川藏鐵路隧道建設(shè)面臨高海拔、復(fù)雜地質(zhì)條件、惡劣環(huán)境等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),其中,高海拔環(huán)境對隧道施工裝備選型的影響尤為突出。為實現(xiàn)川藏鐵路隧道機(jī)械化建造,以新建川藏鐵路雅安至林芝段隧道建設(shè)為例,在分析高海拔環(huán)境影響因素的基礎(chǔ)上,從動力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、流體控制系統(tǒng)、空壓機(jī)性能等方面,重點論述高海拔環(huán)境對鉆爆法隧道裝備作業(yè)性能的影響。系統(tǒng)研究并針對性提出在高海拔高寒等極端環(huán)境下超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、二次襯砌等鉆爆法施工關(guān)鍵工序的裝備選型建議,如超前鉆探及支護(hù)設(shè)備、鑿巖臺車、拱架安裝設(shè)備、混凝土噴射設(shè)備等,并提出“破碎機(jī)+皮帶機(jī)”出渣、挖裝運(yùn)電動設(shè)備、移動式除塵等新型裝備和技術(shù)在川藏鐵路隧道建設(shè)中的應(yīng)用建議。

引言

川藏鐵路是促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國家統(tǒng)一、鞏固邊疆穩(wěn)定的一項“世紀(jì)工程”，但由于其顯著的地形高差、復(fù)雜的地質(zhì)特征、頻發(fā)的山地災(zāi)害、脆弱的生態(tài)環(huán)境、惡劣的氣候條件、薄弱的資源供給等特點，給川藏鐵路隧道建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。為保證川藏鐵路隧道高起點、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量建設(shè)，必須推行高度機(jī)械化的施工方式。新建川藏鐵路在海拔３０００ｍ以上的隧道長度約６４７ｋｍ，占全線隧道總長約７６％。根據(jù)長期監(jiān)測及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，海拔在３０００～４０００ｍ時人工效率喪失５０％，海拔越高，人工效率喪失率越高。高海拔隧道施工裝備的成功選型是確保隧道安全高效建設(shè)的首要條件，有必要開展針對性的研究。

國內(nèi)學(xué)者針對高海拔鉆爆法隧道施工裝備選型開展了相關(guān)研究。張旭東結(jié)合川藏鐵路隧道鉆爆法施工的９條作業(yè)線，較為詳細(xì)地對設(shè)備性能與川藏鐵路隧道斷面大小、海拔、施工效率等進(jìn)行了適宜性評價，并提出了低海拔高配型、低海拔低配型、高海拔高配型機(jī)械化配置方案，為實際施工機(jī)械化配置提供了重要參考；楊米柱從開挖、支護(hù)方面介紹了青藏鐵路風(fēng)火山隧道機(jī)械設(shè)備選型，為高原隧道鉆爆法施工提供了機(jī)械化選型指導(dǎo)；崔文鎮(zhèn)結(jié)合祁連山隧道施工實際，針對高原地區(qū)長大隧道建設(shè)中超前預(yù)報、開挖支護(hù)、仰拱施作以及水溝電纜槽等一系列施工工序，闡述了幾種施工設(shè)備的應(yīng)用效果；此外，青藏鐵路羊八井隧道、蘭武二線烏鞘嶺隧道、拉林鐵路桑珠嶺隧道等的機(jī)械化配套對高原環(huán)境隧道施工機(jī)械化也具有一定的參考意義。

但總的來說，前人關(guān)于高海拔環(huán)境下的鉆爆法隧道施工裝備選型研究，更多是針對某個工序的施工裝備進(jìn)行選型分析，或者是總結(jié)分析對高原環(huán)境所采取的針對性技術(shù)，缺少對高度機(jī)械化配置模式下施工裝備選型的系統(tǒng)研究。川藏鐵路隧道多，整體海拔更高、難度更大，所采用的機(jī)械化配套裝備更多，需要在以往機(jī)械化配套技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)新、再提高。本文重點分析當(dāng)前鉆爆法隧道施工裝備的特點及其高海拔環(huán)境的適應(yīng)性，提出川藏鐵路隧道鉆爆法施工超前鉆探、開挖、出渣、支護(hù)等各工序關(guān)鍵設(shè)備的選型建議，并對“破碎機(jī)＋皮帶機(jī)”出渣、挖裝運(yùn)電動設(shè)備、移動式除塵等新型裝備和技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用展望，以期為川藏鐵路高效、穩(wěn)步建設(shè)及新設(shè)備應(yīng)用提供參考。

１　極端環(huán)境影響分析

１．１　川藏鐵路極端環(huán)境

新建川藏鐵路雅安至林芝段線路起自既有成都至雅安鐵路雅安站，經(jīng)四川省雅安市、甘孜藏族自治州，西藏自治區(qū)昌都市、林芝市，接入在建拉薩至林芝鐵路林芝站。線路先后跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布江、雅魯藏布江等７大江河，并穿越二郎山、折多山、高爾寺山、伯舒拉嶺、色季拉山等８座高山，累計爬升高度達(dá)到１.４萬ｍ。新建正線長度為１０１８ｋｍ，其中，隧道總長８５２ｋｍ（６９座），占線路長度的８３％；海拔在３０００ｍ以上隧道４９座，總長約６４７ｋｍ。因此，高海拔導(dǎo)致的低溫、低氧與低壓是川藏鐵路施工首先面對的極端環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，海拔每上升１０００ｍ，大氣壓強(qiáng)約降低１０ｋＰａ，含氧量約減少２５ｇ／ｍ3。當(dāng)海拔為４０００ｍ時，大氣壓強(qiáng)僅為５６.０４ｋＰａ左右，含氧量僅為１８２ｇ／ｍ3左右。

１．２　高海拔環(huán)境的影響

１．２．１　動力系統(tǒng)性能降低

１）對于自然吸氣型內(nèi)燃機(jī)，海拔每上升１０００ｍ，其功率、轉(zhuǎn)矩下降８％～１３％，油耗上升６％～９％，熱強(qiáng)度增加２％～５％，會產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)無力、冒黑煙等現(xiàn)象。

２）高海拔地區(qū)秋冬時節(jié)晝夜溫差大的現(xiàn)象尤為明顯，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的汽缸壓力和溫度隨海拔升高而降低，啟動性能受溫度影響極大。氣溫過低導(dǎo)致潤滑油黏度增大，流動性變差，進(jìn)一步增加了發(fā)動機(jī)的功率消耗。

３）進(jìn)入發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)空氣減少，燃燒性能變差，滯后燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重，引起發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加；同時，冷卻風(fēng)扇質(zhì)量流量減少，冷卻水的沸點降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)散熱性能下降，熱負(fù)荷進(jìn)一步增加。

１．２．２　電氣控制系統(tǒng)不穩(wěn)定

１）低溫下蓄電池容量衰減，蓄電池壽命縮減。

２）絕緣強(qiáng)度隨海拔升高、空氣密度減小而降低，電氣系統(tǒng)故障率相對提高。

３）高原晝夜溫差大，如頻繁轉(zhuǎn)場或露天存放，強(qiáng)紫外線易導(dǎo)致線纜老化，影響電氣系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

１．２．３　流體控制系統(tǒng)易出現(xiàn)故障

１）低溫導(dǎo)致液壓油黏度過大，增加液壓元件的摩擦和發(fā)熱，系統(tǒng)內(nèi)壓力損失增大，設(shè)備難以正常工作。

２）在隧道內(nèi)高濕、高粉塵環(huán)境下，液壓油的乳化和污染易導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障。

１．２．４　空壓機(jī)排氣量大幅度減少

隨海拔升高，進(jìn)氣壓強(qiáng)越低，空壓機(jī)排量越小。海拔每上升１００ｍ，平均大氣壓強(qiáng)約降低１.１ｋＰａ，空壓機(jī)排氣量約減少１.１％。當(dāng)海拔達(dá)到４０００ｍ時，平均大氣壓強(qiáng)為５６.０４ｋＰａ，空壓機(jī)排氣量約減少４４％。

１．２．５　人員作業(yè)安全受到影響

１）海拔越高，含氧量越低，易導(dǎo)致作業(yè)人員大腦集中能力衰退、肌肉協(xié)調(diào)能力下降，易發(fā)生判斷上的錯誤，情緒不穩(wěn)定，勞動強(qiáng)度同比增幅較大（見表１），從而影響施工作業(yè)安全。

２）軟巖大變形和巖爆頻發(fā)，且此類極端工況在埋深大、地應(yīng)力高的隧道工程中，地質(zhì)勘察難以準(zhǔn)確探測，存在較多不確定性與風(fēng)險，對施工設(shè)備防護(hù)結(jié)構(gòu)及作業(yè)人員安全提出了更高要求。

表1 不同海拔隧道主要施工工序的勞動強(qiáng)度指數(shù)及分級

２　鉆爆法施工裝備選型建議

超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、二次襯砌等是鉆爆法施工的關(guān)鍵工序，做好各工序?qū)?yīng)機(jī)械化施工裝備的選型是確保施工質(zhì)量和效率的必要前提，如超前鉆探及支護(hù)設(shè)備、鑿巖臺車、拱架安裝設(shè)備、混凝土噴射設(shè)備等。

２．１　超前鉆探及支護(hù)設(shè)備

超前鉆探設(shè)備主要包括千米級水平鉆機(jī)、多功能鉆機(jī)等，考慮到川藏鐵路超前鉆探必要性、施工效率與綜合經(jīng)濟(jì)性，如無法設(shè)計超前探測洞，建議超前鉆探設(shè)備滿足１５０ｍ超前鉆探取芯要求即可。對于較受關(guān)注的千米級水平鉆機(jī)，由于其設(shè)備本身鉆深千米時，大多無法完整取芯，影響地質(zhì)判斷效果，并且鉆進(jìn)千米耗時過長，會長時間占據(jù)掌子面，影響施工，因此除特殊需要外不建議配置。

對于１５０ｍ以內(nèi)超前鉆探支護(hù)設(shè)備鉆神智造DH180B，滿足國內(nèi)絕大多數(shù)超前鉆探孔徑和孔深的要求。