高寒高海拔地區(qū)軟巖長引水隧洞施工降效原因分析及應(yīng)對(duì)措施

楊金華，馬江飛，王 黎

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

0 引 言

高寒高海拔地區(qū)工程施工效果易產(chǎn)生大幅下降。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高海拔地區(qū)施工降效問題、認(rèn)知理論等進(jìn)行了較多研究，但對(duì)結(jié)合工程實(shí)際的施工降效應(yīng)對(duì)措施研究相對(duì)較少，主要是以高海拔、低氣壓、低含氧、低氣溫、大溫差等獨(dú)特環(huán)境為依據(jù)研究降效影響因素，分析高寒地區(qū)低氧、干燥、海拔高等主要影響因素對(duì)內(nèi)燃機(jī)及電動(dòng)機(jī)的影響機(jī)理，采用層次分析法計(jì)算施工機(jī)械的效率。矯立憲[1]通過分析高寒地區(qū)的自然條件特點(diǎn)及其對(duì)施工機(jī)械的影響機(jī)理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)，建立電網(wǎng)工程機(jī)械施工降效指標(biāo)框架，利用AHP法計(jì)算得到機(jī)械降效系數(shù)，運(yùn)用回歸分析法建立數(shù)學(xué)模型，得到高寒地區(qū)不同海拔高度的電網(wǎng)工程施工機(jī)械降效系數(shù)。李明強(qiáng)等[2]指出了西藏高原地區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境對(duì)定額工效的影響，根據(jù)氣候相關(guān)數(shù)據(jù)和調(diào)研資料，分析不同海拔高度對(duì)人工、機(jī)械效率的影響。王朋基等[3]通過分析高原環(huán)境對(duì)人體健康及人工效率的影響機(jī)理，提出了應(yīng)對(duì)措施。由于高原環(huán)境具有獨(dú)特特征，陳志凱[4]根據(jù)實(shí)際工程中高原環(huán)境對(duì)工程機(jī)械壽命及效率的影響程度提出應(yīng)對(duì)對(duì)策。魏明鵬等[5]通過對(duì)米拉山公路隧道施工作業(yè)人員在不同作業(yè)狀態(tài)下的血氧飽和度、心率等現(xiàn)場測試分析，在保障現(xiàn)場作業(yè)人員安全的前提下，提出了提高人工效率的措施；同時(shí)研究了主要施工作業(yè)線的耗時(shí)組成和特點(diǎn)，優(yōu)化改進(jìn)耗時(shí)最多的關(guān)鍵工序，達(dá)到提高功效目的。

因此，分析研究高寒高海拔地區(qū)施工降效主要影響因素，并有針對(duì)性采取應(yīng)對(duì)措施以減少降效影響，提高施工進(jìn)度，對(duì)高寒高海拔地區(qū)水利水電工程施工具有重要意義。

1 工程概況

德羅引水隧洞進(jìn)水口位于西藏拉洛水利樞紐工程大壩壩軸線上游約6.2 km處，隧洞全長7 520.76 m，斷面為馬蹄形，采用無壓引水，開挖斷面為5.0 m×4.5 m，襯砌后斷面為4.30 m×4.05 m，隧洞施工區(qū)平均海拔4 280 m，工程所在流域氣候干濕季節(jié)分明，夏季雨水集中，溫暖濕潤；冬季寒冷干燥，區(qū)域日照充足，太陽輻射強(qiáng)烈；晝夜溫差大，寒冷缺氧。

2 德羅引水隧洞施工降效成因分析

2.1 高海拔地區(qū)缺氧影響

2.1.1 人員降效分析

隨著海拔高度的提升，氣壓降低，空氣稀薄，空氣中的氧含量降低。海拔4 270 m處，氧氣壓力只有海平面的58%[6]。空氣稀薄及氧氣絕對(duì)量的減小引起人體缺氧，并導(dǎo)致組織、細(xì)胞功能降低，進(jìn)而使人員工作效率降低。在高原地區(qū)施工中，缺氧對(duì)施工人員造成的生理危害和心理負(fù)擔(dān)不容忽視，這也是施工降效的直接和主要原因。

同時(shí)，低溫加重了人體缺氧。根據(jù)氣象測定，海拔每升高150 m，氣溫下降1 ℃。當(dāng)高海拔地區(qū)的寒冷達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致人體代謝速度快，產(chǎn)熱機(jī)能增強(qiáng)，血液氧氣消耗增加，進(jìn)一步加重人體缺氧，造成施工效率的下降。不同海拔高度大氣壓、氧分壓、濕度、溫度關(guān)系見表1[6]。

表1 不同海拔高度大氣壓、氧分壓、濕度、溫度關(guān)系Tab.1 Relationship between atmospheric pressure，oxygen partial pressure，humidity and temperature at different altitudes

2.1.2 設(shè)備降效分析

隧洞工程主要施工機(jī)械如挖掘機(jī)、裝載機(jī)、鑿巖機(jī)、自卸車、推土機(jī)等，大部分均為內(nèi)燃機(jī)?？諝庵械难鯕夂繙p少，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，功率、扭矩下降，排熱、油耗及煙量增加等，使運(yùn)行機(jī)制降低，機(jī)械工作效率下降。實(shí)踐研究表明，海拔高度每升高1 000 m，內(nèi)燃機(jī)的功率就會(huì)下降8%，油耗量上升6%[4]。此外，隨著海拔高度的增加，大氣壓力降低，水的沸點(diǎn)逐漸下降，造成水在某一溫度范圍內(nèi)(低于100 ℃時(shí))沸騰，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)散熱裝置中的冷卻水蒸發(fā)加快，散熱裝置不能正常工作，使內(nèi)燃機(jī)施工效率降低。相關(guān)研究表明，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在4 000 m海拔高度的地區(qū)工作時(shí)，其功率降低約45%[6]。

2.2 長隧洞小斷面影響

2.2.1 粉塵、噪音影響

德羅引水隧洞長7 520.76 m，設(shè)計(jì)開挖斷面為5.0 m×4.5 m，屬于長隧洞小斷面隧洞。因隧洞空間較小、長度長，各個(gè)工作面控制洞段長，施工過程產(chǎn)生的噪音、粉塵等有害物質(zhì)無法順利排出，甚至經(jīng)過巖壁的反射后還會(huì)加劇。此類有害物質(zhì)會(huì)長期滯留于洞內(nèi)，現(xiàn)場施工人員長時(shí)間受到振動(dòng)、噪聲和有害物質(zhì)危害，會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)衰弱，引起聽力下降、呼吸道疾病等，導(dǎo)致施工效率降低。

2.2.2 交叉作業(yè)影響

德羅引水隧洞施工包含了洞挖、支護(hù)、二襯、塌方處理等施工內(nèi)容，施工工序復(fù)雜，部分施工內(nèi)容需同時(shí)進(jìn)行。因隧洞斷面小，洞軸線長，同步進(jìn)行的各工序間機(jī)械設(shè)備相互干擾，造成機(jī)械設(shè)備降效。

2.2.3 銜接作業(yè)影響

由于隧洞斷面小，無法使用大型設(shè)備，工序中相同設(shè)備無法同步作業(yè)，需要進(jìn)行銜接，如出渣車之間銜接，造成時(shí)間浪費(fèi)，進(jìn)而引起施工降效。

2.3 圍巖及遇水軟化影響

2.3.1 圍巖本身特性

德羅引水隧洞圍巖主要為J2z，J1r鈣質(zhì)頁巖和含泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r，巖石抗壓強(qiáng)度低，主要為軟巖，而且開挖揭露后快速風(fēng)化。

2.3.2 遇水軟化特點(diǎn)

在德羅隧洞施工過程中，底板開挖完成后暴露于空氣中。因圍巖遇水泥化的性質(zhì)，長時(shí)間受地下水的影響，底板圍巖不斷軟化泥化。同時(shí)，開挖完成后需要承受洞內(nèi)作業(yè)機(jī)械及運(yùn)輸車輛等來回碾壓，破壞現(xiàn)象較為明顯，進(jìn)一步加劇了底板軟化泥化的深度，導(dǎo)致以下2個(gè)方面問題。

(1) 由于底板泥化深度加大，在后期底板襯砌階段需要將泥化體清理完畢才能進(jìn)行襯砌施工。如果按照常規(guī)的底板預(yù)留30 cm保護(hù)層進(jìn)行開挖，底板開挖深度會(huì)比設(shè)計(jì)深度大很多，造成了底板超挖量較大，實(shí)際施工中,地質(zhì)條件較差的部位底板超挖甚至達(dá)到了1.0～1.5 m，導(dǎo)致底板襯砌時(shí)間延長、工期延誤。

(2) 底板泥化深度加大會(huì)產(chǎn)生大量淤泥，難以完全排放。淤泥大量富集會(huì)導(dǎo)致人員進(jìn)出隧洞和作業(yè)行動(dòng)減緩，機(jī)械運(yùn)行減緩，對(duì)機(jī)械侵蝕磨損較大，導(dǎo)致人員和機(jī)械的工作效率大幅降低。

3 施工降效應(yīng)對(duì)措施

3.1 適度冗余資源配置措施

適度冗余資源配置是基于常規(guī)資源配置，通過參考現(xiàn)階段定額調(diào)整系數(shù)，針對(duì)工程特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐統(tǒng)計(jì)資料分析，從施工效率和成本角度計(jì)算經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)，在原投標(biāo)資源配置基礎(chǔ)上考慮一定冗余資源量的資源優(yōu)化配置方法。

3.1.1 冗余系數(shù)計(jì)算

為得到合理的資源參考配置數(shù)據(jù)，首先要對(duì)德羅引水隧洞資源降效系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。以《水利水電工程預(yù)算定額(2002)》中的高原調(diào)整系數(shù)作為降效系數(shù)參考計(jì)算值，其中，高原地區(qū)人工、機(jī)械定額調(diào)整系數(shù)見表2。

表2 高原地區(qū)人工、機(jī)械定額調(diào)整系數(shù)Tab.2 Adjustment coefficient of labor and machinery quota in plateau area

德羅引水隧洞平均海拔高度為4 280 m，根據(jù)表2，選擇相應(yīng)海拔范圍對(duì)應(yīng)的人工高原系數(shù)K1，機(jī)械高原系數(shù)K2，采用內(nèi)插法計(jì)算出德羅引水隧洞人工、機(jī)械降效系數(shù)K1，K2。

資源配置產(chǎn)生的效率提升不會(huì)隨著冗余程度的增加而不斷增加，且冗余度增加會(huì)導(dǎo)致成本大幅增加。因此，需要綜合考慮施工環(huán)境限制及施工成本的影響，確定合理的冗余資源系數(shù)。為取得合理的冗余資源系數(shù)，引入經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)Kj：

Kj=P/C

式中：Kj為經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)；P為考慮冗余系數(shù)后增加的工效；C為考慮冗余系數(shù)后增加的成本。

通過現(xiàn)場實(shí)際施工過程中實(shí)踐驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)Kj。根據(jù)施工工序取得的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算人工機(jī)械降效系數(shù)，在降效系數(shù)區(qū)間內(nèi)，按照不同冗余系數(shù)增加資源配置，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際施工工效。與投標(biāo)資源配置對(duì)應(yīng)的工效進(jìn)行對(duì)比，得出增加的施工工效，除以增加資源配置所增加的成本，得出經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)Kj。選擇洞挖鉆孔工序進(jìn)行冗余資源配置，其增加資源與施工工效統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 開挖鉆孔工序單作業(yè)面增加資源與施工工效及成本統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of increased resources，construction efficiency and cost for single working face of tunnel excavation and drilling procedure

根據(jù)表3數(shù)據(jù)畫出經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)與冗余系數(shù)之間關(guān)系曲線(圖1)。由表3可知，隨著冗余資源程度增加，Kj逐漸增大，達(dá)到一定程度以后，Kj逐漸減小。當(dāng)冗余系數(shù)Kr取值使經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)Kj最大，則該冗余系數(shù)下人員配置最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)，從而可確定出該工程人員冗余配置系數(shù)Kr為1.20。根據(jù)人員冗余配置系數(shù)進(jìn)行人員配置，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，確定設(shè)備冗余配置系數(shù)。

圖1 經(jīng)濟(jì)配置系數(shù)與冗余系數(shù)關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of economic allocation coefficient and redundancy coefficient

3.1.2 冗余資源配置

根據(jù)投標(biāo)時(shí)人員和機(jī)械設(shè)備配置數(shù)量，對(duì)德羅引水隧洞涉及的開挖支護(hù)、襯砌、回填固結(jié)灌漿工序進(jìn)行冗余資源配置：

投標(biāo)人員配置數(shù)量×冗余系數(shù)=冗余人員配置數(shù)量

投標(biāo)設(shè)備配置數(shù)量×冗余系數(shù)=冗余設(shè)備配置數(shù)量

綜合考慮冗余資源配置及設(shè)備選型可得出德羅引水隧洞施工主要人員和設(shè)備最終配置，見表4，5。

表4 投標(biāo)時(shí)與考慮冗余系數(shù)德羅隧洞人員配置對(duì)比Tab.4 Comparison of personnel allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient 人

表5 投標(biāo)時(shí)與考慮冗余系數(shù)時(shí)德羅隧洞設(shè)備配置對(duì)比Tab.5 Comparison of equipment allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient

3.2 動(dòng)態(tài)流水施工組織措施

根據(jù)高寒高海拔地區(qū)人員因長時(shí)間在缺氧、惡劣條件下工作導(dǎo)致效率低的特點(diǎn)，德羅引水隧洞在施工組織方面采取了動(dòng)態(tài)流水施工組織措施。

3.2.1 資源組織方式

按照德羅隧洞各項(xiàng)施工內(nèi)容，根據(jù)不同施工工序，配備不同工種人員和設(shè)備，做到資源的精準(zhǔn)配置。

3.2.2 工序定時(shí)

根據(jù)目前同類型工程施工工效，結(jié)合德羅引水隧洞施工環(huán)境和特點(diǎn)，每個(gè)工序完成時(shí)間(如在洞挖階段，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺鉆孔工序定時(shí)3 h)，以工序時(shí)間的控制來縮短每個(gè)施工循環(huán)時(shí)間，達(dá)到加快施工進(jìn)度的目的，德羅引水隧洞主要工序時(shí)間見表6。

表6 工序定時(shí)統(tǒng)計(jì)Tab.6 Operation time statistics

3.2.3 工序無縫銜接

依靠對(duì)講機(jī)結(jié)合有線電話的施工通訊管理系統(tǒng)，制定了無縫銜接交接班制度。要求工序連接的兩個(gè)班組之間各安排一人負(fù)責(zé)聯(lián)絡(luò)以確定合適的交接班時(shí)間。各工序班組嚴(yán)格按照無縫交接班制度進(jìn)行交接班，確保工序銜接緊密，有效加快施工進(jìn)度。無縫銜接交接班制度主要內(nèi)容及目的見表7。

表7 無縫銜接交接班主要內(nèi)容Tab.7 Main contents of nonstop shift handover

3.2.4 經(jīng)濟(jì)輔助措施

采用工序進(jìn)度激勵(lì)措施，即以每個(gè)工序?yàn)閱挝?，制定進(jìn)度激勵(lì)措施，完成前述工序進(jìn)度，工序班組即可獲得進(jìn)度獎(jiǎng)勵(lì)，該措施有效提高施工人員積極性，達(dá)到加快施工進(jìn)度的目的。

3.3 長隧洞單體攜氧配合洞內(nèi)集中點(diǎn)供氧

采用單體攜氧配合洞內(nèi)集中點(diǎn)供氧的供氧方式進(jìn)行施工常態(tài)供氧，以高壓氧倉進(jìn)行應(yīng)急供氧。

單體攜氧是施工人員攜帶氧氣瓶在緊急情況下對(duì)自身供氧。設(shè)備簡單，氧氣利用率高。但是容量小，作業(yè)時(shí)攜帶不便，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)只能放置于作業(yè)面附近，適用于臨時(shí)供氧。

洞內(nèi)集中點(diǎn)供氧是根據(jù)施工進(jìn)度沿隧洞縱向布置供氧點(diǎn)，隨著施工進(jìn)程的變化逐漸增加或移動(dòng)供氧位置，使施工人員可輪換休息，不需要出洞就可以到集中點(diǎn)吸氧調(diào)節(jié)。

3.3.1 供氧設(shè)備選擇

中國成年男子最大吸氧量絕對(duì)值約為3.0～3.5 L/min，施工高峰期按照作業(yè)面20人的供氧需求進(jìn)行集中點(diǎn)供氧配置，供氧需求為3.5×20×60=4 200 L，即單位供養(yǎng)量為4.2 m3/h。

與0海拔高程地區(qū)相比，4 000 m海拔空氣含氧量降低30.5%，考慮制氧效率降低30.5%，需氧量為4.2+4.2×30.5%=5.481 m3/h。根據(jù)供氧量大于需氧量的原則。選擇了湖南泰瑞醫(yī)療科技有限公司的MZ-10制氧機(jī)，產(chǎn)氧量能達(dá)到10 m3/h。

3.3.2 供氧線路及站點(diǎn)布置

現(xiàn)場安裝時(shí)，因洞內(nèi)氧含量低(經(jīng)檢測，德羅引水隧洞氧含量平均為10.5%左右)，選擇將空壓機(jī)與風(fēng)機(jī)部分連接，形成完善的制氧系統(tǒng)，制氧系統(tǒng)見圖2。

圖2 制氧系統(tǒng)Fig.2 Oxygen generation system diagram

3.4 底板預(yù)留保護(hù)層+鋼墊板開挖方法

針對(duì)底板泥化軟化現(xiàn)象，德羅引水隧洞施工時(shí)采取預(yù)留保護(hù)層+鋼墊板開挖方法，對(duì)底板圍巖進(jìn)行雙重保護(hù)措施，具體如下。

3.4.1 預(yù)留保護(hù)層開挖施工

德羅引水隧洞采用全斷面鉆爆開挖方法。在開挖施工初期，根據(jù)部分開挖洞段底板實(shí)際泥化深度，為避免預(yù)留保護(hù)層過大導(dǎo)致底板清理后欠挖、后期處理難度大，經(jīng)過不斷實(shí)踐，采取了底板預(yù)留50 cm不進(jìn)行開挖。并且，根據(jù)局部洞段地下水較多情況，適當(dāng)加大預(yù)留保護(hù)層的厚度。

3.4.2 鋼墊板施工

開挖完成后，立即在底板預(yù)留保護(hù)層上鋪設(shè)鋼墊板。因鋼墊板需要承受機(jī)械設(shè)備碾壓，選用鋼墊板型號(hào)為1.5 m×6.0 m×1.2 cm(寬×長×高)的鋼板。鋼墊板上設(shè)置防滑紋，采用Φ22螺紋鋼筋焊接于鋼板上側(cè)，單根鋼筋長度1.5 m，鋼筋間距40 cm，采用兩塊鋼板并排沿隧洞方向連續(xù)鋪設(shè)。這種方式能保證保護(hù)層受力均勻，并給施工機(jī)械及運(yùn)輸車輛的行走提供了臨時(shí)施工平臺(tái)，減少了淤泥對(duì)施工機(jī)械的侵蝕，提高了機(jī)械行駛速度，同時(shí)給人員進(jìn)出隧洞及作業(yè)創(chuàng)造了較為干燥的環(huán)境，提高施工人員效率。

3.5 實(shí)施效果

由于采取了各項(xiàng)措施，西藏拉洛水利樞紐工程德羅引水隧洞施工降效影響程度得到了顯著降低。在頻繁發(fā)生塌方變形、高寒缺氧的復(fù)雜施工條件下，提高了施工進(jìn)度和資源配合的合理性，有效降低了施工成本，按期完成了德羅引水隧洞施工。

4 結(jié) 語

本文分析了西藏拉洛水利樞紐工程德羅引水隧洞施工人員設(shè)備降效的主要原因，根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際，提出施工過程中采用冗余資源配置、動(dòng)態(tài)流水施工組織等應(yīng)對(duì)措施，使施工效率和資源實(shí)現(xiàn)了最佳配置，取得了良好效果，有效保證了施工進(jìn)度。通過該工程施工總結(jié)，形成了比較系統(tǒng)且具有一定創(chuàng)新性的高寒高海拔地區(qū)軟巖長隧洞施工降效應(yīng)對(duì)措施，可為類似工程提供借鑒。