏鐵路隧道正洞施工時(shí)，建議：

1)以Ⅱ級(jí)圍巖為主的隧道，選擇COP系列鑿巖系統(tǒng)；以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主的隧道，選擇HC系列鑿巖系統(tǒng)。

2)海拔≥3 500 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率≥160 kW，同時(shí)配備渦輪增壓及冷啟動(dòng)功能。

3)海拔≥3 500 m時(shí)，建議選擇液壓控制鑿巖臺(tái)車(chē)，同時(shí)需配置封閉駕駛室、冷暖空調(diào)及制氧設(shè)備。

2.3 裝藥方式及設(shè)備

建議采用以常規(guī)裝藥為主、混裝乳化炸藥為輔的裝藥方式及對(duì)應(yīng)裝備。其中，常規(guī)裝藥方式由人工臺(tái)架、鑿巖臺(tái)車(chē)或高空作業(yè)車(chē)提供裝藥平臺(tái)，進(jìn)行人工裝藥；混裝乳化炸藥技術(shù)及裝藥系統(tǒng)可以選取試點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，選型參考見(jiàn)表4。

表3 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)選型參考

表4 現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥系統(tǒng)選型參考

根據(jù)乳化炸藥設(shè)備在礦山開(kāi)采中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其單系統(tǒng)裝藥速度為10～30 kg/min，單個(gè)炮孔裝填速度是人工裝藥速度的5～10倍，可配合鑿巖臺(tái)車(chē)使用，裝藥人員為2～3人。川藏鐵路沿線前期已有乳膠基質(zhì)生產(chǎn)站，可設(shè)移動(dòng)式地面站，經(jīng)過(guò)10～30 min敏化完成后形成有起爆彈感度的乳化炸藥，相對(duì)較安全(見(jiàn)圖1)?；煅b乳化炸藥技術(shù)在國(guó)內(nèi)隧道施工中尚無(wú)應(yīng)用案例，如若試用，還需考慮政策管控等相關(guān)因素。

(a) 裝藥設(shè)備

(b) 移動(dòng)式地面站

2.4 拱架安裝設(shè)備

川藏鐵路長(zhǎng)大隧道多，地質(zhì)情況復(fù)雜，拱架安裝必不可少?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，低海拔短隧道可仍采用人工作業(yè)；而大量采用三臺(tái)階開(kāi)挖的隧道，無(wú)論隧道長(zhǎng)短或海拔高低，當(dāng)前拱架安裝設(shè)備都難以將拱架送至掌子面開(kāi)挖處，故仍需采用人工作業(yè)；其余隧道基本可考慮使用拱架安裝設(shè)備，尤其是大斷面或微臺(tái)階、上半部分長(zhǎng)臺(tái)階法的項(xiàng)目，更為適用。

川藏鐵路隧道拱架安裝臺(tái)車(chē)選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮動(dòng)力系統(tǒng)配置，工作臂數(shù)量、舉升高度及舉升能力、前伸距離(臺(tái)階寬度適應(yīng)性)，拱架適應(yīng)性和整機(jī)多功能性等指標(biāo)。

目前，拱架安裝設(shè)備制造廠家有新能正源、中鐵裝備、長(zhǎng)沙科達(dá)、湖南五新、鐵建重工、四川新筑、四川藍(lán)海等，產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，性能較為穩(wěn)定。各廠家拱架安裝設(shè)備基本采用2臂或3臂。在川藏鐵路選型及應(yīng)用中，建議選擇3臂拱架安裝臺(tái)車(chē)，以更好地適應(yīng)ABBCC型拱架安裝，如選擇2臂臺(tái)車(chē)，拱架需首先在地面進(jìn)行搭配節(jié)預(yù)組裝，對(duì)于作業(yè)空間要求較高，效率也略受影響。各產(chǎn)品臂架舉升高度均超過(guò)11 m，主臂舉升質(zhì)量均超過(guò)1 t，且均可安裝鋼拱、格柵等不同類(lèi)型拱架，可以滿足川藏鐵路全斷面或微臺(tái)階法拱架安裝的需求。拱架安裝設(shè)備選型參考見(jiàn)表5。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，拱架安裝設(shè)備取代人工作業(yè)，立拱效率提升顯著，且明顯減少了作業(yè)人員數(shù)量。湖北黃黃高速鐵路鐵家沖2號(hào)隧道在不同拱架安裝作業(yè)方式下的應(yīng)用效果對(duì)比見(jiàn)表6。

表5 拱架安裝設(shè)備選型參考

表6 黃黃高速鐵路鐵家沖2號(hào)隧道不同拱架安裝作業(yè)方式應(yīng)用效果對(duì)比

2.5 混凝土噴射設(shè)備

濕噴臺(tái)車(chē)已成為當(dāng)前隧道施工的標(biāo)配設(shè)備，且噴射能力基本為30 m3/h。對(duì)于川藏鐵路應(yīng)用濕噴臺(tái)車(chē)，主要考量以下幾個(gè)指標(biāo)，即噴射能力、噴射高度、覆蓋寬度、空壓機(jī)性能、速凝劑流量、動(dòng)力性能。當(dāng)前各廠家單臂濕噴臺(tái)車(chē)的噴射能力均可達(dá)25～30 m3/h，噴射高度基本在15～18 m，覆蓋寬度基本在24～32 m，均可滿足川藏鐵路隧道斷面的噴射要求； 常規(guī)30 m3濕噴機(jī)的空壓機(jī)功率基本在75 kW左右。

中鐵裝備HP3017B濕噴臺(tái)車(chē)在格庫(kù)鐵路阿爾金山隧道的應(yīng)用表明，在海拔小于3 500 m時(shí)，75 kW空壓機(jī)表現(xiàn)正常，但當(dāng)海拔超過(guò)3 500 m時(shí)，其能力稍有降低。因此，在海拔≥3 500 m的隧道濕噴機(jī)選型時(shí)，建議選擇配置90 kW空壓機(jī)的濕噴臺(tái)車(chē)。隨著速凝劑種類(lèi)的逐漸增多，以及實(shí)際噴射時(shí)速凝劑需求量的逐步增大，建議濕噴臺(tái)車(chē)速凝劑泵的流量不僅可調(diào)，而且最高流量不宜小于700 L/h。在動(dòng)力方面，30 m3單臂濕噴臺(tái)車(chē)常規(guī)配置發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為75～85 kW，設(shè)備質(zhì)量在18 t左右，一擋爬坡速度約為3.5 km/h，可滿足海拔3 500 m使用要求； 但當(dāng)海拔超過(guò)3 500 m時(shí)，建議選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率加大的設(shè)備，宜在95～130 kW，尤其當(dāng)海拔超過(guò)4 000 m時(shí)，更應(yīng)重點(diǎn)考慮。

除單臂濕噴臺(tái)車(chē)外，為進(jìn)一步提高噴射混凝土的效率，中鐵裝備和鐵建重工分別開(kāi)發(fā)了雙臂濕噴臺(tái)車(chē)。中鐵裝備HP5017G雙臂濕噴臺(tái)車(chē)在渭武高速6標(biāo)木寨嶺隧道進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，每h噴射方量可達(dá)50 m3，同比30 m3濕噴臺(tái)車(chē)，噴射效率約提升1.5倍。在全斷面、微臺(tái)階法隧道施工中，單次噴射方量超過(guò)40 m3時(shí)，雙臂濕噴臺(tái)車(chē)的效率優(yōu)勢(shì)明顯。川藏鐵路高海拔隧道濕噴機(jī)選型參考見(jiàn)表7。

表7 川藏鐵路高海拔隧道濕噴機(jī)選型參考

2.6 錨桿支護(hù)設(shè)備

根據(jù)川藏鐵路隧道圍巖級(jí)別，分別采用不同的錨桿類(lèi)型，主要為砂漿錨桿、中空錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿，特殊地層設(shè)計(jì)采用樹(shù)脂錨桿、讓壓錨桿，且采用長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的方式，長(zhǎng)錨桿施工會(huì)給人工作業(yè)帶來(lái)較大的難度，因此該設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注意多類(lèi)錨桿的適應(yīng)性。

錨桿機(jī)械化施工設(shè)備選型時(shí)，可以考慮2種方案： 1)采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)+簡(jiǎn)易注漿設(shè)備，3個(gè)臂同時(shí)施作錨桿，效率較高，鑿巖臺(tái)車(chē)自帶吊籃可以作為高空作業(yè)平臺(tái)使用，該種配置模式在青島、煙臺(tái)多個(gè)LPG項(xiàng)目均有應(yīng)用； 2)選擇專(zhuān)門(mén)的錨注一體臺(tái)車(chē)，具備鉆—注—裝一體化功能。根據(jù)中鐵裝備MT1G錨注一體臺(tái)車(chē)在成自高鐵老罐石隧道三臺(tái)階開(kāi)挖斷面中的應(yīng)用，上臺(tái)階采用錨注一體臺(tái)車(chē)的作業(yè)效率相對(duì)人工作業(yè)提高20%～30%(見(jiàn)表8)，如應(yīng)用于中臺(tái)階錨桿作業(yè)，錨注一體臺(tái)車(chē)施工效率同比可提升25%～35%。錨注一體臺(tái)車(chē)選型參考見(jiàn)表9。

表8 老罐石隧道上臺(tái)階開(kāi)挖作業(yè)效率對(duì)比

表9 錨注一體臺(tái)車(chē)選型參考

2.7 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝備

隧道施工中所采用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝備，如挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車(chē)等，在高海拔缺氧環(huán)境下，其作業(yè)效率均會(huì)受到一定影響，且當(dāng)超過(guò)一定海拔時(shí)，海拔越高影響越大(見(jiàn)表10)。以海拔3 500 m的關(guān)角隧道為例(含氧量為平原地區(qū)70%)，隧道施工中所采用的北奔ND3250B44 6×4自卸車(chē)在施工過(guò)程中便表現(xiàn)出了較為明顯的高原反應(yīng)，作業(yè)效率比平原作業(yè)效率降低了約30%[10]。

針對(duì)高海拔缺氧環(huán)境對(duì)挖掘機(jī)與裝載機(jī)所帶來(lái)的不利影響，設(shè)備廠家已進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。例如： 1)柴油機(jī)高原性能恢復(fù)和功率補(bǔ)償技術(shù)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔4 000～5 000 m條件下的輸出轉(zhuǎn)矩特征、轉(zhuǎn)速特征、功率特征滿足高海拔地區(qū)要求； 2)安裝燃油加熱器，用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油進(jìn)行預(yù)熱； 3)采用大面積散熱器，保證散熱要求； 4)選用低溫抗磨液壓油等[11]?；谝陨霞夹g(shù)改進(jìn)開(kāi)發(fā)了一批高原裝備，可參考選用的高原挖掘機(jī)如貴州詹陽(yáng)JYL200、小松PC220-8M0、山河智能SWE360LC、徐工XE390CH等，高原裝載機(jī)如徐工ZL40GH、徐工ZL50G、常林股份ZLM50E-3G、柳工ZLG50G等。

表10 柴油機(jī)主要性能參數(shù)隨海拔變化情況

相對(duì)挖掘機(jī)、裝載機(jī)而言，高原缺氧環(huán)境對(duì)自卸車(chē)的影響會(huì)更大。結(jié)合自卸式重型貨車(chē)(6×4式)等設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力匹配時(shí)，相對(duì)理論計(jì)算值一般會(huì)留3%～5%的選型余量[12]，對(duì)于增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，海拔3 500 m時(shí)，其功率下降約4%、燃油消耗增加約10%，仍在正常工作范圍內(nèi)。因此，當(dāng)海拔<3 500 m時(shí)，綜合考慮出渣需求及經(jīng)濟(jì)性因素，選擇常規(guī)帶渦輪增壓渣車(chē)即可；當(dāng)海拔≥3 500 m(尤其超過(guò)4 000 m)時(shí)，與高原挖掘機(jī)、高原裝載機(jī)一樣，需要進(jìn)行功率補(bǔ)償、動(dòng)力預(yù)熱、加大散熱、油品重選等針對(duì)性改造。

2.8 施工設(shè)備電液控制系統(tǒng)

上述施工設(shè)備幾乎全部涉及到電液控制系統(tǒng)，選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。電氣核心元件應(yīng)配置寬溫型，工作環(huán)境溫度-40～70 ℃為宜；控制電源選用寬電壓類(lèi)型，工作電壓范圍為320～550 V～(三相)、180～260 V～(單相)，保證直流電源供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；應(yīng)配置高原高寒環(huán)境專(zhuān)用蓄電池，并合理預(yù)留容量余量。液壓管路及密封件宜配置寬溫型，工作環(huán)境溫度-25～120 ℃為宜；宜配置液壓系統(tǒng)加熱功能，鑿巖臺(tái)車(chē)液壓系統(tǒng)宜具備氣吹水一鍵排空功能，以防凍結(jié)脹裂管路。

2.9 其他設(shè)備

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，仰拱、防水板及鋼筋綁扎、二次襯砌及養(yǎng)護(hù)設(shè)備均為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高海拔環(huán)境對(duì)設(shè)備本身影響較小，加之暫無(wú)顛覆性的施工工藝及設(shè)備可以采用，所以仍需選用常規(guī)設(shè)備。但這幾類(lèi)工序需求人員較多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，易發(fā)生群體安全事故，因此，設(shè)備細(xì)節(jié)選擇時(shí)建議增加自動(dòng)化及信息化功能。例如： 防水板鋪設(shè)臺(tái)車(chē)最好具備自動(dòng)抓取、自動(dòng)鋪設(shè)等功能； 二次襯砌臺(tái)車(chē)建議具備自動(dòng)分層分窗灌注、灌注壓力監(jiān)測(cè)、入模及過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集及信息化傳輸?shù)裙δ埽M可能提高機(jī)械化和智能化程度，降低人員勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，采用大凈空門(mén)架配置，緩解空氣污染。養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)建議配備溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)控制功能。該類(lèi)產(chǎn)品為非標(biāo)設(shè)計(jì)，具體配置方案可根據(jù)隧道情況與生產(chǎn)廠家協(xié)商解決。

3 關(guān)于新型裝備和技術(shù)的思考

3.1 “破碎機(jī)+皮帶機(jī)”出渣技術(shù)

破碎機(jī)和皮帶機(jī)主要為電力驅(qū)動(dòng)，相比發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，尤其在海拔4 000 m左右時(shí)，高海拔環(huán)境對(duì)其影響要小得多，且較能適應(yīng)大坡度出渣作業(yè)，放置于側(cè)洞壁對(duì)空間干擾小。例如： 香港西部鐵路隧道曾采用洞內(nèi)破碎加連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式，隧道全長(zhǎng)4.8 km，斷面面積110 m2，巖石為花崗巖，破碎后石料粒度為0～200 mm，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該種轉(zhuǎn)運(yùn)方式效率相比傳統(tǒng)工法提高了約30%；同時(shí)，關(guān)角隧道也曾首次嘗試在斜井內(nèi)設(shè)置皮帶機(jī)，采用“正洞無(wú)軌+斜井皮帶機(jī)+洞外汽車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)”方案，取得了較好的進(jìn)度和環(huán)境安全效益[13]。

根據(jù)川藏鐵路施工出渣量及當(dāng)前連續(xù)皮帶機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，洞內(nèi)選用帶寬800 mm皮帶機(jī)沿洞壁布置即可；而洞外皮帶機(jī)如長(zhǎng)度超過(guò)3 km，則需考慮供配電問(wèn)題，按固定或少量延伸連續(xù)皮帶機(jī)理論造價(jià)估計(jì)，每km配置造價(jià)在100萬(wàn)元左右。

3.2 挖裝運(yùn)電動(dòng)設(shè)備

目前，鉆爆法隧道施工機(jī)械化配套的9條作業(yè)線，如鑿巖臺(tái)車(chē)、拱架臺(tái)車(chē)、濕噴臺(tái)車(chē)、錨注一體臺(tái)車(chē)等，均為雙動(dòng)力系統(tǒng)，行走采用發(fā)動(dòng)機(jī)，工作采用電動(dòng)模式。同比工作所用時(shí)間，行走時(shí)間占比很小，對(duì)于洞內(nèi)污染、耗氧影響較?。谎龉皸?、防水板臺(tái)車(chē)、二次襯砌臺(tái)車(chē)等均為純用電設(shè)備，對(duì)洞內(nèi)環(huán)境無(wú)污染。因此，川藏鐵路隧道施工對(duì)于電動(dòng)設(shè)備的需求，主要集中在挖、裝、運(yùn)環(huán)節(jié)。

對(duì)此，柳工、徐工、長(zhǎng)安重工分別研發(fā)了924F、XE215E、323E系列電動(dòng)挖掘機(jī)，并在中鐵十二局項(xiàng)目進(jìn)行了試用。數(shù)據(jù)顯示，3種產(chǎn)品的斗容量均為1 m3，每h耗能分別為50、55.2、66.3 kW·h，耗能單價(jià)均約0.85元/(kW·h)，同比卡特CAT320D2型柴油挖掘機(jī)1.97元/m3的耗能成本，3種電動(dòng)挖掘機(jī)的耗能成本僅為0.57元/m3左右；徐工、長(zhǎng)安重工分別研發(fā)了XGA3250、SX32506Y型電動(dòng)自卸車(chē)，斗容量為20 m3，每km耗能分別為1.67 kW·h和1.8 kW·h，同比北奔ND3250型柴油自卸車(chē)4.14元/km的耗能成本，2種產(chǎn)品耗能僅為1.5元/km左右；此外，柳工、徐工、長(zhǎng)安重工還分別研發(fā)了電動(dòng)裝載機(jī)，斗容量分別為3、3.2、2.2 m3，部分已在中鐵十二局、中鐵十八局、中交二公局的項(xiàng)目中試用。

前期試用數(shù)據(jù)顯示，上述電動(dòng)設(shè)備性能較為穩(wěn)定，基本能夠滿足施工需要，但仍然存在價(jià)格較高、續(xù)航時(shí)間較短但充電時(shí)間長(zhǎng)(續(xù)航僅有5 h但充電時(shí)間需1.5 h左右)、便攜式充電技術(shù)及移動(dòng)換電技術(shù)暫未實(shí)現(xiàn)、整機(jī)相對(duì)較大不利于狹小空間作業(yè)、隧道潮濕高溫環(huán)境適應(yīng)性及電池耐久性有待進(jìn)一步研究等問(wèn)題。盡管如此，隨著技術(shù)不斷升級(jí)進(jìn)步，未來(lái)幾年內(nèi)，電動(dòng)挖裝運(yùn)設(shè)備仍有較大應(yīng)用前景。

3.3 移動(dòng)式除塵設(shè)備

根據(jù)隧道斷面及設(shè)備風(fēng)量不同，隧道移動(dòng)式除塵設(shè)備(見(jiàn)圖2)一般可放置于仰拱棧橋前后，可有效抑制粉塵擴(kuò)散，快速清潔掌子面爆破后的粉塵，處理后空氣粉塵體積質(zhì)量可低至0.1 mg/m3。針對(duì)川藏鐵路雙線隧道，建議放置于仰供棧橋前盡量靠近掌子面處；針對(duì)川藏鐵路單線隧道，可置于仰拱棧橋后靠近掌子面處。通過(guò)除塵風(fēng)機(jī)除塵，僅需15 min可排出清潔風(fēng)。這樣既可以提高出渣效率，也可以緩解高海拔低壓長(zhǎng)大隧道僅靠通風(fēng)除塵難以滿足施工要求的難題。該設(shè)備寬約2.5 m，處理風(fēng)量可達(dá)到3 000 m3/min。目前，該類(lèi)型設(shè)備僅在日本第二名神高速公路的栗東隧道、國(guó)內(nèi)京張高鐵八達(dá)嶺隧道等少數(shù)工程中有過(guò)初步應(yīng)用，根據(jù)川藏鐵路隧道建設(shè)需求，建議進(jìn)行針對(duì)性的改造并推廣應(yīng)用。

圖2 隧道移動(dòng)式除塵設(shè)備

4 結(jié)論與建議

基于川藏鐵路隧道高海拔環(huán)境特征，綜合考慮高效性、經(jīng)濟(jì)性及施工質(zhì)量，提出鉆爆法隧道各主要工序所采用施工裝備的選型參考與建議。

1)超前探測(cè)及鉆孔工序： 針對(duì)不同超前探測(cè)距離需求，選擇不同類(lèi)型的裝備，當(dāng)超前鉆探距離≤30 m時(shí)，建議選擇三臂鑿巖臺(tái)車(chē)，當(dāng)超前鉆探距離為30～150 m時(shí)，建議選擇多功能鉆機(jī)。對(duì)于以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主的隧道鉆孔，鑿巖臺(tái)車(chē)建議配置COP系列高壓鑿巖系統(tǒng)；對(duì)于以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主的隧道鉆孔，建議配置HC系列低壓大流量鑿巖系統(tǒng)。另外，當(dāng)海拔≥3 500 m時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮鑿巖臺(tái)車(chē)動(dòng)力及控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。

2)支護(hù)工序： 拱架安裝設(shè)備建議選用3臂型，并重點(diǎn)考慮其舉升高度、前伸距離、動(dòng)力及控制系統(tǒng)等對(duì)高海拔環(huán)境的適應(yīng)性。對(duì)于濕噴臺(tái)車(chē)，當(dāng)單循環(huán)混凝土噴射量≤40 m3時(shí)，建議選擇30 m3級(jí)單臂濕噴臺(tái)車(chē)；當(dāng)單循環(huán)混凝土噴射量>40 m3時(shí)，建議配置50 m3級(jí)雙臂濕噴臺(tái)車(chē)。對(duì)錨注一體臺(tái)車(chē)，建議重點(diǎn)考慮砂漿、中空、預(yù)應(yīng)力等多類(lèi)型錨桿的適應(yīng)性。

3)防水板、二次襯砌工序： 建議配置分層灌注、空洞監(jiān)測(cè)、信息化顯示等功能，以減小人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升施工質(zhì)量。

4)對(duì)于受高海拔因素影響較大的工序，建議嘗試采用如皮帶機(jī)出渣、挖裝運(yùn)電動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)式除塵等新技術(shù)，為高海拔環(huán)境下隧道修建探索新的解決方案。

除了高海拔環(huán)境這一因素對(duì)鉆爆法施工裝備選型具有較大影響外，地質(zhì)情況、現(xiàn)場(chǎng)條件、施工組織、進(jìn)度安排和建設(shè)投資等均對(duì)施工裝備的選型有影響。川藏鐵路地質(zhì)復(fù)雜，隧道長(zhǎng)短不一，輔助坑道或正洞的工作面布置各有特點(diǎn)，難以綜合考慮并確定統(tǒng)一的施工機(jī)械化配套方案，需根據(jù)項(xiàng)目特征針對(duì)性研究分析。復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆爆法隧道施工裝備選型影響因素眾多，因此本文僅以隧道各主要工序施工裝備所面臨的高海拔環(huán)境這一共性問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行了設(shè)備的選型研究，而對(duì)于隧道長(zhǎng)度、施工工期、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、配套機(jī)械綜合能力發(fā)揮等因素對(duì)裝備選型的影響及其相互之間的關(guān)聯(lián)性，尚缺乏系統(tǒng)的研究，這也是今后復(fù)雜地質(zhì)鉆爆法隧道裝備優(yōu)化選型的重要研究方向。