山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機(jī)械化施工配套軟件開發(fā)及應(yīng)用

王朋樂

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

近年來，隨著國家鐵路設(shè)施建設(shè)要求及隧道修建技術(shù)的不斷提高，采用鉆爆法施工的特長山嶺隧道不斷增多[1]，如石太高鐵太行山隧道[2]、蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[3]、青藏鐵路關(guān)角隧道[4]及向莆鐵路青云山隧道[5]等，長度均超過20 km。正在建設(shè)的川藏鐵路中也有若干特長隧道，如易貢隧道(42 486 m)、色季拉山隧道(38 013.9 m)、果拉山隧道(34 200 m)、德達(dá)隧道(33 350 m)、拉月隧道(31 090 m)、芒康山隧道(30 675 m)、孜拉山隧道(30 000 m)等[6-8]。在隧道長度不斷增加的同時(shí)，機(jī)械設(shè)備的聯(lián)合作業(yè)效率及施工工期控制愈加難以保證。因此，有必要對鉆爆法機(jī)械化施工下的山嶺隧道循環(huán)工序作業(yè)時(shí)間特征及機(jī)械效率等進(jìn)行研究，有預(yù)見性地安排施工機(jī)械，優(yōu)化施組方案。

目前針對山嶺隧道鉆爆法機(jī)械化施工的研究較多。王明年等[9]依托鄭萬高鐵湖北段大斷面隧道洞群，對大型機(jī)械化大斷面法施工下初期支護(hù)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析；林毅等[10]以鄭萬高鐵湖北段隧道工程實(shí)踐為依托，從大斷面快速修建技術(shù)理論研究、機(jī)械化配套設(shè)備、機(jī)械化配套條件下施工技術(shù)和信息化系統(tǒng)應(yīng)用等方面總結(jié)了鄭萬高鐵湖北段隧道大斷面修建關(guān)鍵技術(shù)，推動隧道的整體施工水平和綜合管理能力提高。趙東波[11]依托安琶鐵路甘姆奇克隧道工程，對隧道開挖、裝運(yùn)和支護(hù)等不同工序進(jìn)行機(jī)械化施工設(shè)備配置，并對比了不同機(jī)械配置的工效差異。鄔彪紅[12]通過研究隧道施工中的機(jī)械化配套方案，縮減隧道施工工期，加快了隧道進(jìn)度。劉禹陽等[13-14]依托金家莊特長螺旋隧道工程，通過系統(tǒng)調(diào)研開挖與初期支護(hù)相關(guān)機(jī)械的現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間，采用理論分析及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究了裝載機(jī)與濕噴機(jī)的停機(jī)等待時(shí)間特征，提出了隧道運(yùn)輸機(jī)械數(shù)量配置原則，并對施工機(jī)械的單機(jī)作業(yè)特性和銜接特性進(jìn)行了分析。綜上，目前關(guān)于鉆爆法機(jī)械化施工的研究較多，對隧道施工前期施組準(zhǔn)備具有參考意義，但在隧道施工現(xiàn)場隨著隧道進(jìn)尺的不斷增加，各種影響機(jī)械施工效率及造成工序時(shí)間延長的問題不斷發(fā)生。隨著鉆爆法山嶺隧道由原來的粗放型施工向精細(xì)化施工轉(zhuǎn)型，施組方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際狀況及時(shí)優(yōu)化。

目前隧道施工現(xiàn)場的施工信息主要靠施工人員現(xiàn)場記錄填寫施工日志，然后遞交給項(xiàng)目管理人員，由于信息的滯后性，項(xiàng)目管理人員不能及時(shí)判斷施工中的延誤原因，機(jī)械安排具有滯后性，延長了作業(yè)時(shí)間，且機(jī)械數(shù)量的不足會隨著掘進(jìn)里程的增加而逐漸顯現(xiàn)，因此應(yīng)有預(yù)見性地安排車輛進(jìn)場[13]。在施工工期預(yù)測方面，目前主要根據(jù)正常施工順序、施工效率、作業(yè)面積等綜合確定，缺乏有效的計(jì)算公式。本文在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過理論分析及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，創(chuàng)新性地推導(dǎo)了五部工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估公式，同時(shí)得出了增加出渣工序及濕噴工序機(jī)械數(shù)量的計(jì)算方法。為方便現(xiàn)場人員應(yīng)用，以Visual Studio2012為開發(fā)平臺，采用C#語言，開發(fā)了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機(jī)械化施工配套分析軟件，實(shí)現(xiàn)管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控施工進(jìn)度并預(yù)見性地進(jìn)行人員及機(jī)械安排的目標(biāo)，有助于科學(xué)高效地進(jìn)行隧道建設(shè)，提高施工效率，縮短施工工期。

1 施工循環(huán)信息采集系統(tǒng)

山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機(jī)械化施工配套分析軟件共分為3個(gè)模板，包括施工循環(huán)基本信息采集、機(jī)械配套數(shù)量計(jì)算和開挖作業(yè)時(shí)間預(yù)估，如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)功能模塊

施工循環(huán)基本信息錄入界面如圖2所示，包括基本信息、鉆孔作業(yè)、爆破作業(yè)、出渣排危作業(yè)、封閉巖面(初噴)、立拱架、超前支護(hù)、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土(復(fù)噴)、循環(huán)作業(yè)時(shí)間等10項(xiàng)基本錄入信息，包含了隧道現(xiàn)場施工中的全部作業(yè)流程及相關(guān)參數(shù)。在輸入完成后，系統(tǒng)將信息儲存在輕量級的SQLite數(shù)據(jù)庫中，可供項(xiàng)目管理人員遠(yuǎn)程查閱與分析。

圖2 基本信息錄入界面

2 隧道機(jī)械化施工工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)

為甄別采用鉆爆法施工的山嶺隧道開挖循環(huán)作業(yè)時(shí)間影響因素，并合理預(yù)測施工工期，通過現(xiàn)場調(diào)研記錄某350 km/h雙線高速鐵路隧道實(shí)際開挖參數(shù)及作業(yè)時(shí)間，對直接影響隧道開挖進(jìn)度的掌子面鉆孔、裝藥爆破、出渣、立架和濕噴五部工序的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定這五部工序的作業(yè)時(shí)間影響因素并推導(dǎo)預(yù)估公式。

2.1 鉆孔工序

本隧道鉆孔工序采用人工手持風(fēng)動鑿巖機(jī)作業(yè)，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的不同等級圍巖下每延米鉆孔時(shí)間如圖3和表1所示。

圖3 4種等級圍巖每延米鉆孔耗時(shí)圖

表1 4種等級圍巖每延米鉆孔耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

每循環(huán)鉆孔用時(shí)與每延米鉆孔耗時(shí)、鉆孔總數(shù)量、鉆孔作業(yè)人數(shù)等有關(guān)，計(jì)算公式為

(1)

式中：T1為每循環(huán)鉆孔用時(shí)，min；α1為鉆孔工人的熟練程度；t1為每延米鉆孔耗時(shí)，min；d為每循環(huán)進(jìn)尺，m；Nzk為每循環(huán)鉆孔數(shù)量；nzk為鉆孔人數(shù)。

以鉆孔作業(yè)時(shí)間計(jì)算公式式(1)為基礎(chǔ)編制工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)中鉆孔工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估功能。軟件界面如圖4所示。

圖4 鉆孔工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估界面

2.2 裝藥爆破工序

裝藥爆破工序中，裝藥人員在鉆孔內(nèi)進(jìn)行裝藥，由于存在不同等級圍巖的裝藥人員和鉆孔數(shù)量不同的情況，因此將裝藥時(shí)間細(xì)化為每個(gè)裝藥人員不同進(jìn)尺下的單孔裝藥時(shí)間，并求出平均時(shí)間，如圖5及表2所示。

表2 不同開挖進(jìn)尺下單孔裝藥時(shí)間統(tǒng)計(jì)

每循環(huán)裝藥爆破工序用時(shí)與單孔裝藥時(shí)間、隧道開挖進(jìn)尺、鉆孔數(shù)量、裝藥人數(shù)等有關(guān)。由圖5可以看出，單孔裝藥時(shí)間與開挖進(jìn)尺近似服從一次函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)每循環(huán)裝藥爆破工序用時(shí)預(yù)估公式為

圖5 不同開挖進(jìn)尺下單孔裝藥時(shí)間

(2)

式中：T2為每循環(huán)裝藥爆破工序耗時(shí)，min；α2為裝藥工人的熟練程度；di為炮眼深度，m；n為炮眼的種類；nzy為裝藥人數(shù)。

以式(2)為基礎(chǔ)編制工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)中裝藥爆破工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估功能。軟件界面如圖6所示。

圖6 裝藥爆破工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估界面

2.3 出渣工序

出渣工序作業(yè)時(shí)間與棄渣總量、機(jī)械配置數(shù)量、運(yùn)輸機(jī)械行駛距離、機(jī)械容量等有關(guān)，其中棄渣總量Wqz計(jì)算公式為

Wqz=SdmdjcRΔ

(3)

式中：Sdm為隧道開挖斷面面積，m2；djc為隧道開挖進(jìn)尺，m；R為巖體松脹系數(shù)；Δ為超挖系數(shù)，視爆破質(zhì)量而定，一般取1.15～1.25。

出渣工序作業(yè)時(shí)間與自卸汽車配置數(shù)量是否充足密切相關(guān)，當(dāng)配置數(shù)量足夠時(shí)，裝載機(jī)裝完一車棄渣后下一輛自卸汽車已到達(dá)掌子面處等待裝渣，反之裝載機(jī)停機(jī)等待自卸汽車的到來。

1)當(dāng)實(shí)際配置的自卸汽車數(shù)量不足時(shí)，即裝載機(jī)裝滿一自卸汽車后需停機(jī)等待下一輛自卸汽車到來，此時(shí)裝載機(jī)停機(jī)等待時(shí)間可由下一輛自卸車距離掌子面的長度及其平均行駛速度確定。

假設(shè)自卸汽車在掌子面和棄渣場之間的往返路程中等間距分布，則相鄰兩輛自卸汽車的間距Dcc為

(4)

式中：Ljc為隧道累計(jì)開挖進(jìn)尺，m；Lqz為棄渣場距隧道洞口的距離，m；ncs為自卸汽車實(shí)際配置數(shù)量。

因此，裝載機(jī)單次裝渣平均延誤時(shí)間Tyw為

(5)

式中：Dc為裝載機(jī)裝滿一自卸汽車的時(shí)間另一輛自卸汽車可行駛的距離[根據(jù)式(6)確定]，m；Vzx為自卸汽車往返掌子面與棄渣場之間的平均行駛速度，m/min。

Dc=TzmVzx

(6)

式中，Tzm為裝載機(jī)裝滿一輛自卸汽車洞渣所用時(shí)間，min。

由于自卸汽車到達(dá)掌子面后需要掉頭進(jìn)行裝渣，因此設(shè)定掉頭時(shí)間為1 min，則每循環(huán)出渣工序總時(shí)間T3預(yù)估公式為

T3=m(Tzm+Tyw+1)

(7)

式中，m為裝渣總車數(shù)，根據(jù)棄渣總量和自卸汽車容量確定。

2)當(dāng)現(xiàn)場實(shí)際配置的自卸汽車數(shù)量足夠時(shí)，即裝載機(jī)裝滿一自卸汽車后下一輛自卸汽車已到達(dá)等待裝渣，自卸汽車不會產(chǎn)生延誤，因此Tyw=0，此時(shí)出渣總時(shí)間T3預(yù)估公式為

T3=m(Tzm+1)

(8)

以式(8)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)中出渣工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估功能。軟件界面如圖7所示。

圖7 出渣工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估界面

2.4 立架工序

本隧道立架工序采用人工立架方式，Ⅳ級圍巖段每循環(huán)開挖進(jìn)尺2 m，支立鋼架2榀；Ⅴ級圍巖段每循環(huán)開挖進(jìn)尺0.6 m，支立鋼架1榀。現(xiàn)場記錄的每榀平均立架時(shí)間如圖8和表3所示。

圖8 不同等級圍巖每榀立架時(shí)間

表3 不同等級圍巖每榀立架時(shí)間統(tǒng)計(jì)

每循環(huán)立架工序用時(shí)與每榀平均立架時(shí)間、立架榀數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為

T4=α3t2nps

(9)

式中：T4為立架工序作業(yè)總時(shí)間，min；α3為立架工人的熟練程度；t2為每榀平均立架時(shí)間，依據(jù)表3進(jìn)行取值；nps為立架榀數(shù)。

以式(9)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)中立架工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估功能。軟件界面如圖9所示。

圖9 立架工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估界面

2.5 濕噴工序

每循環(huán)濕噴工序作業(yè)耗時(shí)與開挖進(jìn)尺、每延米設(shè)計(jì)混凝土用量、濕噴混凝土回彈率和濕噴機(jī)實(shí)際噴射效率等有關(guān)，計(jì)算公式為

(10)

式中：T5為濕噴工序作業(yè)總時(shí)間，min；α4為濕噴機(jī)延誤系數(shù)；Vhn為設(shè)計(jì)每延米混凝土用量，m3/m；αht為濕噴混凝土回彈率；vs為濕噴機(jī)實(shí)際噴射效率，m3/min。

以式(10)為基礎(chǔ)，編制工序作業(yè)時(shí)間分析系統(tǒng)中濕噴工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估功能。軟件界面如圖10所示。

圖10 濕噴工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估界面

3 隧道施工機(jī)械化配套系統(tǒng)

隧道施工機(jī)械數(shù)量配置是否合理決定了機(jī)械群施工效率，直接影響了隧道施工進(jìn)度。隧道施工工序內(nèi)存在兩種及以上機(jī)械設(shè)備配合使用時(shí)才會出現(xiàn)配套數(shù)量問題。在隧道出渣與濕噴工序內(nèi)存在兩種機(jī)械配套關(guān)系，即出渣工序內(nèi)裝載機(jī)與自卸汽車的配套關(guān)系，濕噴工序內(nèi)濕噴機(jī)與混凝土罐車的配套關(guān)系。由于隧道斷面的限制，用于出渣作業(yè)的裝載機(jī)數(shù)量最多為2臺，用于濕噴作業(yè)的濕噴機(jī)數(shù)量基本為1臺，對于以上兩工序的機(jī)械配套研究主要是對運(yùn)輸機(jī)械自卸汽車及混凝土罐車的配置數(shù)量進(jìn)行研究。

3.1 出渣工序中自卸汽車配置數(shù)量計(jì)算

同出渣工序作業(yè)時(shí)間預(yù)估公式推導(dǎo)類似，最優(yōu)的自卸汽車配置數(shù)量應(yīng)使掌子面裝渣用裝載機(jī)不停機(jī)等待自卸汽車的到來，因此判斷準(zhǔn)則為裝載機(jī)裝滿一自卸汽車洞渣后下一輛自卸汽車已經(jīng)到達(dá)掌子面等待裝渣，即

Dcc=Dc

(11)

因此，保證裝載機(jī)不停機(jī)等待的自卸汽車配置數(shù)量nc應(yīng)滿足

(12)

依據(jù)式(12)，編制機(jī)械配套系統(tǒng)中出渣機(jī)械數(shù)量計(jì)算功能。軟件界面如圖11所示。

圖11 出渣機(jī)械配置數(shù)量計(jì)算功能界面

3.2 濕噴工序中混凝土罐車配置數(shù)量計(jì)算

同出渣機(jī)械配置數(shù)量計(jì)算類似，濕噴工序中混凝土罐車的配置數(shù)量應(yīng)滿足掌子面處始終有一輛混凝土罐車在給濕噴機(jī)卸料，一輛罐車卸完料時(shí)，另一輛混凝土罐車已裝料完成后重新抵達(dá)掌子面。因此判斷準(zhǔn)則為濕噴機(jī)濕噴一罐車混凝土的時(shí)間、罐車往返掌子面和拌和站的行駛時(shí)間、罐車在拌和站裝料時(shí)間三者之間的關(guān)系。

1)濕噴機(jī)濕噴一罐車時(shí)間與濕噴機(jī)濕噴效率、罐車容量有關(guān)，即濕噴機(jī)噴完一罐車混凝土料的時(shí)間為

Tsp=αx

(13)

式中：Tsp為濕噴機(jī)噴完一罐車混凝土料的時(shí)間，min；α為濕噴機(jī)的濕噴效率，min/m3；x為混凝土罐車容量，m3。

2)攪拌站裝料時(shí)間與攪拌站的平均裝料效率和罐車容量有關(guān)，即罐車在拌和站裝滿一車混凝土料的時(shí)間為

Tzl=βx

(14)

式中：Tzl為罐車在拌和站裝滿一車料的時(shí)間，min；β為拌和站的平均裝料效率，min/m3。

3)混凝土運(yùn)輸時(shí)間與掌子面與拌和站的距離和罐車的平均行駛速度有關(guān)，即罐車卸完料到裝滿料再次返回到濕噴機(jī)前的循環(huán)時(shí)間為

(15)

式中：Tgc為罐車循環(huán)運(yùn)輸時(shí)間，min；Lbh為拌和站距隧道洞口的距離，m；Vgc為混凝土罐車的平均行駛速度，m/min。

因此當(dāng)Tsp=Tgc時(shí)，混凝土罐車配置數(shù)量正好滿足濕噴機(jī)不停機(jī)等待的標(biāo)準(zhǔn)，因此將混凝土罐車數(shù)量由2輛增加至3輛的隧道累計(jì)進(jìn)尺應(yīng)滿足

(16)

依據(jù)式(16)，編制機(jī)械配套系統(tǒng)中濕噴機(jī)械數(shù)量計(jì)算功能。軟件界面如圖12所示。

圖12 濕噴機(jī)械配置數(shù)量計(jì)算功能界面

4 結(jié)論

隨著復(fù)雜環(huán)境地區(qū)交通設(shè)施的進(jìn)一步完善，勢必要建設(shè)更多的長大隧道，同時(shí)施工機(jī)械化水平也會進(jìn)一步提高。本文通過收集隧道施工過程中的作業(yè)參數(shù)及作業(yè)時(shí)間，推導(dǎo)了工序時(shí)間預(yù)估公式和機(jī)械配置數(shù)量計(jì)算公式，得到以下結(jié)論：

1)針對350 km/h雙線高速鐵路隧道，不同圍巖等級下的隧道施工難度不均，耗時(shí)也各有不同，表現(xiàn)為隧道圍巖越差，鉆孔工序、立架工序作業(yè)時(shí)間越長；裝藥爆破工序主要跟隧道循環(huán)進(jìn)尺有關(guān)；出渣工序和濕噴工序作業(yè)時(shí)間受隧道循環(huán)進(jìn)尺和機(jī)械作業(yè)效率影響。

2)目前隧道修建過程中，出渣和濕噴工序內(nèi)使用2種機(jī)械設(shè)備，隨著隧道累計(jì)進(jìn)尺的增加，將出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備配置不足的問題。因此應(yīng)根據(jù)隧道累計(jì)進(jìn)尺、施工場地及機(jī)械實(shí)際施工效率等計(jì)算合理的機(jī)械配置數(shù)量，并有預(yù)見性的安排機(jī)械進(jìn)場。

3)為方便項(xiàng)目管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場施工信息，開發(fā)了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機(jī)械化施工配套分析軟件，可實(shí)現(xiàn)管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控施工進(jìn)度并預(yù)見性的進(jìn)行人員及機(jī)械安排的目標(biāo)，有助于科學(xué)高效地進(jìn)行隧道建設(shè)，提高施工效率，縮短施工工期。