隧道開挖與初支機械單機作業特性及作業銜接特征分析

劉禹陽, 王朋樂, 汪碧云, 席錦州, 羅燕平, 文 展, 馮國春

(1. 長安大學建筑工程學院，西安 710061；2. 長安大學公路學院，西安710061；3. 四川川交路橋有限責任公司，成都 618399；4. 四川公路橋梁建設集團有限公司，成都 610041)

公路隧道機械化配套施工不僅可以帶來技術的進步及設備的更新，還能明顯提升項目施工現場管理效益，在節約現場施工管理成本的同時為施工企業創造更大的價值[1]。機械化配套施工是以單機設備組合配套形成的施工生產作業線，以綜合生產能力為核心，進而不斷提高機械化設備的應用程度，在質量可控的基礎上達到快速施工的目的。

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

關于隧道施工機械化配套的研究已有大量。李洋等[6]采用合理的施工機械設備、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，實現了快速施工；林毅等[7]提出以機械工裝為基礎，將隧道各施工工序分為9條生產線，并針對不同圍巖級別，對各個生產線上的機械設備進行科學組合，使隧道內形成流水式均衡生產局面；萬姜林等[8]基于米花嶺隧道提出按施工出渣、錨噴支護和襯砌三條作業線進行機械配套的快速施工方法；姜銀周等[9]對比了加強型機械化與普通型機械化施工效果和施工速率，認為加強型機械化提高了隧道施工工效，加快了施工進度；歐陽結新[10]將隧道洞身開挖與支護施工機群分為三類，分別是開挖施工機群，初期支護機群和二次襯砌機群，并對各個機群中主要機械單機作業特性及工作特性進行了分析。目前對于隧道施工單機械的作業特性研究有待豐富，掌子面各工序內部和工序間的機械銜接作業仍需進一步分析研究。

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工序，首先對風動鑿巖機、裝載機、自卸車、濕噴機和混凝土罐車五種施工機械進行作業時間的特性統計分析，明確了各機械單機作業特性；然后對出渣和濕噴工序內部的裝載機和濕噴機的停機等待時間特征進行分析；最后對金家莊隧道出渣和濕噴工序之間的銜接問題進行了特征分析探討。的研究成果可為隧道機械化配套施工提供數據支撐，對加快隧道施工進度，發揮機械設備作業效率具有重要意義。

1 工程概況

金家莊特長螺旋隧道是北京至張家口聯合舉辦冬奧會中連接延慶賽區和張家口賽區的重點控制性工程，位于張家口市赤城縣炮梁鄉磚樓村東、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，建設總時長24個月，由于隧道地處冀北山區，冬季寒冷漫長，嚴重影響施工，造成項目工期緊、任務大，因此需要進行機械化快速施工。

金家莊特長螺旋隧道設計行車速度80 km/h，隧道凈寬13 m[包括0.75 m(左檢修道)、0.75 m(左側向寬)、2×3.75 m(行車道)、3 m(右側向寬)和1 m(右檢修道)]。隧道區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施工中鉆孔工序采用14臺風動鑿巖機，出渣工序采用2臺裝載機和6臺自卸汽車，濕噴工序采用1臺濕噴機和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類機械設備的單機作業時間特性，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。現場機械設備詳細情況如表1所示。

表1 現場進口單洞機械設備Table 1 Imported single hole mechanical equipment on site

2 施工機械單機作業特性

隧道施工機械單機作業能力直接決定了機械設備選型和機械群協同施工能力，針對金家莊隧道的開挖和初期支護工序，對風動鑿巖機、裝載機、自卸車、濕噴機和混凝土罐車五種施工機械進行作業時間的特性統計分析，其中，風動鑿巖機作業特性服從負指數分布，裝載機和混凝土罐車作業特性服從均勻分布，自卸汽車和濕噴機作業特性服從正態分布。

施工機械單機作業特性與隧道斷面尺寸，圍巖級別和線路形態關系不大，但與施工方法關系緊密，因此以下特性分析結果適用于鉆爆法和臺階法施工隧道。

2.1 負指數分布特性

對于風動鑿巖機，現場調查了80個連續循環的鉆孔深度和時間數據，所處圍巖級別均為Ⅲ級，每延米鉆進所用的時間如圖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

利用美國學者斯特吉斯的經驗公式確定組數K，對每延米鉆孔時間進行分組，數據量N為80，則

K=1+3.322lgN≈7.322

(1)

組數K取整數7，因此數據分為7組，組距d為

(2)

因此，每延米鉆孔所用時間的數據分組如圖3所示。

圖3 每延米鉆孔時間統計圖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指數分布，樣本均值：

(3)

負指數分布的概率密度函數為

f(x;λ)=λe-λx,x≥0

(4)

式(4)中：λ>0為分布參數，稱為率函數，表示每單位時間發生該事件的次數。

指數分布區間為(0, ∞)，常應用最大似然估計方法估計λ：

(5)

所以采用風動鑿巖機進行鉆孔作業時，每延米鉆孔所用時間x服從負指數分布，其概率分布函數為

(6)

2.2 均勻分布特性

對于裝載機和混凝土罐車，裝載機作業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。

現場采用兩臺裝載機為自卸汽車裝渣，連續調查了80組裝載機裝滿一自卸汽車的時間和混凝土罐車循環運輸時間，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，兩臺裝載機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 裝載機裝載耗時Fig.4 Loading time of loader

圖5 混凝土罐車循環運輸時間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 正態分布特性

對于自卸汽車和濕噴機，自卸汽車的作業時間特征應表示為除裝渣時間外的循環運輸時間特征，濕噴機的作業時間特性以單位時間內濕噴混凝土的量衡量，即濕噴速率。

現場分別統計了80組自卸汽車循環運輸時間和濕噴機每小時濕噴混凝土的量，對自卸汽車循環運輸時間的80組數據進行數理統計分析，數據分組如圖6所示，過程不再贅述，計算可知，自卸汽車循環運輸時間Tc呈Tc～N(33.11,2.902)正態分布。

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

濕噴機實際濕噴效率集中在9.5～13.5 m3/h內，對濕噴機實際濕噴速率的80組數據進行數理統計分析，數據分組如圖7所示，計算可知，濕噴機實際濕噴速率Vs近似呈Vs～N(11.70,1.222)的正態分布。

圖7 濕噴機濕噴速率統計圖Fig.7 Statistical chart of wet jet rate of wet jet machine

3 作業銜接特征分析

3.1 工序內機械停機等待時間特征

由于配合機械未能及時抵達作業現場，主導施工機械需停止工作等待，所導致的停滯時間為停機等待時間。出渣工序內由于自卸車輛在掌子面出渣出現中斷，裝載機可能停機等待，濕噴工序內由于混凝土罐車未能及時供料，濕噴機可能停機等待。

現場連續統計60組裝載機和濕噴機的停機等待時間，統計結果如圖8、圖9所示。其中，等待時間為負值表示運輸機械提前到達，主導機械未停機等待；等待時間為正值表示運輸機械未及時到達，主導機械停機等待運輸機械的到來。

圖8 裝載機停機等待時間Fig.8 Waiting time for loader shutdown

圖9 濕噴機停機等待時間Fig.9 Waiting time of wet jet machine shutdown

由圖8、圖9可以看出，裝載機和濕噴機停機等待現象與隧道累計進尺關系緊密，某一臨界累計進尺后，運輸機械可提前抵達作業現場的情況消失，裝載機與濕噴機開始發生停機等待問題，現有運輸機械運輸效率不能滿足裝載機和濕噴機作業能力，隨著累計進尺的增加，停機等待時間逐漸增大。由于運輸機械的運輸時間受到現場組織協調和機械管理水平等因素影響，等待時間在線性增長趨勢下出現離散，但停機等待的主導原因認為隧道累計進尺的增加，即運輸距離的增大。

3.2 工序間銜接時間特征

施工現場不同作業線對施工人員類別和所需材料設備需求不同，工序之間的轉換需要完成人員和設備的退進場工作，轉化不及時影響施工進度。根據現場調查，金家莊隧道出渣與立架作業銜接和立架與濕噴作業銜接存在工序銜接不暢問題，連續60組工序銜接耗時統計如圖10、圖11所示。

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

圖11 立架與濕噴作業銜接時間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，由于現場材料和設備的不能及時跟進，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。

現場發現，發生工序銜接不暢的主要原因有現場管理人員未提前通知下一工序人機進場或人員進場耗時過長，尤其是夜間作業時銜接不暢的問題尤為嚴重，以及混凝土材料供應不足，現場施工停滯。同時發現，工序間銜接不暢發生后，下個循環同樣的工序銜接大概率發生延誤。

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生規律基本相同，即同一施工循環下，出渣與立架銜接耗時較大時，立架與濕噴銜接亦會發生較大耗時。造成這一現象的原因較為復雜，推測主要原因為同一工區左右兩洞同時開挖支護，兩洞機械與人員有交集，如左洞內出渣與立架銜接出現延誤，將會影響到右洞的相關工序開展，而右洞的相關延誤又會影響左洞的后續工序銜接。

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

4 結論

(1)通過現場調查金家莊隧道風動鑿巖機、裝載機、自卸汽車、濕噴機和混凝土罐車五個機械的單機作業特性發現，開挖與初期支護機械單機作業特性符合一定規律，其中，風動鑿巖機作業特性服從負指數分布，裝載機和混凝土罐車作業特性服從均勻分布，自卸汽車和濕噴機作業特性服從正態分布。

(2)對于工序內部的機械停機等待問題，通過對金家莊隧道裝載機和濕噴機的停機等待時間分析發現，隨著累計進尺的增加，裝載機和濕噴機停機等待問題逐漸凸顯，停機等待時間與累計進尺總體呈線性快速增加。與現場組織協調和機械管理水平等因素相比，隧道累計進尺是裝載機和濕噴機停機等待問題的主導原因。

(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行分析發現，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，工序間銜接不暢發生后，下個循環同樣工序的銜接大概率發生延誤。同時，同一施工循環下，出渣與立架銜接耗時較大時，立架與濕噴銜接亦會發生較大耗時。