小断面长隧洞钻爆台车的优化与实践
摘要：小断面长隧洞具有面小、距离长的特点，在施工中存在空间有限，大型高效机械无法运用等问题，施工难度大、工期紧张。为了克服这些困难，本文结合西昌永宁河四级电站引水隧洞工程实际情况，改造钻爆台车，在小断面长隧洞的快速施工中取得了良好的实践效果，并为今后类似工程施工提供一定的指导和借鉴。
关键词：永宁河、小断面长隧道、钻爆台车
引言：随着近几年规模型水电工程、引水工程、排污工程等在水电建筑市场中的份额越来越大，而小断面隧洞是以上工程中必不可少的工程项目。永宁河四级电站引水隧洞总长8007.826米，过水断面形状为城门洞和圆形，过水断面B=3.4～4.0米，4＃主洞为全线的关键线路，洞长2824.651米，洞型为城门洞形，底部开挖宽度4.4米，侧墙高度3.3米，顶拱的圆弧半径为2.494米，隧洞的单面掘进最长为1719米。
一、小断面长隧洞的特点
根据洞室断面或跨度的大小，永宁河四级电站4＃隧洞开挖断面面积18.9969㎡，小于20㎡为小断面，单头开挖长度1719米为长隧洞，特点是“小”和“长”。“小”受断面尺寸的控制，在有限的空间内施工，工序交叉多，相互干扰大，在同一个工作面上钻孔、爆破、出渣等工作只能周期性循环进行，同时无法在施工中运用高效的大型机械设备，而且也影响到洞内管线的布置，从而总体影响机械化施工配套。“长”则受距离的限制，带来供电、供风、排水、排烟、出渣等一系列困难，出渣是第一系列困难，施工劳动条件差，安全问题也比较突出。因此，小断面长隧洞的施工存在较大困难，尽管小隧洞有种种困难，但还是有一定的优越性，具有单位长度开挖量少，出渣量少，安全支护比较方便等有点。长隧洞一般具有断面形式改变少，纵向坡度较小等有点。因此只要施工组织措施得当，小断面长隧洞的开挖困难可以克服的。
二、小断面长隧洞钻爆台车的优化与实践
2.1传统钻爆台车工艺
按国内的传统方式，在小断面隧洞开挖施工中，一般情况下有两种搭设简易的钻爆平台方式。
一种方法是：在开挖掌子面，采用架管和跳板相结合搭设平台，开挖钻孔和安装炸药工序完工后进行拆除，等到出渣及测量放线完毕后再从新搭设。另一种方法是：采用工字钢或槽钢焊接组成一个框架结构，打钻、装药或支护时采用装载机端运到工作位置，等工序完工后，再用装载机端运到不碍事的部位。
2.2改进后的钻爆台车工艺
利用现有的资源出渣汽车改装成钻爆台车，本工程隧洞出渣车辆是5t自卸汽车，利用后部的车斗改装，车厢具体的尺寸：长度2.96m、宽度1.78m、高度1.25m。具体改装的形式如下：在车厢斗的两侧用￠100的钢管做立柱，车厢的两侧各焊接3根，每根钢管的长度为1.5m，间距为1.26m,在车斗底部向上0.9m的部位横向布置3根￠100的钢管和两侧的钢管焊接成为一个整体，每根钢管的长度1.95m。在横向两侧的钢管顶部横向焊接布置钢管，每根长度4.4m。在整个框架焊接好后的顶部铺设钢筋网片，与顶部两侧的钢管焊接成一个整体，使上部形成为一个整体平台，此部为隧洞拱角以上的部位施工所用的施工平台。两侧立柱顶部向下0.6m的部位向外延伸0.2m，作为第二层施工平台的支撑点，施工时在此处搭设平台。车厢与框架中间的空间部位设置一个移动水箱，移动水箱采用钢板制作，移动水箱的尺寸为：长度2.36m、宽度1.4m、高度0.85m，移动水箱可以装水2.8方左右，移动水箱的作用是在钻爆作业时提供钻机的供水，能够满足钻爆的施工用水。
2.3改进后的钻爆台车的优点
2.3.1移动灵活方便
因为此台车是汽车改装，移动灵活方便，在钻爆时，台车直接可以到开挖掌子面钻爆作业，等钻爆及装药完成后，开到安全地带，待出渣测量完毕后再进行下次的开挖作业。在隧洞支护时利用此台车可以做喷锚、挂网、支格栅等工序，不需要再另行搭设施工平台。
2.3.2节省材料的消耗
因为改进后的台车为固定模式，周期使用率高，在各种施工工序中不需要从新搭设施工平台，降低了材料的消耗。
2.3.3缩短开挖及支护工序的时间
此台车灵活方便，一次性转移到位，避免了传统台车多次转运的次数而耽误时间，大大缩短了各工序的衔接时间，提高了工作效率。
2.3.4改进后的钻爆台车多种用途
除用做钻孔，装药，还可以支护用。
2.3.5改进后的钻爆台车可节省钻孔供水系统的费用
改进后的钻爆台车配备有自制水箱，可以节省钻爆钻孔时的水管铺设。传统的施工是由洞外铺设一趟水管到施工面，而改进后的台车自带水箱，能够满足各种作业所需的水量，节省了水管的铺设，从经济上比较可以节约一笔费用。
三、优化后钻爆平台经济分析
3.1传统钻爆平台与优化后钻爆平台开挖作业循环时间对比
3.1.1传统与优化后钻爆平台洞挖作业循环时间对比表（表1）
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表1 传统与优化后钻爆平台洞挖作业循环时间对比
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序号
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项目
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工作量
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传统钻爆平台洞挖作业时间循环
（min）
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优化后钻爆平台洞挖作业时间循环
（min）
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条件
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1
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通风散烟、测量布孔
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60孔
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60
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60
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开挖断面：
城门洞型4.4×4.7（宽×高），开挖断面积为18.99m2。
岩石：
紫色巨砾岩夹砂砾岩，具次生胶结，无地下水活动，成洞条件好。
机械设备：
50装载机一台；4辆5T自卸汽车。
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2
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钻爆平台安装、水泵安装及铺设水管、辅助作业
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90
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30
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3
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钻孔
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60孔
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240
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210
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4
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装药
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60孔
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120
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100
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5
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钻爆平台拆除和爆破
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60
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30
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6
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通风散烟
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45
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45
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7
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安全撬挖
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15
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15
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8
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装载机、出渣车就位
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30
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30
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9
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出渣
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270
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270
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合计
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930
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790
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3.2传统钻爆平台与优化后钻爆平台钻孔用水单价对比
以永宁河四级水电站4#支洞上游作业面为例，进行单价对比。4#支洞上游作业面单面掘进长度为1719米，围岩类别为Ⅱ类，紫色巨砾岩夹砂砾岩，具次生胶结，无地下水活动，成洞条件好。传统钻爆平台需要在洞外设置一个蓄水池，安装一台5KW的潜水泵，延洞挖长度铺设钢管，作为钻孔用水的供水系统，根据2004水电定额进行单价分析供水管道的钢管铺设、附件制安、完工拆除每米为59.73元、水泵每台时需要14.82元；优化后的钻爆平台，本身在车上就制作安装一个可容纳3m3水的水箱，在水箱内安装一台2.2KW的潜水泵和20米的消防水管就可以提供钻孔用水，根据2004水电定额进行单价分析水泵每台时只需11.47元，水箱内的水能够满足一个洞挖循环作业的施工用水，不再需要从洞外安装一套钻孔用水的供水系统，同时也节省了铺设水管的费用。
3.2.1传统钻爆平台钻孔用水费用
A(供水系统费用)=B(供水管道费用)-C（供水管道残值）+D(水泵使用总台时费)
供水管道费用为：
B=1719米×59.73元/米=10.27万元
工程结束后供水管道残值为20%
C=B×20%=2万元
根据洞挖长度和表4水泵使用总台时费用为：
水泵使用台时；1719米÷4米/天×8小时/天=3438（台时）
水泵总台时费：3438台时×14.82元/台时=5.1万元
供水系统费用为：
A=B-C+D
=10.27-2+5.1
=13.37万元
每延米钻孔用水费用：13.73万元/1719米=7.99元/米
3.2.2优化后钻爆平台钻孔用水费用
优化后的钻爆平台在钻孔时只需要用一台小功率水泵将钻爆台车自带的水箱内的水抽出拱打钻用水即可。
根据单价及洞挖长度计算水泵使用台时
水泵使用台时；1719米÷4米/天×8小时/天=3438（台时）
水泵总台时费：3438台时×11.47元/台时=3.94万元
每延米钻孔用水费用：3.94万元/1719米=2.3元/米
3.3传统钻爆平台与优化后钻爆平台经济效益评价
3.3.1优化后钻爆平台与传统钻爆平台完成洞挖工期节约
通过传统钻爆平台与优化后钻爆平台完成洞挖作业循环时间比较后者被前者的洞挖作业循环时间短140分钟。4#支洞上游作业面单面掘进长度1719米，根据地质情况和现场实际统计每一个洞挖循环进尺2.0米，计算洞挖工期为：
传统钻爆平台施工：（1719÷2）×930÷60÷24=555天
优化后钻爆平台施工：（1719÷2）×790÷60÷24=472天
优化后钻爆平台施工缩短工期：555-472=83天
施工工期是一种有限的时间资源，在项目管理中有特定的价值，即“工期价值”。对工程项目而言，工程的质量、成本和工期是施工管理的三大主线，工期是否合理直接影响着施工质量和成本，因此，施工项目管理中的时间管理非常重要。
当施工工期变化时，会引起工程劳动量（人工与机械）的变化。市场中的物价是波动的，材料价格会随工期的长短而不同。因此，同一工程项目，工期不同，工程成本就不同。施工工期与耗用的人工费成正比，与机械设备租赁费成正比，与模板等多次使用性材料分摊消费成正比，与施工单位承担的建材市场价格波动风险成正比。因此，合理的施工进度安排和采用先进的施工工艺、方法，达到最大限度地缩短工期，将减少工程费用，使施工单位获得较好的经济效益。
3.3.2优化后钻爆平台与传统钻爆平台完成洞挖成本节约额
（1）完成4#支洞上游作业面1719米的洞挖成本节约为：
13.37万元（传统）－3.94万元（优化后）=9.43万元
（2）平均洞挖1米洞挖成本节约：9.43万元/1719米=54.9元/米
（3）永宁河四级水电站洞挖长度8公里，可节约：
54.9×8000=43.92万元
3.3.3优化后钻爆平台与传统钻爆平台完成洞挖成本降低率
成本降低率=（9.43－3.94）/9.43×100%=58.2%
四、结语
由于中小水电站的建设，隧洞引水工程项目会不断增加小断面，长隧洞更加在引水项目中普遍应用，由于其自身小和长的原因。施工难度较大，研究和探索小断面长隧洞合理、经济的施工组织设计，舍其短取其长，抓好每个循环衔接，实现快速施工及推广应用，对跨区域长距离调水，特别是中小型跨区域长距离调水，将起到重要的推动作用。通过永四电站项目，施工方案技术优化落实到工程实际中，效果显著，洞挖有常规每天的1.7～1.8m增加到每天2.8～3.0m。工程进度加快，工程施工安全得到一定保障，由于节省钻爆所需水管的铺设，节省一笔资金，综合效益明显。
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