小断面长隧洞单头掘进钻爆法施工机械配置及隧洞通风管理研究

杜昱辰

(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002)

丽水市滩坑引水工程为Ⅱ等工程，工程自滩坑水库引水至胡村水库，输水线路方案进水口设置在原下塘村附近，输水隧洞接竖井式取水工作闸门井后走向偏向西北，经底坑、满头垒、沙坑、大丘至上垟接埋管，其后接入输水主洞，向北经过金村、乌阴坑，出口接调流加压泵站，并在上埠埋管及乌阴坑支洞预留分水口。输水线路长31.97km，其中隧洞段长约31.72km，支洞总长约4.88km，隧洞均采用单头掘进钻爆法施工。

钻爆法[1- 6]是一种机械协同作业、多循环开挖的隧洞施工常用方法，在钻爆法施工、无轨汽车运输方式施工的长距离、小断面工程实际中，工程进度效率受施工机械化程度影响较大。机械化程度越高，则施工效率越高，施工进度越快。但一味地追求高性能施工机械，难免出现高能低就的情况，造成资源浪费与成本增加。因此，在长距离、小断面滩坑引水隧洞工程施工循环作业中，如何合理配置施工机械，是工程施工进度的重要保障。本文结合隧洞循环进尺作业工序，分析隧洞进尺作业中各施工机械应用情况。结合工作实际与现场调查，在工程现场设备型号既定情况下，分析施工机械配置的主要影响因素;结合排队论分析方法[7- 8]，分析循环进尺作业机械配置方案，为类似工程项目建设优化提供实践指导。

1 隧洞施工条件概述

滩坑引水隧洞位于浙江西南山区，山势连绵起伏，两岸山体雄厚，地形陡峻。隧洞沿线施工支洞布置地形条件较复杂，大部分洞段埋深200～500m，部分洞段埋深达到800～900m以上，沙坑和大丘施工支洞长度超过1km，其余段一般均能控制在1km以内。下塘进水口附近山体较陡，施工场地布置条件较差，需对进水口附近山体进行平整作为施工场地，同时考虑水库蓄水的时间及水位的要求。隧洞沿线的山体外均有县道、乡道通过，施工支洞交通条件较好。本工程隧洞主洞总长度31.72km，分别设底坑、沙坑、大丘、金村、乌阴坑、胡村6个支洞，主支洞断面分别为3.5m×3.5m，4.5m×4.5m城门洞型，支洞长度由161m至1526m不等。

2 施工机械配置研究

2.1 循环进尺作业分析

钻爆法及无轨运输作业下的隧洞循环进尺作业主要流程包括测量放样、钻孔布置、装药爆破、通风散烟、除险出渣、支护处理。其中：钻孔爆破作业包括钻孔、清孔、装药、起爆。出渣作业包括扒渣、装渣、出渣、清渣。通风作业包括通风、除尘、排烟等。以滩坑引水工程大丘支洞施工作业线施工统计数据为例(见表1)，按照钻爆法施工中测量准备、钻孔、装药爆破、通风散烟及除险出渣5条作业线分类分析，并对比各作业线耗时工效，如图1所示。统计结果表明钻孔及排险出渣占据循环作业的绝大部分工作时长，故上述关键工序的耗时优化是提高循环进尺效率，加快隧洞进度的重要突破点。

表1 滩坑引水工程大丘支洞循环进尺作业时间表

图1 工序循环作业耗时统计表

在工程实际施工作业中发现，受隧洞掌子面作业空间限制，钻孔装药作业通常采用1台凿岩机匹配4名作业人员的配置方案。因钻孔过程耗时受钻孔精度、数量、尺寸等的影响，且考虑后续装药爆破精度的要求，工序耗时暂难以有效提升。排险出渣作业在隧洞循环进尺中耗时占比也较大，且机械化程度最高，受机械配置影响最大。在小断面、长距离隧洞施工作业中，出渣运输机械受空间限制影响，入洞车辆和出洞车辆无法完成正面会车，需借助错车道便于对向来车出入，往往错车等待环节的随机性会直接影响出渣运输耗时。因此，需以出渣运输作业为重点，研究以机械配置为核心的出渣效率提升问题，从而提升整体循环进尺效率。

2.2 施工机械配置原则

根据滩坑引水工程隧洞施工特点，施工机械的选型需满足以下原则：

(1)满足各工序需要。各施工机械应以满足循环进尺作业为要求，以扒渣清理、挖、装、运、支护为工作主线，辅助通风排水降尘措施，形成各工序机械化流水作业线。

(2)适配工作环境。由于本工程主洞断面为3.5m×3.5m、支洞断面为4.5m×4.5m城门洞型布置，断面尺寸小、洞内空间有限，需选用小型号适配断面及空间要求的施工机械。

(3)符合能耗要求。洞内施工作业时，除爆破出渣产生的有毒有害气体及灰尘外，施工机械设备的气体排放同样影响施工作业环境，限制作业效率，因此，尽量选择低能耗设备，降低尾气污染。

(4)满足经济要求。低性能的机械，价格便宜，但是施工作业能力低；高性能的机械，施工作业能力强，但是价格也相应偏高。应该通过技术经济比较，优选出单位产品成本费用低，生产效率高的机械设备。

2.3 施工机械分类

隧洞出渣最主要的机械设备为扒渣机以及出渣运输车，扒渣装载一体式机械能有效解决滩坑引水工程洞内空间约束问题。机械的选择主要考虑外形尺寸、机械性能及装载能力。并考虑小断面隧洞空间受限影响大，宜采用传送式出渣。出渣运输机械的选择主要考虑隧洞空间要求、载重及油耗、功率等。现行施工条件下，考虑运输车辆会车问题，在隧洞直线段每隔300m设置一处错车道(错车道为上底7m、下底12m、宽7m的梯形布置))。本工程出渣运输机械采用恒立重工矿山巷道专用四轮运输车UK- 8。额定载重量为8t，斗容量4m3，柴油机功率为70kW，最高行驶速度(重载)为23km/h。

2.4 机械配置影响因素分析

在出渣运输工序中，确定扒渣装载机装载效率后，需考虑运输出渣机械数量是否满足扒渣装载机的装载效率。特别是在长距离隧洞施工中，随着掌子面的不断推进，出渣运输车运距不断增加，叠加错车道会车时间，会导致往返耗时增加。如运输车载重及数量配置不满足，且错车道设置间距不合理，则将频繁出现装载机等待运输车的停滞时间，增大出渣整体耗时。因此，应以减少扒渣装载机等待时间为目标，开展运输机械配置。

隧洞施工出渣系统中，自卸汽车在掌子面前排队装车后，到达指定的泄渣点，然后再返回装渣点，如此循环；洞室二衬浇筑系统中，混凝土罐车在混凝土厂排队装车后，到浇筑现场排队将混凝土卸入输送泵内，然后再返回混凝土工厂，如此循环，均属于排队论的范畴。本章考虑隧洞出渣运输过程，运用排队论简化工程模型，结合本工程实际提供的机械设备，根据不同机械配备的工况，统计了运输车台数变化下扒渣装载机实际生产率及单方运渣出渣成本(见表2)。

表2 运输车台数变化下扒渣装载机实际生产率及单方运渣出渣成本

从表2可知运输车从掌子面到出洞卸渣工作中，1台扒渣装载机配备4台出渣运输车最适宜。考虑投入4台或5台运输车时，成本差别不大，从循环作业效率考虑，可选择5台运输车出渣。后续随着主洞掘进距离的增长及错车段数量的增加，可采用上述方法重新配置机械数量。

3 EPC项目隧洞通风管理

隧洞施工通风[9- 10]的根本目标是在洞内掌子面爆破完成后，快速排出有毒有害气体和高浓度爆破粉尘，并在施工过程中持续提供新鲜空气，为洞内施工作业改善施工作业环境，保障作业人员及机械的施工作业安全。作为EPC工程总承包单位，需严格执行现场管理，以保障隧洞施工通风的有效实施。根据通风设计确定的设备型号及布置形式，严格落实施工通风作业的每道工序和流程，保障技术措施及辅助性技术的应用，能有效减少漏风损失，提高通风效率。在对项目部现场管理的要求中，主要包括以下内容：

(1)源头降低粉尘。洞内掌子面爆破作业前，通过提高测量放线精度、提高爆破钻孔精度、优化孔位布置形式等优化爆破参数设计，以期达到一次爆破成型，尽可能避免掌子面超挖欠挖，减少机械二次清理工作量。

(2)在爆破方式选择上，根据现场作业条件适时选择水压爆破，往炮眼中注水并用炮泥堵塞，利用爆破应力波对水的不可压缩性，经过水体传递到炮眼围岩中的爆炸能量几乎无损失。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染，便于从源头减少爆破粉尘浓度。

(3)减少损耗，提高通风效率，减少漏风。通风风向与隧洞出风风向垂直，导致隧洞部分风流方向改变，撞向隧洞壁面形成紊流，从而阻碍了隧洞内风流的整体运行，降低通风效果。洞内漏风主要为接头处漏风及破损漏风2种。为降低漏风损失，重点交叉部位及靠近掌子面部位必须采用铁风筒，防止外力致损导致漏风；胶质软风筒采用活三环多层反边接头，减少漏风；采用加长风筒，减少串联接头；沿程孔洞采用贴胶或刷胶封孔，避免漏风。

(4)降低风阻。通风阻力是引起风压损失、降低通风效率的主要原因。从风压计算公式可分析得到，管道通风摩阻损失与风管直径的指数关系成反比。因此，在滩坑引水工程主洞及各支洞后续通风管道选择上，尽可能增大风管直径是减少通风损失的有效技术优化措施。此外，通风管道的平直情况和与施工机械、洞内设备的交叉衔接处的联接程度是控制通风局部阻力的关键。风筒悬挂应做到平直紧稳，尽量减缓转角处的筒弯度，避免风管褶皱减小通风直径；在主支洞交叉处及风筒直径变化处，采用变径节或三通连接，以减少通风阻力；定期排出风筒内因内外温差产生的积水，减少风筒垂度。

(5)通风监测。对爆破前及爆破后空气气体含量检测数据进行统计分析，横向对比相近桩号范围内，爆破前后各时段各项指标差异；纵向对比不同桩号范围内，爆破前后各时段各项指标差异。配备空气监测预警系统，常态化监测洞内作业环，保障作业安全的同时，也为后续施工通风优化调整提高参考依据。

(6)辅助设施，控制烟尘扩散为保证洞内施工通风效果，采取如下辅助措施配合施工通风。如水幕降尘是采用高压形成水雾后构成的屏障，用于施工降尘，在距离掌子面的炮烟范围内可设置两道180°旋喷水幕，阻隔烟尘及有害气体向隧洞扩散。喷雾降尘采用雾炮机等向掌子面持续性喷雾，利用高压水产生雾化吸收易溶于水的有害气体及烟尘。湿式凿岩是在凿岩过程中连续向钻孔底部供水，以润湿和捕获矿尘，降低烟尘。采用湿喷作业，有效避免了干喷作业强度低的同时，还能有效控制喷砼粉尘，改善洞内作业环境。

4 结论

本文以滩坑引水工程为实际背景，从施工资源配置和钻爆法施工环节着手，整体上考虑工序资源配置，最大限度提高爆破掘进效率；从细节上考虑施工通风环节高效、安全，为隧洞项目建设优化提供指导。在施工机械配置上，结合工程实际背景，分析得到在当前掘进距离下1台扒渣装载机配备4台出渣运输车辆的最优方案。此外从工程总承包项目管理角度，提出了针对施工通风的技术管理措施。

本文探讨的机械配置以隧洞工期过半的工程实际为前提，未来可继续深入研究分析不同间距错车道下的施工机械配置最优问题，从考虑错车道间距优化和施工机械配置优化的角度，提出隧洞掘进循环进尺优化的方法论和具体实践方案。同时在施工机械配置模型方面，可通过大量的时间监测统计，分析出各工序各环节时间分布规律。