杨金华，马江飞，王 黎

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

0 引 言

高寒高海拔地区工程施工效果易产生大幅下降。国内外学者对高海拔地区施工降效问题、认知理论等进行了较多研究，但对结合工程实际的施工降效应对措施研究相对较少，主要是以高海拔、低气压、低含氧、低气温、大温差等独特环境为依据研究降效影响因素，分析高寒地区低氧、干燥、海拔高等主要影响因素对内燃机及电动机的影响机理，采用层次分析法计算施工机械的效率。矫立宪[1]通过分析高寒地区的自然条件特点及其对施工机械的影响机理，根据经验数据、文献数据及实测数据，建立电网工程机械施工降效指标框架，利用AHP法计算得到机械降效系数，运用回归分析法建立数学模型，得到高寒地区不同海拔高度的电网工程施工机械降效系数。李明强等[2]指出了西藏高原地区独特的气候环境对定额工效的影响，根据气候相关数据和调研资料，分析不同海拔高度对人工、机械效率的影响。王朋基等[3]通过分析高原环境对人体健康及人工效率的影响机理，提出了应对措施。由于高原环境具有独特特征，陈志凯[4]根据实际工程中高原环境对工程机械寿命及效率的影响程度提出应对对策。魏明鹏等[5]通过对米拉山公路隧道施工作业人员在不同作业状态下的血氧饱和度、心率等现场测试分析，在保障现场作业人员安全的前提下，提出了提高人工效率的措施；同时研究了主要施工作业线的耗时组成和特点，优化改进耗时最多的关键工序，达到提高功效目的。

因此，分析研究高寒高海拔地区施工降效主要影响因素，并有针对性采取应对措施以减少降效影响，提高施工进度，对高寒高海拔地区水利水电工程施工具有重要意义。

1 工程概况

德罗引水隧洞进水口位于西藏拉洛水利枢纽工程大坝坝轴线上游约6.2 km处，隧洞全长7 520.76 m，断面为马蹄形，采用无压引水，开挖断面为5.0 m×4.5 m，衬砌后断面为4.30 m×4.05 m，隧洞施工区平均海拔4 280 m，工程所在流域气候干湿季节分明，夏季雨水集中，温暖湿润；冬季寒冷干燥，区域日照充足，太阳辐射强烈；昼夜温差大，寒冷缺氧。

2 德罗引水隧洞施工降效成因分析

2.1 高海拔地区缺氧影响

2.1.1 人员降效分析

随着海拔高度的提升，气压降低，空气稀薄，空气中的氧含量降低。海拔4 270 m处，氧气压力只有海平面的58%[6]。空气稀薄及氧气绝对量的减小引起人体缺氧，并导致组织、细胞功能降低，进而使人员工作效率降低。在高原地区施工中，缺氧对施工人员造成的生理危害和心理负担不容忽视，这也是施工降效的直接和主要原因。

同时，低温加重了人体缺氧。根据气象测定，海拔每升高150 m，气温下降1 ℃。当高海拔地区的寒冷达到一定程度时，就会导致人体代谢速度快，产热机能增强，血液氧气消耗增加，进一步加重人体缺氧，造成施工效率的下降。不同海拔高度大气压、氧分压、湿度、温度关系见表1[6]。

表1 不同海拔高度大气压、氧分压、湿度、温度关系Tab.1 Relationship between atmospheric pressure，oxygen partial pressure，humidity and temperature at different altitudes

2.1.2 设备降效分析

隧洞工程主要施工机械如挖掘机、装载机、凿岩机、自卸车、推土机等，大部分均为内燃机。空气中的氧气含量减少，导致内燃机在运行过程中发动机燃烧不充分，功率、扭矩下降，排热、油耗及烟量增加等，使运行机制降低，机械工作效率下降。实践研究表明，海拔高度每升高1 000 m，内燃机的功率就会下降8%，油耗量上升6%[4]。此外，随着海拔高度的增加，大气压力降低，水的沸点逐渐下降，造成水在某一温度范围内(低于100 ℃时)沸腾，导致内燃机散热装置中的冷却水蒸发加快，散热装置不能正常工作，使内燃机施工效率降低。相关研究表明，当内燃机在4 000 m海拔高度的地区工作时，其功率降低约45%[6]。

2.2 长隧洞小断面影响

2.2.1 粉尘、噪音影响

德罗引水隧洞长7 520.76 m，设计开挖断面为5.0 m×4.5 m，属于长隧洞小断面隧洞。因隧洞空间较小、长度长，各个工作面控制洞段长，施工过程产生的噪音、粉尘等有害物质无法顺利排出，甚至经过岩壁的反射后还会加剧。此类有害物质会长期滞留于洞内，现场施工人员长时间受到振动、噪声和有害物质危害，会产生神经衰弱，引起听力下降、呼吸道疾病等，导致施工效率降低。

2.2.2 交叉作业影响

德罗引水隧洞施工包含了洞挖、支护、二衬、塌方处理等施工内容，施工工序复杂，部分施工内容需同时进行。因隧洞断面小，洞轴线长，同步进行的各工序间机械设备相互干扰，造成机械设备降效。

2.2.3 衔接作业影响

由于隧洞断面小，无法使用大型设备，工序中相同设备无法同步作业，需要进行衔接，如出渣车之间衔接，造成时间浪费，进而引起施工降效。

2.3 围岩及遇水软化影响

2.3.1 围岩本身特性

德罗引水隧洞围岩主要为J2z，J1r钙质页岩和含泥质、炭质页岩，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩，岩石抗压强度低，主要为软岩，而且开挖揭露后快速风化。

2.3.2 遇水软化特点

在德罗隧洞施工过程中，底板开挖完成后暴露于空气中。因围岩遇水泥化的性质，长时间受地下水的影响，底板围岩不断软化泥化。同时，开挖完成后需要承受洞内作业机械及运输车辆等来回碾压，破坏现象较为明显，进一步加剧了底板软化泥化的深度，导致以下2个方面问题。

(1) 由于底板泥化深度加大，在后期底板衬砌阶段需要将泥化体清理完毕才能进行衬砌施工。如果按照常规的底板预留30 cm保护层进行开挖，底板开挖深度会比设计深度大很多，造成了底板超挖量较大，实际施工中,地质条件较差的部位底板超挖甚至达到了1.0～1.5 m，导致底板衬砌时间延长、工期延误。

(2) 底板泥化深度加大会产生大量淤泥，难以完全排放。淤泥大量富集会导致人员进出隧洞和作业行动减缓，机械运行减缓，对机械侵蚀磨损较大，导致人员和机械的工作效率大幅降低。

3 施工降效应对措施

3.1 适度冗余资源配置措施

适度冗余资源配置是基于常规资源配置，通过参考现阶段定额调整系数，针对工程特点，结合现场实践统计资料分析，从施工效率和成本角度计算经济配置系数，在原投标资源配置基础上考虑一定冗余资源量的资源优化配置方法。

3.1.1 冗余系数计算

为得到合理的资源参考配置数据，首先要对德罗引水隧洞资源降效系数进行计算分析。以《水利水电工程预算定额(2002)》中的高原调整系数作为降效系数参考计算值，其中，高原地区人工、机械定额调整系数见表2。

表2 高原地区人工、机械定额调整系数Tab.2 Adjustment coefficient of labor and machinery quota in plateau area

德罗引水隧洞平均海拔高度为4 280 m，根据表2，选择相应海拔范围对应的人工高原系数K1，机械高原系数K2，采用内插法计算出德罗引水隧洞人工、机械降效系数K1，K2。

资源配置产生的效率提升不会随着冗余程度的增加而不断增加，且冗余度增加会导致成本大幅增加。因此，需要综合考虑施工环境限制及施工成本的影响，确定合理的冗余资源系数。为取得合理的冗余资源系数，引入经济配置系数Kj：

Kj=P/C

式中：Kj为经济配置系数；P为考虑冗余系数后增加的工效；C为考虑冗余系数后增加的成本。

通过现场实际施工过程中实践验证统计数据计算得到经济配置系数Kj。根据施工工序取得的实际统计数据计算人工机械降效系数，在降效系数区间内，按照不同冗余系数增加资源配置，统计一段时间内的实际施工工效。与投标资源配置对应的工效进行对比，得出增加的施工工效，除以增加资源配置所增加的成本，得出经济配置系数Kj。选择洞挖钻孔工序进行冗余资源配置，其增加资源与施工工效统计见表3。

表3 开挖钻孔工序单作业面增加资源与施工工效及成本统计Tab.3 Statistics of increased resources，construction efficiency and cost for single working face of tunnel excavation and drilling procedure

根据表3数据画出经济配置系数与冗余系数之间关系曲线(图1)。由表3可知，随着冗余资源程度增加，Kj逐渐增大，达到一定程度以后，Kj逐渐减小。当冗余系数Kr取值使经济配置系数Kj最大，则该冗余系数下人员配置最优最经济，从而可确定出该工程人员冗余配置系数Kr为1.20。根据人员冗余配置系数进行人员配置，结合现场实际，确定设备冗余配置系数。

图1 经济配置系数与冗余系数关系曲线Fig.1 Relation curve of economic allocation coefficient and redundancy coefficient

3.1.2 冗余资源配置

根据投标时人员和机械设备配置数量，对德罗引水隧洞涉及的开挖支护、衬砌、回填固结灌浆工序进行冗余资源配置：

投标人员配置数量×冗余系数=冗余人员配置数量

投标设备配置数量×冗余系数=冗余设备配置数量

综合考虑冗余资源配置及设备选型可得出德罗引水隧洞施工主要人员和设备最终配置，见表4，5。

表4 投标时与考虑冗余系数德罗隧洞人员配置对比Tab.4 Comparison of personnel allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient 人

表5 投标时与考虑冗余系数时德罗隧洞设备配置对比Tab.5 Comparison of equipment allocation in Deluo tunnel when bidding and considering redundancy coefficient

3.2 动态流水施工组织措施

根据高寒高海拔地区人员因长时间在缺氧、恶劣条件下工作导致效率低的特点，德罗引水隧洞在施工组织方面采取了动态流水施工组织措施。

3.2.1 资源组织方式

按照德罗隧洞各项施工内容，根据不同施工工序，配备不同工种人员和设备，做到资源的精准配置。

3.2.2 工序定时

根据目前同类型工程施工工效，结合德罗引水隧洞施工环境和特点，每个工序完成时间(如在洞挖阶段，每个循环进尺钻孔工序定时3 h)，以工序时间的控制来缩短每个施工循环时间，达到加快施工进度的目的，德罗引水隧洞主要工序时间见表6。

表6 工序定时统计Tab.6 Operation time statistics

3.2.3 工序无缝衔接

依靠对讲机结合有线电话的施工通讯管理系统，制定了无缝衔接交接班制度。要求工序连接的两个班组之间各安排一人负责联络以确定合适的交接班时间。各工序班组严格按照无缝交接班制度进行交接班，确保工序衔接紧密，有效加快施工进度。无缝衔接交接班制度主要内容及目的见表7。

表7 无缝衔接交接班主要内容Tab.7 Main contents of nonstop shift handover

3.2.4 经济辅助措施

采用工序进度激励措施，即以每个工序为单位，制定进度激励措施，完成前述工序进度，工序班组即可获得进度奖励，该措施有效提高施工人员积极性，达到加快施工进度的目的。

3.3 长隧洞单体携氧配合洞内集中点供氧

采用单体携氧配合洞内集中点供氧的供氧方式进行施工常态供氧，以高压氧仓进行应急供氧。

单体携氧是施工人员携带氧气瓶在紧急情况下对自身供氧。设备简单，氧气利用率高。但是容量小，作业时携带不便，现场作业时只能放置于作业面附近，适用于临时供氧。

洞内集中点供氧是根据施工进度沿隧洞纵向布置供氧点，随着施工进程的变化逐渐增加或移动供氧位置，使施工人员可轮换休息，不需要出洞就可以到集中点吸氧调节。

3.3.1 供氧设备选择

中国成年男子最大吸氧量绝对值约为3.0～3.5 L/min，施工高峰期按照作业面20人的供氧需求进行集中点供氧配置，供氧需求为3.5×20×60=4 200 L，即单位供养量为4.2 m3/h。

与0海拔高程地区相比，4 000 m海拔空气含氧量降低30.5%，考虑制氧效率降低30.5%，需氧量为4.2+4.2×30.5%=5.481 m3/h。根据供氧量大于需氧量的原则。选择了湖南泰瑞医疗科技有限公司的MZ-10制氧机，产氧量能达到10 m3/h。

3.3.2 供氧线路及站点布置

现场安装时，因洞内氧含量低(经检测，德罗引水隧洞氧含量平均为10.5%左右)，选择将空压机与风机部分连接，形成完善的制氧系统，制氧系统见图2。

图2 制氧系统Fig.2 Oxygen generation system diagram

3.4 底板预留保护层+钢垫板开挖方法

针对底板泥化软化现象，德罗引水隧洞施工时采取预留保护层+钢垫板开挖方法，对底板围岩进行双重保护措施，具体如下。

3.4.1 预留保护层开挖施工

德罗引水隧洞采用全断面钻爆开挖方法。在开挖施工初期，根据部分开挖洞段底板实际泥化深度，为避免预留保护层过大导致底板清理后欠挖、后期处理难度大，经过不断实践，采取了底板预留50 cm不进行开挖。并且，根据局部洞段地下水较多情况，适当加大预留保护层的厚度。

3.4.2 钢垫板施工

开挖完成后，立即在底板预留保护层上铺设钢垫板。因钢垫板需要承受机械设备碾压，选用钢垫板型号为1.5 m×6.0 m×1.2 cm(宽×长×高)的钢板。钢垫板上设置防滑纹，采用Φ22螺纹钢筋焊接于钢板上侧，单根钢筋长度1.5 m，钢筋间距40 cm，采用两块钢板并排沿隧洞方向连续铺设。这种方式能保证保护层受力均匀，并给施工机械及运输车辆的行走提供了临时施工平台，减少了淤泥对施工机械的侵蚀，提高了机械行驶速度，同时给人员进出隧洞及作业创造了较为干燥的环境，提高施工人员效率。

3.5 实施效果

由于采取了各项措施，西藏拉洛水利枢纽工程德罗引水隧洞施工降效影响程度得到了显著降低。在频繁发生塌方变形、高寒缺氧的复杂施工条件下，提高了施工进度和资源配合的合理性，有效降低了施工成本，按期完成了德罗引水隧洞施工。

4 结 语

本文分析了西藏拉洛水利枢纽工程德罗引水隧洞施工人员设备降效的主要原因，根据分析结果，结合工程现场实际，提出施工过程中采用冗余资源配置、动态流水施工组织等应对措施，使施工效率和资源实现了最佳配置，取得了良好效果，有效保证了施工进度。通过该工程施工总结，形成了比较系统且具有一定创新性的高寒高海拔地区软岩长隧洞施工降效应对措施，可为类似工程提供借鉴。