高寒高海拔隧道施工机械配套技术

韩连涛

(青海省公路建设管理局，青海西宁 810008)

1 工程概况

长拉山隧道全长1 080 m，起讫里程为K82+110～K83+190，位于青海省西南部的玉树藏族自治州杂多县境内，所在区域属于青南高原。隧道防雪棚洞30 m，明洞75 m，Ⅴ级围岩洞口段30 m，Ⅴ级围岩浅埋段90 m，Ⅴ级围岩断层破碎带150 m，Ⅳa级围岩深埋段465 m(包括Ⅳa级围岩紧急停车带80 m)，Ⅲ级围岩240 m。隧道按二级公路双向两车道设计，最大埋深为220 m，净宽10 m，净高5 m，设计行车速度为60 km/h，遂区最大冻土深度为2.98 m，洞口海拔高度为4 489 m，是目前世界上海拔最高的公路隧道。

项目区深处内陆高原腹地，海拔高，属典型的高原大陆性半干旱气候类型;由于地形起伏较大，具有垂直带分布明显的山地气候特点，全年气候严寒、少雨，无明显四季之分，只有冷暖两季之别，冷季长达8个月～9个月，暖季只有3个月～4个月，极端最低气温－26.7℃。针对特殊的自然环境，通过多方案比较，配置适应低温、高海拔隧道施工开挖、锚喷支护、二次衬砌和施工保障4条机械化作业线;在施工使用过程中，针对特殊环境对机械设备的影响，采用隧道施工机械配套与平原隧道不同的技术。

2 高原低温缺氧环境对施工机械的影响和对策

2.1 海拔高程对汽车动力的影响

借鉴青海省公路建设有关课题的成果，当海拔高度每升高1 000 m时，汽车动力损失约11%，隧道洞口地面高程为4 502.6 m，设备的动力损失约为52%，见图1。

2.2 低温对机械设备的影响

温度过低使设备的润滑油性能变差，发动机等燃烧不正常，易冻裂，蓄电设备易冻坏等，会导致设备负荷过高，甚至不能使用;同时，温度过低，设备启动困难，造成使用率低，施工效率低。

2.3 机械设备在低温高原缺氧环境下使用的对策

由于大气密度和含氧量随着海拔高度的增高而降低，长拉山隧道地处长拉山山脚处，三面环山，海拔高度4 489 m，冬季氧气含量为平原的40%～50%，氧分压只有10.92 kPa(海平面上空气中的氧分压为21 kPa)，造成内燃机械吸入空气(氧气量)减少，改变了空燃比，导致气缸内有效压力降低，发动机功率下降。柴油机带增压装置下降40%，非增压装置下降52%;而采取改良后的机械设备(高原型施工设备)各项性能指标(如动力性、经济性、热平衡性能、排放性能、低温启动性能等)均有较大的改观。内燃机机械效率与转速关系见图2。

即便如此，在使用高原型施工设备过程中，仍需采取发动机预热和保温、选用低凝点柴油、强化放电能力、加大进气量、增加发动机保养次数、改善启动时间、增加清洗次数等措施。

3 高原低温隧道施工机械设备配套原则及保养措施

3.1 施工机械设备配套原则

在高原、低温、缺氧的条件下，隧道施工机械设备配套原则为:

1)多选风动、电动设备，少选内燃设备;2)选用大型设备，少选小型设备;3)选用增压设备，少用非增压设备;4)多用新设备，少用旧设备;5)选用进口、合资、国内组装的先进设备，不用故障率高的落后设备。

3.2 施工机械设备保养措施

易损易耗配件储备齐全，增加设备的保养次数、及时进行维修是保证设备正常运转的基础，高原、低温环境对维修和保养带来诸多困难，为此要采取有效措施进行弥补。

1)超前预测，备足配件。对特种润滑油、防冻液、燃油、三滤、斗齿、油缸油封、高压油管、加压设备等易损易耗件，根据消耗量及更换周期提前预测需用量，做好计划，储备充足。

2)采用按时保养及时修理的三级保养制度。依据设备使用说明书，结合低温、缺氧的高原施工特点，督促和监督司机按制度及时进行检查维修和保养，预防设备经常性故障的发生。设备维修保养四项要求为:清洁:设备内外整洁，各滑动面、丝杠、齿条、油孔等处无油污，各部位不漏油、不漏气。整齐:工具、附件、工件要放置整齐，管道、线路要有条理。润滑良好:按时加油或换油，不漏油，油压正常，油标明亮，油路畅通，油质符合要求。安全:遵守安全操作规程，不超负荷使用设备，设备的安全防护装置齐全可靠，及时消除不安全因素。

3)重视动力设备的维修和配置。空压机、发电机组、挖掘机等的配置状况直接会影响到隧道开挖支护、衬砌的施工进度。采取的措施主要有:a.配置备用设备，一旦发生故障，应及时更换;b.成立专业的设备维修工班，及时保养检查，以降低设备故障的发生率。

4 施工机械设备配套技术

针对低温、缺氧的高原特殊环境和富水的地质构造，长拉山隧道施工机械配套经过多方案的比较，确定方案为:性能可靠的大压力、大容量螺杆式空压机组驱动凿岩机钻孔，履带式液压挖掘机和轮式侧卸装载机装碴，大功率自卸车出碴;凿岩机钻设锚杆孔，自制台架架设拱架，干喷机喷射混凝土;电脑自动控制拌合站对混凝土集中拌合，采用保温被的混凝土搅拌运输车运输，混凝土输送泵和整体液压衬砌台车模筑二衬混凝土;发电机组、空压机组、轴流通风机、自制大容量热水箱、制氧房、医务室、砂石料保温棚和地炕等形成保障，使施工正常进行。长拉山隧道为单洞单口掘进，各循环作业线配备备用设备或配备双套设备进行施工，主要施工机械设备见表1。

表1 长拉山隧道主要施工机械设备表

4.1 开挖作业线机械配置

1)钻孔机械。钻孔是施工爆破的关键环节，在整个施工循环中占用时间较长，根据高原低温环境特点，且隧道开挖断面较小，经过研讨比较后，隧道钻孔选用15套YT-28型凿岩机，耗风量3.5 m3/min，高原区耗风量5 m3/min，同时备用5套凿岩机。

2)装碴机械。配备2台侧卸式装载机和2台挖掘机进行装碴、排险，1台装载机进行掌子面装碴，2 h～4 h可完成，1台装载机备用或吊运拱架、水泵等;挖掘机主要为挖装仰拱和中心沟爆破碴，其中1台备用。

3)运碴机械。因隧道内滴渗水较多，采用25 t自卸车进行运碴，经计算每台自卸车可装运17 m3洞碴，每循环进尺按2 m计，共爆破洞碴天然方 180 m3，堆积方180×1.4=252 m3，需运输15车，装车运输往返时间为45 min(平均运距长1.5 km)，5台车进行运输时间为135 min，考虑各种因素影响，则5台车3 h可运碴完成，其中1台备用。

4)弃碴场机械。距隧道口1 km处设置弃碴场，配置1台ZLC40B侧卸式装载机进行平整，平碴时间在每次出碴完成后集中进行，需时1.5 h ～2.5 h。

4.2 锚喷支护作业线机械配置

1)混凝土喷射机械。隧道内设2台PZ-5(5 m3/h)干喷机从两侧边墙同时喷射混凝土，输料管长30 m～40 m，2台实际喷射方量8 m3/h，每循环混凝土量为25 m3左右，可在3 h～4 h内喷射完成;喷射混凝土拌和为JS500强制拌和机进行拌和，农用运输车(5 m3)2辆运至洞内。

2)注浆机械。配备注浆泵和压浆泵2套，对超前导管和中空锚杆进行注浆。

3)拱架机械。利用开挖台架(6 m)作为工作平台，人工拼装，台架用Ⅰ18a工字钢自制加工。

4.3 混凝土衬砌作业线机械配置

1)混凝土拌和机械。自动计量拌合站设在距洞口400 m处，由于混凝土拌合站距隧道洞内最长距离为1 400 m，混凝土搅拌运输车行驶速度为10 km/h，则混凝土运输时间最长为10 min以内，满足混凝土初凝时间要求;二衬台车长10.5 m，混凝土每模为119 m3，2台JS750拌和机25 min可拌和混凝土10 m3，则5 h可完成每模混凝土数量的拌和，能够满足施工需要，及时保证混凝土供应。

2)衬砌台车。在长拉山隧道施工中，根据隧道平曲线半径，订做了10.5 m长轨行式液压台车，台车面板厚1.0 cm，龙门架为箱式钢板组装而成，行驶方式为电动自行方式，如图3所示。

3)混凝土运输设备。已拌和混凝土采用混凝土搅拌运输车(12 m3)3辆运至洞内，能够满足施工需要。

4)混凝土灌注设备。选用1台HTB60型混凝土输送泵进行混凝土水平和竖直提升，通过台车两侧的滑槽将混凝土灌入到衬砌台车内，另1台输送泵作为备用，防止设备发生意外，混凝土出现冷缝。

4.4 施工保障机械设备配置

1)动力设备。发电机组和空压机是隧道施工的必备设备。空压机:依据掌子面掘进凿岩机的数量和开挖方法，Ⅲ级围岩全断面开挖钻爆凿岩机需11台，每台用风量(考虑高原影响和距离风损失)为5 m3，则最大用风量为55 m3，需3台20 m3/min的空压机同时工作，考虑备用品，隧道口共配置4台20 m3/min螺杆式空压机，螺杆式空压机结构简单，易损件少，能在大的压力差或压力比的工况下工作，排气温度低，对制冷剂中含有大量的润滑油不敏感，有良好的输气量调节特性，适合高海拔、缺氧地区隧道使用。发电机组:拌合站与隧道用电进行分离，单独配置1台发电机，隧道场地和洞内用电考虑空压机、混凝土输送泵、通风机、洞内照明、抽水、钢筋加工机械和日常生活用电等，交叉施工用电总功率为640 kW，同时考虑发电机组全天工作，存在输出功率下降(按下降30%计)的问题，则需发电功率为914 kW，隧道口配备了2台沃尔沃HX500GF(550 kW)发电机组，同时备用1台沃尔沃HX400GF(400 kW)，沃尔沃发电机组低温启动性能好，在高原缺氧的环境中功率损失小，工作可靠性高。

2)通风设备。海拔高度4 500 m的隧道内空气稀薄，氧气含量比洞外更低，需不断往洞内输送新鲜空气，以保证氧分量，确保施工人员的身心健康。洞口配置1台SDF(A)型轴流通风机，供风量为750 m3/min～1 200 m3/min，保证了洞内排烟通风和空气的质量，同时，洞口设置保温棚，通过洞内火炉和热水箱保证洞内温度。

3)其他配属设备。隧道施工队配置了两套上海世博会展览的制氧设备，配备医务室和医务人员，配足常发病药品，保证高原反应人员能够得到及时救治;建成了强大的保暖、供暖系统(保温棚、水暖锅炉、地炕等)，保障冬季施工和工人的日常生活。

5 结语

在高海拔、高寒、缺氧的施工特殊环境条件下，通过对长拉山隧道工程施工及其一系列的分析研究，对施工机械设备的选型和配套使用、维修、保养技术进行了初步的探讨，总结了一定的经验，为高原、缺氧地区隧道施工提供了一定的借鉴经验;同时，通过对设备的选型、配套、维修、保养，提高了高原地区设备的利用率，降低了机械设备的故障率，减少了劳动力的使用数量和强度，取得了较好的社会效益和经济效益。

［1］杨文宣.论青藏铁路机械设备合理配置与施工［J］.西部探矿工程，2003，15(9):19-21.

［2］青海省道309线多杂公路《两阶段施工图设计》第四册［Z］.