小斷面長隧洞單頭掘進鉆爆法施工機械配置及隧洞通風管理研究

杜昱辰

(浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310002)

麗水市灘坑引水工程為Ⅱ等工程，工程自灘坑水庫引水至胡村水庫，輸水線路方案進水口設置在原下塘村附近，輸水隧洞接豎井式取水工作閘門井后走向偏向西北，經底坑、滿頭壘、沙坑、大丘至上垟接埋管，其后接入輸水主洞，向北經過金村、烏陰坑，出口接調流加壓泵站，并在上埠埋管及烏陰坑支洞預留分水口。輸水線路長31.97km，其中隧洞段長約31.72km，支洞總長約4.88km，隧洞均采用單頭掘進鉆爆法施工。

鉆爆法[1- 6]是一種機械協同作業、多循環開挖的隧洞施工常用方法，在鉆爆法施工、無軌汽車運輸方式施工的長距離、小斷面工程實際中，工程進度效率受施工機械化程度影響較大。機械化程度越高，則施工效率越高，施工進度越快。但一味地追求高性能施工機械，難免出現高能低就的情況，造成資源浪費與成本增加。因此，在長距離、小斷面灘坑引水隧洞工程施工循環作業中，如何合理配置施工機械，是工程施工進度的重要保障。本文結合隧洞循環進尺作業工序，分析隧洞進尺作業中各施工機械應用情況。結合工作實際與現場調查，在工程現場設備型號既定情況下，分析施工機械配置的主要影響因素;結合排隊論分析方法[7- 8]，分析循環進尺作業機械配置方案，為類似工程項目建設優化提供實踐指導。

1 隧洞施工條件概述

灘坑引水隧洞位于浙江西南山區，山勢連綿起伏，兩岸山體雄厚，地形陡峻。隧洞沿線施工支洞布置地形條件較復雜，大部分洞段埋深200～500m，部分洞段埋深達到800～900m以上，沙坑和大丘施工支洞長度超過1km，其余段一般均能控制在1km以內。下塘進水口附近山體較陡，施工場地布置條件較差，需對進水口附近山體進行平整作為施工場地，同時考慮水庫蓄水的時間及水位的要求。隧洞沿線的山體外均有縣道、鄉道通過，施工支洞交通條件較好。本工程隧洞主洞總長度31.72km，分別設底坑、沙坑、大丘、金村、烏陰坑、胡村6個支洞，主支洞斷面分別為3.5m×3.5m，4.5m×4.5m城門洞型，支洞長度由161m至1526m不等。

2 施工機械配置研究

2.1 循環進尺作業分析

鉆爆法及無軌運輸作業下的隧洞循環進尺作業主要流程包括測量放樣、鉆孔布置、裝藥爆破、通風散煙、除險出渣、支護處理。其中：鉆孔爆破作業包括鉆孔、清孔、裝藥、起爆。出渣作業包括扒渣、裝渣、出渣、清渣。通風作業包括通風、除塵、排煙等。以灘坑引水工程大丘支洞施工作業線施工統計數據為例(見表1)，按照鉆爆法施工中測量準備、鉆孔、裝藥爆破、通風散煙及除險出渣5條作業線分類分析，并對比各作業線耗時工效，如圖1所示。統計結果表明鉆孔及排險出渣占據循環作業的絕大部分工作時長，故上述關鍵工序的耗時優化是提高循環進尺效率，加快隧洞進度的重要突破點。

表1 灘坑引水工程大丘支洞循環進尺作業時間表

圖1 工序循環作業耗時統計表

在工程實際施工作業中發現，受隧洞掌子面作業空間限制，鉆孔裝藥作業通常采用1臺鑿巖機匹配4名作業人員的配置方案。因鉆孔過程耗時受鉆孔精度、數量、尺寸等的影響，且考慮后續裝藥爆破精度的要求，工序耗時暫難以有效提升。排險出渣作業在隧洞循環進尺中耗時占比也較大，且機械化程度最高，受機械配置影響最大。在小斷面、長距離隧洞施工作業中，出渣運輸機械受空間限制影響，入洞車輛和出洞車輛無法完成正面會車，需借助錯車道便于對向來車出入，往往錯車等待環節的隨機性會直接影響出渣運輸耗時。因此，需以出渣運輸作業為重點，研究以機械配置為核心的出渣效率提升問題，從而提升整體循環進尺效率。

2.2 施工機械配置原則

根據灘坑引水工程隧洞施工特點，施工機械的選型需滿足以下原則：

(1)滿足各工序需要。各施工機械應以滿足循環進尺作業為要求，以扒渣清理、挖、裝、運、支護為工作主線，輔助通風排水降塵措施，形成各工序機械化流水作業線。

(2)適配工作環境。由于本工程主洞斷面為3.5m×3.5m、支洞斷面為4.5m×4.5m城門洞型布置，斷面尺寸小、洞內空間有限，需選用小型號適配斷面及空間要求的施工機械。

(3)符合能耗要求。洞內施工作業時，除爆破出渣產生的有毒有害氣體及灰塵外，施工機械設備的氣體排放同樣影響施工作業環境，限制作業效率，因此，盡量選擇低能耗設備，降低尾氣污染。

(4)滿足經濟要求。低性能的機械，價格便宜，但是施工作業能力低；高性能的機械，施工作業能力強，但是價格也相應偏高。應該通過技術經濟比較，優選出單位產品成本費用低，生產效率高的機械設備。

2.3 施工機械分類

隧洞出渣最主要的機械設備為扒渣機以及出渣運輸車，扒渣裝載一體式機械能有效解決灘坑引水工程洞內空間約束問題。機械的選擇主要考慮外形尺寸、機械性能及裝載能力。并考慮小斷面隧洞空間受限影響大，宜采用傳送式出渣。出渣運輸機械的選擇主要考慮隧洞空間要求、載重及油耗、功率等。現行施工條件下，考慮運輸車輛會車問題，在隧洞直線段每隔300m設置一處錯車道(錯車道為上底7m、下底12m、寬7m的梯形布置))。本工程出渣運輸機械采用恒立重工礦山巷道專用四輪運輸車UK- 8。額定載重量為8t，斗容量4m3，柴油機功率為70kW，最高行駛速度(重載)為23km/h。

2.4 機械配置影響因素分析

在出渣運輸工序中，確定扒渣裝載機裝載效率后，需考慮運輸出渣機械數量是否滿足扒渣裝載機的裝載效率。特別是在長距離隧洞施工中，隨著掌子面的不斷推進，出渣運輸車運距不斷增加，疊加錯車道會車時間，會導致往返耗時增加。如運輸車載重及數量配置不滿足，且錯車道設置間距不合理，則將頻繁出現裝載機等待運輸車的停滯時間，增大出渣整體耗時。因此，應以減少扒渣裝載機等待時間為目標，開展運輸機械配置。

隧洞施工出渣系統中，自卸汽車在掌子面前排隊裝車后，到達指定的泄渣點，然后再返回裝渣點，如此循環；洞室二襯澆筑系統中，混凝土罐車在混凝土廠排隊裝車后，到澆筑現場排隊將混凝土卸入輸送泵內，然后再返回混凝土工廠，如此循環，均屬于排隊論的范疇。本章考慮隧洞出渣運輸過程，運用排隊論簡化工程模型，結合本工程實際提供的機械設備，根據不同機械配備的工況，統計了運輸車臺數變化下扒渣裝載機實際生產率及單方運渣出渣成本(見表2)。

表2 運輸車臺數變化下扒渣裝載機實際生產率及單方運渣出渣成本

從表2可知運輸車從掌子面到出洞卸渣工作中，1臺扒渣裝載機配備4臺出渣運輸車最適宜。考慮投入4臺或5臺運輸車時，成本差別不大，從循環作業效率考慮，可選擇5臺運輸車出渣。后續隨著主洞掘進距離的增長及錯車段數量的增加，可采用上述方法重新配置機械數量。

3 EPC項目隧洞通風管理

隧洞施工通風[9- 10]的根本目標是在洞內掌子面爆破完成后，快速排出有毒有害氣體和高濃度爆破粉塵，并在施工過程中持續提供新鮮空氣，為洞內施工作業改善施工作業環境，保障作業人員及機械的施工作業安全。作為EPC工程總承包單位，需嚴格執行現場管理，以保障隧洞施工通風的有效實施。根據通風設計確定的設備型號及布置形式，嚴格落實施工通風作業的每道工序和流程，保障技術措施及輔助性技術的應用，能有效減少漏風損失，提高通風效率。在對項目部現場管理的要求中，主要包括以下內容：

(1)源頭降低粉塵。洞內掌子面爆破作業前，通過提高測量放線精度、提高爆破鉆孔精度、優化孔位布置形式等優化爆破參數設計，以期達到一次爆破成型，盡可能避免掌子面超挖欠挖，減少機械二次清理工作量。

(2)在爆破方式選擇上，根據現場作業條件適時選擇水壓爆破，往炮眼中注水并用炮泥堵塞，利用爆破應力波對水的不可壓縮性，經過水體傳遞到炮眼圍巖中的爆炸能量幾乎無損失。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應有利于巖石進一步破碎，炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對環境的污染，便于從源頭減少爆破粉塵濃度。

(3)減少損耗，提高通風效率，減少漏風。通風風向與隧洞出風風向垂直，導致隧洞部分風流方向改變，撞向隧洞壁面形成紊流，從而阻礙了隧洞內風流的整體運行，降低通風效果。洞內漏風主要為接頭處漏風及破損漏風2種。為降低漏風損失，重點交叉部位及靠近掌子面部位必須采用鐵風筒，防止外力致損導致漏風；膠質軟風筒采用活三環多層反邊接頭，減少漏風；采用加長風筒，減少串聯接頭；沿程孔洞采用貼膠或刷膠封孔，避免漏風。

(4)降低風阻。通風阻力是引起風壓損失、降低通風效率的主要原因。從風壓計算公式可分析得到，管道通風摩阻損失與風管直徑的指數關系成反比。因此，在灘坑引水工程主洞及各支洞后續通風管道選擇上，盡可能增大風管直徑是減少通風損失的有效技術優化措施。此外，通風管道的平直情況和與施工機械、洞內設備的交叉銜接處的聯接程度是控制通風局部阻力的關鍵。風筒懸掛應做到平直緊穩，盡量減緩轉角處的筒彎度，避免風管褶皺減小通風直徑；在主支洞交叉處及風筒直徑變化處，采用變徑節或三通連接，以減少通風阻力；定期排出風筒內因內外溫差產生的積水，減少風筒垂度。

(5)通風監測。對爆破前及爆破后空氣氣體含量檢測數據進行統計分析，橫向對比相近樁號范圍內，爆破前后各時段各項指標差異；縱向對比不同樁號范圍內，爆破前后各時段各項指標差異。配備空氣監測預警系統，常態化監測洞內作業環，保障作業安全的同時，也為后續施工通風優化調整提高參考依據。

(6)輔助設施，控制煙塵擴散為保證洞內施工通風效果，采取如下輔助措施配合施工通風。如水幕降塵是采用高壓形成水霧后構成的屏障，用于施工降塵，在距離掌子面的炮煙范圍內可設置兩道180°旋噴水幕，阻隔煙塵及有害氣體向隧洞擴散。噴霧降塵采用霧炮機等向掌子面持續性噴霧，利用高壓水產生霧化吸收易溶于水的有害氣體及煙塵。濕式鑿巖是在鑿巖過程中連續向鉆孔底部供水，以潤濕和捕獲礦塵，降低煙塵。采用濕噴作業，有效避免了干噴作業強度低的同時，還能有效控制噴砼粉塵，改善洞內作業環境。

4 結論

本文以灘坑引水工程為實際背景，從施工資源配置和鉆爆法施工環節著手，整體上考慮工序資源配置，最大限度提高爆破掘進效率；從細節上考慮施工通風環節高效、安全，為隧洞項目建設優化提供指導。在施工機械配置上，結合工程實際背景，分析得到在當前掘進距離下1臺扒渣裝載機配備4臺出渣運輸車輛的最優方案。此外從工程總承包項目管理角度，提出了針對施工通風的技術管理措施。

本文探討的機械配置以隧洞工期過半的工程實際為前提，未來可繼續深入研究分析不同間距錯車道下的施工機械配置最優問題，從考慮錯車道間距優化和施工機械配置優化的角度，提出隧洞掘進循環進尺優化的方法論和具體實踐方案。同時在施工機械配置模型方面，可通過大量的時間監測統計，分析出各工序各環節時間分布規律。