高寒高海拔地區軟巖長引水隧洞施工降效原因分析及應對措施

楊金華，馬江飛，王 黎

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

0 引 言

高寒高海拔地區工程施工效果易產生大幅下降。國內外學者對高海拔地區施工降效問題、認知理論等進行了較多研究，但對結合工程實際的施工降效應對措施研究相對較少，主要是以高海拔、低氣壓、低含氧、低氣溫、大溫差等獨特環境為依據研究降效影響因素，分析高寒地區低氧、干燥、海拔高等主要影響因素對內燃機及電動機的影響機理，采用層次分析法計算施工機械的效率。矯立憲[1]通過分析高寒地區的自然條件特點及其對施工機械的影響機理，根據經驗數據、文獻數據及實測數據，建立電網工程機械施工降效指標框架，利用AHP法計算得到機械降效系數，運用回歸分析法建立數學模型，得到高寒地區不同海拔高度的電網工程施工機械降效系數。李明強等[2]指出了西藏高原地區獨特的氣候環境對定額工效的影響，根據氣候相關數據和調研資料，分析不同海拔高度對人工、機械效率的影響。王朋基等[3]通過分析高原環境對人體健康及人工效率的影響機理，提出了應對措施。由于高原環境具有獨特特征，陳志凱[4]根據實際工程中高原環境對工程機械壽命及效率的影響程度提出應對對策。魏明鵬等[5]通過對米拉山公路隧道施工作業人員在不同作業狀態下的血氧飽和度、心率等現場測試分析，在保障現場作業人員安全的前提下，提出了提高人工效率的措施；同時研究了主要施工作業線的耗時組成和特點，優化改進耗時最多的關鍵工序，達到提高功效目的。

因此，分析研究高寒高海拔地區施工降效主要影響因素，并有針對性采取應對措施以減少降效影響，提高施工進度，對高寒高海拔地區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，隧洞施工區平均海拔4 280 m，工程所在流域氣候干濕季節分明，夏季雨水集中，溫暖濕潤；冬季寒冷干燥，區域日照充足，太陽輻射強烈；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量的減小引起人體缺氧，并導致組織、細胞功能降低，進而使人員工作效率降低。在高原地區施工中，缺氧對施工人員造成的生理危害和心理負擔不容忽視，這也是施工降效的直接和主要原因。

同時，低溫加重了人體缺氧。根據氣象測定，海拔每升高150 m，氣溫下降1 ℃。當高海拔地區的寒冷達到一定程度時，就會導致人體代謝速度快，產熱機能增強，血液氧氣消耗增加，進一步加重人體缺氧，造成施工效率的下降。不同海拔高度大氣壓、氧分壓、濕度、溫度關系見表1[6]。

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

2.1.2 設備降效分析

隧洞工程主要施工機械如挖掘機、裝載機、鑿巖機、自卸車、推土機等，大部分均為內燃機。空氣中的氧氣含量減少，導致內燃機在運行過程中發動機燃燒不充分，功率、扭矩下降，排熱、油耗及煙量增加等，使運行機制降低，機械工作效率下降。實踐研究表明，海拔高度每升高1 000 m，內燃機的功率就會下降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，水的沸點逐漸下降，造成水在某一溫度范圍內(低于100 ℃時)沸騰，導致內燃機散熱裝置中的冷卻水蒸發加快，散熱裝置不能正常工作，使內燃機施工效率降低。相關研究表明，當內燃機在4 000 m海拔高度的地區工作時，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，設計開挖斷面為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，各個工作面控制洞段長，施工過程產生的噪音、粉塵等有害物質無法順利排出，甚至經過巖壁的反射后還會加劇。此類有害物質會長期滯留于洞內，現場施工人員長時間受到振動、噪聲和有害物質危害，會產生神經衰弱，引起聽力下降、呼吸道疾病等，導致施工效率降低。

2.2.2 交叉作業影響

德羅引水隧洞施工包含了洞挖、支護、二襯、塌方處理等施工內容，施工工序復雜，部分施工內容需同時進行。因隧洞斷面小，洞軸線長，同步進行的各工序間機械設備相互干擾，造成機械設備降效。

2.2.3 銜接作業影響

由于隧洞斷面小，無法使用大型設備，工序中相同設備無法同步作業，需要進行銜接，如出渣車之間銜接，造成時間浪費，進而引起施工降效。

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鈣質頁巖和含泥質、炭質頁巖，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細晶灰巖，巖石抗壓強度低，主要為軟巖，而且開挖揭露后快速風化。

2.3.2 遇水軟化特點

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，長時間受地下水的影響，底板圍巖不斷軟化泥化。同時，開挖完成后需要承受洞內作業機械及運輸車輛等來回碾壓，破壞現象較為明顯，進一步加劇了底板軟化泥化的深度，導致以下2個方面問題。

(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行襯砌施工。如果按照常規的底板預留30 cm保護層進行開挖，底板開挖深度會比設計深度大很多，造成了底板超挖量較大，實際施工中,地質條件較差的部位底板超挖甚至達到了1.0～1.5 m，導致底板襯砌時間延長、工期延誤。

(2) 底板泥化深度加大會產生大量淤泥，難以完全排放。淤泥大量富集會導致人員進出隧洞和作業行動減緩，機械運行減緩，對機械侵蝕磨損較大，導致人員和機械的工作效率大幅降低。

3 施工降效應對措施

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資源配置，通過參考現階段定額調整系數，針對工程特點，結合現場實踐統計資料分析，從施工效率和成本角度計算經濟配置系數，在原投標資源配置基礎上考慮一定冗余資源量的資源優化配置方法。

3.1.1 冗余系數計算

為得到合理的資源參考配置數據，首先要對德羅引水隧洞資源降效系數進行計算分析。以《水利水電工程預算定額(2002)》中的高原調整系數作為降效系數參考計算值，其中，高原地區人工、機械定額調整系數見表2。

表2 高原地區人工、機械定額調整系數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，根據表2，選擇相應海拔范圍對應的人工高原系數K1，機械高原系數K2，采用內插法計算出德羅引水隧洞人工、機械降效系數K1，K2。

資源配置產生的效率提升不會隨著冗余程度的增加而不斷增加，且冗余度增加會導致成本大幅增加。因此，需要綜合考慮施工環境限制及施工成本的影響，確定合理的冗余資源系數。為取得合理的冗余資源系數，引入經濟配置系數Kj：

Kj=P/C

式中：Kj為經濟配置系數；P為考慮冗余系數后增加的工效；C為考慮冗余系數后增加的成本。

通過現場實際施工過程中實踐驗證統計數據計算得到經濟配置系數Kj。根據施工工序取得的實際統計數據計算人工機械降效系數，在降效系數區間內，按照不同冗余系數增加資源配置，統計一段時間內的實際施工工效。與投標資源配置對應的工效進行對比，得出增加的施工工效，除以增加資源配置所增加的成本，得出經濟配置系數Kj。選擇洞挖鉆孔工序進行冗余資源配置，其增加資源與施工工效統計見表3。

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

根據表3數據畫出經濟配置系數與冗余系數之間關系曲線(圖1)。由表3可知，隨著冗余資源程度增加，Kj逐漸增大，達到一定程度以后，Kj逐漸減小。當冗余系數Kr取值使經濟配置系數Kj最大，則該冗余系數下人員配置最優最經濟，從而可確定出該工程人員冗余配置系數Kr為1.20。根據人員冗余配置系數進行人員配置，結合現場實際，確定設備冗余配置系數。

圖1 經濟配置系數與冗余系數關系曲線Fig.1 Relation curve of economic allocation coefficient and redundancy coefficient

3.1.2 冗余資源配置

根據投標時人員和機械設備配置數量，對德羅引水隧洞涉及的開挖支護、襯砌、回填固結灌漿工序進行冗余資源配置：

投標人員配置數量×冗余系數=冗余人員配置數量

投標設備配置數量×冗余系數=冗余設備配置數量

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

表4 投標時與考慮冗余系數德羅隧洞人員配置對比Tab.4 Comparison of personnel allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient 人

表5 投標時與考慮冗余系數時德羅隧洞設備配置對比Tab.5 Comparison of equipment allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient

3.2 動態流水施工組織措施

根據高寒高海拔地區人員因長時間在缺氧、惡劣條件下工作導致效率低的特點，德羅引水隧洞在施工組織方面采取了動態流水施工組織措施。

3.2.1 資源組織方式

按照德羅隧洞各項施工內容，根據不同施工工序，配備不同工種人員和設備，做到資源的精準配置。

3.2.2 工序定時

根據目前同類型工程施工工效，結合德羅引水隧洞施工環境和特點，每個工序完成時間(如在洞挖階段，每個循環進尺鉆孔工序定時3 h)，以工序時間的控制來縮短每個施工循環時間，達到加快施工進度的目的，德羅引水隧洞主要工序時間見表6。

表6 工序定時統計Tab.6 Operation time statistics

3.2.3 工序無縫銜接

依靠對講機結合有線電話的施工通訊管理系統，制定了無縫銜接交接班制度。要求工序連接的兩個班組之間各安排一人負責聯絡以確定合適的交接班時間。各工序班組嚴格按照無縫交接班制度進行交接班，確保工序銜接緊密，有效加快施工進度。無縫銜接交接班制度主要內容及目的見表7。

表7 無縫銜接交接班主要內容Tab.7 Main contents of nonstop shift handover

3.2.4 經濟輔助措施

采用工序進度激勵措施，即以每個工序為單位，制定進度激勵措施，完成前述工序進度，工序班組即可獲得進度獎勵，該措施有效提高施工人員積極性，達到加快施工進度的目的。

3.3 長隧洞單體攜氧配合洞內集中點供氧

采用單體攜氧配合洞內集中點供氧的供氧方式進行施工常態供氧，以高壓氧倉進行應急供氧。

單體攜氧是施工人員攜帶氧氣瓶在緊急情況下對自身供氧。設備簡單，氧氣利用率高。但是容量小，作業時攜帶不便，現場作業時只能放置于作業面附近，適用于臨時供氧。

洞內集中點供氧是根據施工進度沿隧洞縱向布置供氧點，隨著施工進程的變化逐漸增加或移動供氧位置，使施工人員可輪換休息，不需要出洞就可以到集中點吸氧調節。

3.3.1 供氧設備選擇

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

與0海拔高程地區相比，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。根據供氧量大于需氧量的原則。選擇了湖南泰瑞醫療科技有限公司的MZ-10制氧機，產氧量能達到10 m3/h。

3.3.2 供氧線路及站點布置

現場安裝時，因洞內氧含量低(經檢測，德羅引水隧洞氧含量平均為10.5%左右)，選擇將空壓機與風機部分連接，形成完善的制氧系統，制氧系統見圖2。

圖2 制氧系統Fig.2 Oxygen generation system diagram

3.4 底板預留保護層+鋼墊板開挖方法

針對底板泥化軟化現象，德羅引水隧洞施工時采取預留保護層+鋼墊板開挖方法，對底板圍巖進行雙重保護措施，具體如下。

3.4.1 預留保護層開挖施工

德羅引水隧洞采用全斷面鉆爆開挖方法。在開挖施工初期，根據部分開挖洞段底板實際泥化深度，為避免預留保護層過大導致底板清理后欠挖、后期處理難度大，經過不斷實踐，采取了底板預留50 cm不進行開挖。并且，根據局部洞段地下水較多情況，適當加大預留保護層的厚度。

3.4.2 鋼墊板施工

開挖完成后，立即在底板預留保護層上鋪設鋼墊板。因鋼墊板需要承受機械設備碾壓，選用鋼墊板型號為1.5 m×6.0 m×1.2 cm(寬×長×高)的鋼板。鋼墊板上設置防滑紋，采用Φ22螺紋鋼筋焊接于鋼板上側，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鋪設。這種方式能保證保護層受力均勻，并給施工機械及運輸車輛的行走提供了臨時施工平臺，減少了淤泥對施工機械的侵蝕，提高了機械行駛速度，同時給人員進出隧洞及作業創造了較為干燥的環境，提高施工人員效率。

3.5 實施效果

由于采取了各項措施，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。在頻繁發生塌方變形、高寒缺氧的復雜施工條件下，提高了施工進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 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備降效的主要原因，根據分析結果，結合工程現場實際，提出施工過程中采用冗余資源配置、動態流水施工組織等應對措施，使施工效率和資源實現了最佳配置，取得了良好效果，有效保證了施工進度。通過該工程施工總結，形成了比較系統且具有一定創新性的高寒高海拔地區軟巖長隧洞施工降效應對措施，可為類似工程提供借鑒。