川藏铁路隧道建设面临高海拔、复杂地质条件、恶劣环境等方面的严峻挑战,其中,高海拔环境对隧道施工装备选型的影响尤为突出。为实现川藏铁路隧道机械化建造,以新建川藏铁路雅安至林芝段隧道建设为例,在分析高海拔环境影响因素的基础上,从动力系统、电气控制系统、流体控制系统、空压机性能等方面,重点论述高海拔环境对钻爆法隧道装备作业性能的影响。系统研究并针对性提出在高海拔高寒等极端环境下超前支护、开挖、初期支护、二次衬砌等钻爆法施工关键工序的装备选型建议,如超前钻探及支护设备、凿岩台车、拱架安装设备、混凝土喷射设备等,并提出“破碎机+皮带机”出渣、挖装运电动设备、移动式除尘等新型装备和技术在川藏铁路隧道建设中的应用建议。

引言

川藏铁路是促进民族团结、维护国家统一、巩固边疆稳定的一项“世纪工程”，但由于其显著的地形高差、复杂的地质特征、频发的山地灾害、脆弱的生态环境、恶劣的气候条件、薄弱的资源供给等特点，给川藏铁路隧道建设带来了巨大挑战。为保证川藏铁路隧道高起点、高标准、高质量建设，必须推行高度机械化的施工方式。新建川藏铁路在海拔３０００ｍ以上的隧道长度约６４７ｋｍ，占全线隧道总长约７６％。根据长期监测及经验数据，海拔在３０００～４０００ｍ时人工效率丧失５０％，海拔越高，人工效率丧失率越高。高海拔隧道施工装备的成功选型是确保隧道安全高效建设的首要条件，有必要开展针对性的研究。

国内学者针对高海拔钻爆法隧道施工装备选型开展了相关研究。张旭东结合川藏铁路隧道钻爆法施工的９条作业线，较为详细地对设备性能与川藏铁路隧道断面大小、海拔、施工效率等进行了适宜性评价，并提出了低海拔高配型、低海拔低配型、高海拔高配型机械化配置方案，为实际施工机械化配置提供了重要参考；杨米柱从开挖、支护方面介绍了青藏铁路风火山隧道机械设备选型，为高原隧道钻爆法施工提供了机械化选型指导；崔文镇结合祁连山隧道施工实际，针对高原地区长大隧道建设中超前预报、开挖支护、仰拱施作以及水沟电缆槽等一系列施工工序，阐述了几种施工设备的应用效果；此外，青藏铁路羊八井隧道、兰武二线乌鞘岭隧道、拉林铁路桑珠岭隧道等的机械化配套对高原环境隧道施工机械化也具有一定的参考意义。

但总的来说，前人关于高海拔环境下的钻爆法隧道施工装备选型研究，更多是针对某个工序的施工装备进行选型分析，或者是总结分析对高原环境所采取的针对性技术，缺少对高度机械化配置模式下施工装备选型的系统研究。川藏铁路隧道多，整体海拔更高、难度更大，所采用的机械化配套装备更多，需要在以往机械化配套技术的基础上进行再创新、再提高。本文重点分析当前钻爆法隧道施工装备的特点及其高海拔环境的适应性，提出川藏铁路隧道钻爆法施工超前钻探、开挖、出渣、支护等各工序关键设备的选型建议，并对“破碎机＋皮带机”出渣、挖装运电动设备、移动式除尘等新型装备和技术进行应用展望，以期为川藏铁路高效、稳步建设及新设备应用提供参考。

１　极端环境影响分析

１．１　川藏铁路极端环境

新建川藏铁路雅安至林芝段线路起自既有成都至雅安铁路雅安站，经四川省雅安市、甘孜藏族自治州，西藏自治区昌都市、林芝市，接入在建拉萨至林芝铁路林芝站。线路先后跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布江、雅鲁藏布江等７大江河，并穿越二郎山、折多山、高尔寺山、伯舒拉岭、色季拉山等８座高山，累计爬升高度达到１.４万ｍ。新建正线长度为１０１８ｋｍ，其中，隧道总长８５２ｋｍ（６９座），占线路长度的８３％；海拔在３０００ｍ以上隧道４９座，总长约６４７ｋｍ。因此，高海拔导致的低温、低氧与低压是川藏铁路施工首先面对的极端环境。据统计，海拔每上升１０００ｍ，大气压强约降低１０ｋＰａ，含氧量约减少２５ｇ／ｍ3。当海拔为４０００ｍ时，大气压强仅为５６.０４ｋＰａ左右，含氧量仅为１８２ｇ／ｍ3左右。

１．２　高海拔环境的影响

１．２．１　动力系统性能降低

１）对于自然吸气型内燃机，海拔每上升１０００ｍ，其功率、转矩下降８％～１３％，油耗上升６％～９％，热强度增加２％～５％，会产生运转无力、冒黑烟等现象。

２）高海拔地区秋冬时节昼夜温差大的现象尤为明显，发动机运转时的汽缸压力和温度随海拔升高而降低，启动性能受温度影响极大。气温过低导致润滑油黏度增大，流动性变差，进一步增加了发动机的功率消耗。

３）进入发动机汽缸内空气减少，燃烧性能变差，滞后燃烧现象严重，引起发动机热负荷增加；同时，冷却风扇质量流量减少，冷却水的沸点降低，导致发动机散热性能下降，热负荷进一步增加。

１．２．２　电气控制系统不稳定

１）低温下蓄电池容量衰减，蓄电池寿命缩减。

２）绝缘强度随海拔升高、空气密度减小而降低，电气系统故障率相对提高。

３）高原昼夜温差大，如频繁转场或露天存放，强紫外线易导致线缆老化，影响电气系统长期稳定运行。

１．２．３　流体控制系统易出现故障

１）低温导致液压油黏度过大，增加液压元件的摩擦和发热，系统内压力损失增大，设备难以正常工作。

２）在隧道内高湿、高粉尘环境下，液压油的乳化和污染易导致液压系统故障。

１．２．４　空压机排气量大幅度减少

随海拔升高，进气压强越低，空压机排量越小。海拔每上升１００ｍ，平均大气压强约降低１.１ｋＰａ，空压机排气量约减少１.１％。当海拔达到４０００ｍ时，平均大气压强为５６.０４ｋＰａ，空压机排气量约减少４４％。

１．２．５　人员作业安全受到影响

１）海拔越高，含氧量越低，易导致作业人员大脑集中能力衰退、肌肉协调能力下降，易发生判断上的错误，情绪不稳定，劳动强度同比增幅较大（见表１），从而影响施工作业安全。

２）软岩大变形和岩爆频发，且此类极端工况在埋深大、地应力高的隧道工程中，地质勘察难以准确探测，存在较多不确定性与风险，对施工设备防护结构及作业人员安全提出了更高要求。

表1 不同海拔隧道主要施工工序的劳动强度指数及分级

２　钻爆法施工装备选型建议

超前支护、开挖、初期支护、二次衬砌等是钻爆法施工的关键工序，做好各工序对应机械化施工装备的选型是确保施工质量和效率的必要前提，如超前钻探及支护设备、凿岩台车、拱架安装设备、混凝土喷射设备等。

２．１　超前钻探及支护设备

超前钻探设备主要包括千米级水平钻机、多功能钻机等，考虑到川藏铁路超前钻探必要性、施工效率与综合经济性，如无法设计超前探测洞，建议超前钻探设备满足１５０ｍ超前钻探取芯要求即可。对于较受关注的千米级水平钻机，由于其设备本身钻深千米时，大多无法完整取芯，影响地质判断效果，并且钻进千米耗时过长，会长时间占据掌子面，影响施工，因此除特殊需要外不建议配置。

对于１５０ｍ以内超前钻探支护设备钻神智造DH180B，满足国内绝大多数超前钻探孔径和孔深的要求。