高鐵隧道鉆爆法主要工序作業時間特征研究

段 錚,王朋樂

(1.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308； 2.長安大學,西安 710064)

1 概述

近年來，隨著國家交通基礎設施投資建設的步伐不斷加快及鐵路隧道修建技術的不斷提高，特長隧道在鐵路建設中不斷增多[1]，如石太高鐵太行山隧道[2-3]；蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[4-5]；青藏鐵路關角隧道[6-7]及向莆鐵路青云山隧道[8]等，長度均超過20 km。在隧道長度不斷增加的同時，地質條件異常復雜，隧道的施工工期預測也更加困難。為了更好地預測高速鐵路隧道施工工期，控制施工成本，有必要通過現場調查方式收集不同圍巖條件下的開挖工序作業時間，分析相應條件下的工序時間特性，從而對隧道工期進行預估。

目前，通過現場施工數據對施工行為進行預測的研究主要集中在地鐵隧道方面，其中具有代表性的是王等[9]基于數值模擬-人工神經網絡-蒙特卡羅原理耦合方法，對地鐵隧道坍塌事故風險進行預測；周健等[10]提出了一種盾構隧道施工預測與動態調控方法，通過施工參數來預測地層損失率，從而對施工行為進行動態調控。在隧道施工工期預測方面，楊國慶[11]依據隧道施工現場資料，優化輔助坑道設置，研究出合理可行的建設工期。鄔彪紅[12]通過研究隧道施工中的機械化配套方案，縮減隧道施工工期，加快了隧道進度。綜合來看，對于隧道施工工期的預測主要根據正常的施工順序、勞動力效率、最小作業面積、間歇時間等綜合確定，缺乏有效的計算公式[13-16]。

本文以350 km/h雙線高速鐵路隧道典型循環開挖進尺及施工方法為例，Ⅱ級圍巖進尺3.5 m，多功能臺架人工鉆爆全斷面施工；Ⅲ級圍巖進尺3 m，多功能臺架人工鉆爆雙臺階法施工；Ⅳ級圍巖進尺2 m，多功能臺架人工鉆爆雙臺階法施工；Ⅴ級圍巖進尺0.6 m，多功能臺架人工鉆爆三臺階法施工，研究掌子面鉆孔工序、裝藥爆破工序、出渣工序、立架工序和濕噴工序的作業時間特征，同時分析不同工序作業時間在作業總時間中的占比情況，提出高速鐵路隧道施工工序作業時間預測方法，并通過工序時間占比情況提出有針對性的加快高速鐵路隧道施工效率的建議。

2 工序作業時間分析及預估

2.1 鉆孔工序

鉆孔工序通常采用人工手持風動鑿巖機進行鉆孔作業，本文選取了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V四種級別圍巖各20組作業時間數據，由于不同隧道鉆孔人員與鉆孔數量不同，因此將各鉆孔工序時間換算成鉆單個深度為1 m的孔洞所用時間，并求出不同圍巖等級下的鉆孔時間平均值，見圖1。

圖1 不同等級圍巖鉆單個每延米孔洞所用時間

由圖1可以看出，Ⅴ級圍巖鉆單個每延米孔洞平均時間為5.93 min， Ⅳ級圍巖為4.21 min，Ⅲ級圍巖為3.74 min，Ⅱ級圍巖為3.83 min，說明圍巖情況較好時每延米鉆孔所用時間較短，因為圍巖較硬時成孔較易保持，不需要重復鉆孔，鉆孔時間為純鉆眼時間。鉆孔總時間可根據每延米鉆孔所用時間、鉆孔總數量、鉆孔作業人數等綜合確定，計算公式如下

(1)

式中，T1為鉆孔總時間；α1為鉆孔工人的熟練程度；t1為每延米鉆孔所用時間，min；d為循環開挖進尺，m；Nzk為單循環鉆孔總數量；nzk為鉆孔作業人員數量。

2.2 裝藥爆破工序

鉆孔工作完成后，裝藥人員按設計每孔裝藥量進行裝藥，由于不同施工現場的裝藥人員和鉆孔數量不同，因此將裝藥時間換算成每個裝藥人員不同進尺下的單孔裝藥時間，并求出平均時間，見圖2。

圖2 不同開挖進尺下單孔裝藥時間

由圖2可以看出，不同開挖循環進尺下單孔裝藥所用時間不同，但具有一定趨勢，對圖2中的4組單孔裝藥平均時間數據進行擬合，擬合結果見圖3，則單孔裝藥平均時間t2與孔深d的關系為

t2=0.76d+2.37

(2)

進一步可求出裝藥爆破工序作業時間T2的計算公式

圖3 單孔裝藥平均時間擬合結果

(3)

式中，α2為裝藥工人的熟練程度；n為炮眼的種類；di為炮眼深度，m；nzy為裝藥作業人員數量。

2.3 出渣工序

在隧道出渣過程中，及時迅速地將開挖的石渣運至棄渣場是制約隧道施工進度的決定性因素。裝渣作業主要以挖掘機扒渣、裝載機裝渣為主。運渣作業主要分為無軌式和有軌式，其中無軌運輸采用自卸汽車進行出渣，有軌運輸采用機車拖動斗車進行出渣作業[17]。本文主要對采用裝載機裝渣、自卸汽車運渣的無軌式出渣模式進行分析。

在隧道開挖循環進尺d確定后，總渣量Vqz相應確定，其計算公式為

Vqz=RηdS

(4)

式中，R為巖體松脹系數；η為超挖系數，視爆破質量而定，一般可取1.15～1.25；S為開挖斷面面積，m2。

在出渣總量確定后，為盡快將爆破下來的洞渣運至洞外，需要配置足夠的自卸汽車保證運輸的連續性，自卸汽車在理想狀態下的最優配置數量為

(5)

式中，Lqz為棄渣場到隧道洞口的距離，m；Ljc為隧道累計進尺，m；vzx為自卸汽車滿載行駛與空車行駛的平均速率，m/min；Tzm為裝載機裝滿1輛自卸汽車所需的時間，min。

裝載機裝滿1輛自卸汽車所需時間Tzm的計算公式為

(6)

式中，Vzx為自卸汽車斗容，m3；nzz為裝渣用裝載機數量；βzz為1臺裝載機的實際裝載效率，m3/min。

若施工現場配置的自卸汽車數量不少于最優配置數量nc，則不會發生裝載機窩工等車裝渣的現象，這種情況下出渣總時間為

(7)

2.4 立架工序

當前高速鐵路隧道的立架工序仍較多采用人工立架方式，作業人員多勞動強度大。由于Ⅱ、Ⅲ級圍巖穩定性相對較好，工法多以全斷面、臺階法為主，一次開挖進尺較大，不設或者很少設置鋼架，而Ⅳ，Ⅴ級圍巖段圍巖穩定性相對較差，施工工序相對繁多，工法選擇以微臺階、三臺階或三臺階臨時橫撐等為主，一次開挖進尺較短，且需要設置鋼架，不同等級圍巖的初期支護參數見表1。

本文主要對Ⅳ，Ⅴ級圍巖段的立架時間進行統計分析，即Ⅳ級圍巖段每循環開挖進尺2 m，支立鋼架2榀；Ⅴ級圍巖段每循環開挖進尺0.6 m，支立鋼架1榀。由于不同等級圍巖開挖進尺不同、立架參數不同，因此將其換算成不同等級圍巖一次開挖后的每榀立架時間，并求出平均時間，見圖4。

由圖4可以看出，Ⅴ級圍巖每榀平均立架時間為160 min，Ⅳ級圍巖每榀平均立架時間為111 min。立架總時間T4可根據每榀平均立架時間、立架榀數等綜合確定，計算公式為

表1 不同等級圍巖的初期支護參數

T4=α3t3nps

(8)

式中，α3為立架工人的熟練程度；t3為不同等級圍巖下每榀平均立架時間；nps為立架榀數。

圖4 不同等級圍巖每榀立架時間

2.5 濕噴工序

立架完成后需要進行初期支護的噴射混凝土作業，主要對采用濕噴機噴射混凝土、罐車運輸混凝土的作業模式進行分析。濕噴工序作業時間T5可通過初期支護每延米設計混凝土用量，濕噴混凝土回彈率，濕噴機實際噴射效率，開挖循環進尺等綜合確定，計算公式為

(9)

式中，α4為濕噴機延誤系數；Vhn為設計每延米混凝土用量，m3/m；αht為濕噴混凝土回彈率；vs為濕噴機實際噴射效率，m3/min。

3 五部工序作業時間計算

隧道掌子面鉆孔、裝藥爆破、出渣、立架和濕噴這五部工序的作業時間直接決定著隧道循環總時間。依據某高速鐵路隧道在Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ四種不同等級圍巖段的實際施工參數進行作業時間計算，計算結果見表2，同時給出五部工序的實際作業耗時及各工序在總耗時中的占比情況，見表3、表4。

表2 五部工序計算作業耗時

表3 五部工序實際作業耗時

表4 五部工序實際作業耗時在工序總耗時中的占比情況

由表2和表3可以看出，Ⅱ級圍巖進尺3.5 m時計算作業總耗時778.6 min，每延米計算耗時222.5 min，而實際作業總耗時785 min，每延米實際耗時224.3 min，相差極小，其他3種圍巖中各工序計算作業耗時與實際耗時也相差不大。因此，通過預估公式計算得到的工序作業時間與實際作業時間吻合度較高，具有一定的指導意義。

由表4可以看出，鉆孔工序采用人工手持風動鑿巖機進行鉆孔，作業耗時占工序總耗時的12%～23%，作業時間較短，但存在作業人員數量多，勞動強度大的問題；裝藥工序作業耗時占比不高于10%，作業人員勞動強度低，作業時間短；出渣作業采用自卸汽車出渣配合裝載機裝渣，作業時間基本不超過總時間的20%，在保證機械數量配置充足的情況下，出渣工序采用機械化施工大大縮減了作業強度和作業時間；立架工序采用人工作業，作業時間占總耗時的33%～49%，作業時間長勞動強度高，不滿足快速施工的要求，也不適合高海拔高寒等特殊地區的隧道施工，因此應加強立架工序的機械化程度，減少作業人員的勞動強度和作業時間；濕噴工序采用混凝土罐車配合濕噴機進行濕噴混凝土作業，作業耗時占總耗時的20%～50%，作業時間長，因此應優化濕噴方式，充分發揮濕噴機濕噴效率，縮短濕噴作業時間。

4 結語

隨著“一帶一路”倡議的實施，中西部地區勢必要建設更多的鐵路隧道，僅依靠建設經驗來預估隧道施工工期具有很大的局限性[18-20]。本文通過收集隧道施工過程中的開挖參數與作業時間，對隧道施工工期計算進行細化，利用數理統計方法分析施工工序時間特性，推導出預估公式，并將計算結果與實際工序耗時進行對比，得到以下結論。

(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，基本表現為隧道圍巖越差，鉆孔工序、立架工序作業時間越長；裝藥爆破工序主要跟隧道循環開挖進尺有關，服從一次函數關系；出渣工序與濕噴工序作業時間主要受循環開挖進尺、機械配套水平的影響，根據機械的實際施工效率等參數可以對工序作業時間進行預估。

(2)立架工序與濕噴工序的作業時間占五部作業工序總時間的比例較大，立架時間中Ⅳ級和V級圍巖的每榀平均立架時間分別為111 min和160 min，因此立架工序已成為限制隧道施工工期的重要因素節點，應加強較差圍巖段立架工序的機械化程度，減少人員作業強度及作業時間；不同進尺下濕噴工序作業時間均占總時間的20%以上，因此應優化濕噴方式，充分發揮濕噴機的濕噴效率。

(3)通過對比某高速鐵路隧道掌子面五部工序實際作業耗時，證明了各工序作業時間預估公式的合理性，因此該研究成果可為采用相同施工方法的長大鐵路隧道施工工期預測提高參考和借鑒。