談長大鐵路隧道快速施工

高永林

(中鐵三局運輸工程分公司，山西晉中 030600)

0 引言

目前，國內(nèi)外鐵路隧道的數(shù)量不斷增加，長度及斷面在逐步突破，隧道施工技術(shù)也在進步并走向成熟，修建鐵路隧道已不再單純依靠鉆爆法進行施工。但是礦山法仍是修建山嶺隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。隨著科學的進步，隧道施工隊伍的素質(zhì)和管理水平也在不斷提高，隧道施工、測量及檢測新設備的不斷采用，傳統(tǒng)的施工方法也在向符合快速、安全、質(zhì)量及環(huán)境的方向轉(zhuǎn)變。因此，改造和完善礦山法及其相關施工技術(shù)，總結(jié)施工經(jīng)驗仍是形勢發(fā)展的需要。

1 研究目的和意義

我國鐵路隧道隨著科學技術(shù)的進步和生產(chǎn)管理水平的提高，修筑山嶺隧道的能力不斷增長，修建隧道的規(guī)模和長度日益增加。在鐵路線路建設中隧道一般為施工的關鍵環(huán)節(jié)，往往影響整個工程的進度。長大鐵路隧道施工空間有限，施工中相互干擾較大，在當前鐵路建設工期大幅度壓縮的情況下，提高長大鐵路隧道施工成洞速率和工程質(zhì)量，提高施工進度，使隧道提前于合同工期建成顯得尤為重要。

2 工藝原理

GPS及全站儀等精密儀器進行控制測量保證能夠提高工效并能使隧道達到理想的測量精度;隧道洞外控制測量，控制點布設要合理，洞內(nèi)導線點布設在施工干擾小，通視良好及穩(wěn)固可靠之處，測量應與其他工序交叉進行，以減少測量占用循環(huán)時間;

全斷面光面控制爆破能夠控制隧道超欠挖，保證開挖質(zhì)量，加快施工進度，為后續(xù)施工打好基礎、創(chuàng)造條件;在施工中應優(yōu)化爆破參數(shù)設計，優(yōu)先考慮操作簡單、性能良好且精度高的施工機械，測量檢測儀器以及爆破器材;

保證良好的隧道施工作業(yè)環(huán)境，維護作業(yè)人員身心健康，提高施工效率。推行標準化作業(yè)并經(jīng)常加強作業(yè)人員職業(yè)技能的培訓。

運輸出碴機械選型要匹配，施工過程中要據(jù)施工變化，適時調(diào)整機械配置，運輸通道要確保其良好狀態(tài);施工時各工序緊密銜接，形成流水作業(yè)。

3 施工工藝要點

3.1 隧道測量放線

山嶺隧道測量工作量大，合理的施測方案，有效的施測質(zhì)量控制措施，能大大縮短測量時間，達到最優(yōu)施測效果，保證隧道高精度貫通。

1)洞外平面控制測量。在隧道出、入口建立平面控制網(wǎng)(三角網(wǎng)、導線網(wǎng)等)，布設不少于4個控制點，以便于校核。其中一點要觀測到洞內(nèi)第一個控制點，定向邊要大于洞內(nèi)導線邊長。控制點均布置在視野開闊、通視良好、穩(wěn)固可靠的地方，并應使視線超越面和旁離障礙物1 m以上。視線應避免通過受電、磁場干擾的地方，一般要求離開高壓線2 m～5 m，視線宜避免通過發(fā)熱體(如散熱塔、煙囪等)。洞外平面控制測量采用GPS系統(tǒng)測量，控制網(wǎng)采用4臺雙頻GPS接收機。

2)洞內(nèi)平面控制測量。洞內(nèi)平面控制測量采用等邊閉合導線環(huán)網(wǎng)。由洞外向洞內(nèi)引測，應在陰天和夜晚進行。洞內(nèi)導線點布設應盡可能的靠近線路中線，導線邊長度控制在400 m～430 m為宜，導線邊過短增加累計誤差影響貫通精度，導線邊過長洞內(nèi)透視效果差影響測量準確性。測量應在施工干擾小時段進行，并保證通風、照明及通訊設備良好，為使測量達到有足夠的清晰明亮度建議使用碘鎢燈作為照明設備。測量采取多次重新置中，并采用雙照準法以減少誤差。洞內(nèi)導線測量采用精度為1″的全站儀施測。

3)高程控制測量。洞外高程控制測量采用精密水準測量，以保證隧道貫通誤差盡可能的小，洞內(nèi)高程控制測量采用三等水準進行施測。

4)施工放樣測量。洞內(nèi)每隔一段距離在墻上釘四個點，據(jù)洞內(nèi)導線控制點及高程控制點測出其坐標及高程。出碴完后在掌子面20 m～30 m處任意點置鏡，后視墻上四個點，采用后方交匯法計算放線資料。計算采用已設好程序的智能計算機手簿現(xiàn)場計算。測量采用全站儀，由紅外線照準掌子面放出輪廓線及其他各點。此方法可大大縮短放線時間，每次20 min即可完成(即在風槍班排險準備期間即可完成)。

5)貫通測量。在貫通面處埋設一點，由進洞的兩個方向，各自測量該點的坐標，所得的閉合差投影至貫通面及其垂直的方向上，即得實際的橫向和縱向貫通誤差。

高程貫通誤差也由兩端測至貫通面的同一水準點上，所測的高程差值即為實際的高程貫通誤差。

運用以上測量方法所得的實際貫通誤差一般較小，可不做調(diào)整或簡易平差后稍作調(diào)整即可，節(jié)省了測量時間，不至于干擾關鍵工序的正常施工。

3.2 全斷面光面控制爆破

隧道施工中利用光面爆破施工工藝是隧道新奧法施工的關鍵技術(shù)，光面爆破效果直接關系到隧道開挖質(zhì)量的好壞、施工進度的快慢以及其自身的穩(wěn)定性。在開挖過程中，由爆破引起的超欠挖是不可避免的，超挖引起多裝，多出碴，超挖空間還要用混凝土回填;欠挖則要清除。從而造成人工材料的超額消費，循環(huán)時間加大，并且超欠挖也給后續(xù)工序造成困難，并影響其進度。但是超欠挖是可以控制的，良好的爆破技術(shù)可以使超欠挖控制在一定的水平之內(nèi)，具體控制超欠挖的工藝有以下幾點:

1)鉆孔速度及精度。掌子面鑿眼采用YT-28氣腿式鑿巖機，為加快鑿眼速度，便于鉆工全斷面展開，可制作多功能簡易鉆孔臺架，可使15臺鉆機同時施鉆。簡易臺架可據(jù)斷面大小及炮眼布置情況設置3層～4層，底層空間應大，上面幾層可設置伸縮裝置。臺架采用工字鋼、鋼管及鋼筋焊接而成，其穩(wěn)定性應予以檢算。臺架上安裝有高壓、照明配電盒及照明燈具、風槍及其配件等配套設施。開鉆時，用裝載機將臺架抬至工作面，可大大節(jié)省時間，并且各臺鉆機分區(qū)域施鉆，互不干擾，提高了鑿眼效率。

鉆孔技術(shù)對光爆質(zhì)量有重要的影響，周邊炮孔的外插角θ，開口位置e和鉆孔深度L，它們與超欠挖高度h由公式表示為:

由上式可知，外插角θ和鉆孔深度L增大，則超欠挖現(xiàn)象就增大。故鉆孔中應控制鉆孔深度及周邊炮孔的外插角。鉆孔深度目前一般取3 m～3.5 m較合理。周邊炮孔外插角為3°～5°，并應讓操作水平高，有責任心的鉆工施鉆。炮眼鉆孔后，用高壓氣體進行清孔。

2)光面爆破設計。光面爆破起爆順序:掏槽炮→擴槽炮→內(nèi)圈炮→周邊炮→底板炮。

掏槽采用三級楔形斜孔掏槽，底部炮眼長度的1/3處裝高威力炸藥，上部換成低威力炸藥，頂部保留20%炮眼長度，采用炮泥進行堵塞。掏槽眼布置在開挖斷面的中央稍靠下部，以使底部巖石破碎，減少飛石。

周邊炮眼間距E的大小對光爆效果也有一定的影響，較小的E有助于減少超挖，并提高輪廓的光滑性。而最小抵抗線W則是處于某一范圍內(nèi)，才能使超挖控制在目標范圍內(nèi)。因此為獲得較小的超挖和光滑的輪廓線，相對間距E/W應處于合理范圍內(nèi)。一般圍巖較好的隧道合理相對間距E/W=0.7～1.0，周邊孔間距E=45 cm～65 cm，最小抵抗線W=60～80。

周邊眼應用導爆索從拱部向兩邊一次并聯(lián)在一起，引爆時使得爆炸力沿炮眼均勻分布，爆炸后輪廓線圓滑、平順，半眼保存率能達到80%以上。

光爆爆破方法采用控制爆破能有效控制超欠挖。裝藥方法采用小直徑藥卷連續(xù)裝藥對控制超欠挖效果最好，間隔裝藥次之。

3)地質(zhì)超前預報。隧道施工過程也是圍巖地質(zhì)條件不斷變化的過程，地質(zhì)條件是確定施工方法、支護參數(shù)、爆破參數(shù)的基本依據(jù)。為此在施工中應采用掌子面觀察的方法繪制掌子面地質(zhì)素描圖，對圍巖地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙狀態(tài)進行預測，必要時采用地質(zhì)超前預報。據(jù)預測、預報資料調(diào)整爆破參數(shù)和施工方法，爭取最佳的開挖效果。

4)開挖控制?？刂瞥吠谥饕情_挖輪廓線的精度要控制好，為此要保證中線和標高的準確。放線精度不夠?qū)⒁饠嗝娴恼w偏移，造成一側(cè)欠挖一側(cè)超挖。因此采用高精度測量和具有責任心的測量人員是防止發(fā)生上述問題的必要措施。

5)爆破質(zhì)量管理。在施工中，完善系統(tǒng)的質(zhì)量保證體系能夠把眾多的因素置于可控狀態(tài)，達到隧道施工的基本要求。在爆破質(zhì)量管理中，應通過工程類比和現(xiàn)場實驗優(yōu)化爆破參數(shù)設計;優(yōu)先考慮操作簡單、性能良好且精度高的鉆孔機械，測量檢測儀器以及爆破器材;推行標準化作業(yè)并經(jīng)常加強作業(yè)人員職業(yè)技能、質(zhì)量安全意識和責任心的教育。

3.3 保證良好的施工環(huán)境

重視環(huán)境是時代的要求，良好的隧道施工作業(yè)環(huán)境是保證隧道工程質(zhì)量、提高施工效率、維護作業(yè)人員身心健康、實現(xiàn)標準化施工的重要條件。

1)良好的通風環(huán)境。在隧道施工中，影響作業(yè)環(huán)境的因素主要有鉆孔、爆破、裝碴、運碴和噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵;爆炸產(chǎn)生的有害氣體;施工機械產(chǎn)生的廢氣;地熱、混凝土水化熱、機械排放的熱量以及噪聲等。粉塵是惡化洞內(nèi)環(huán)境的主要因素。

為使洞內(nèi)形成一個能滿足施工作業(yè)安全，提高工作效率的舒適環(huán)境，最根本的措施是消除和減少發(fā)生源。其中采用通風是改善作業(yè)環(huán)境的最重要方法。對于長大隧道，通風是制約進度的關鍵。

通風是把洞內(nèi)的污染空氣排出洞外，送入洞外新鮮空氣以達到作業(yè)環(huán)境標準。通風優(yōu)先采用壓入式通風方式，通風設備采用變級多速隧道風機，保證有足夠的風壓及風量。通風管采用直徑為1.3 m或1.5 m且漏風率低，摩阻系數(shù)小的高強通風軟管，并盡可能采用節(jié)長較長的風管，以減少接頭數(shù)量及漏風量。

通風管理水平是影響通風質(zhì)量的關鍵因素之一，要以“合理布局，優(yōu)化匹配，防漏降阻，嚴格管理，確保效果”為通風管理的指導原則。建立專門的通風班組，要嚴防風管接頭漏風，局部破損部位及時粘補，管路安裝做到平、直、穩(wěn)、緊、不彎曲、不褶皺，減少風阻力。

單純依靠通風的方法不能從根本上解決洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，還必須輔以集塵及其他措施，集塵可采用多種方法如灑水、噴霧等，最有效的方法是采用集塵機，即在粉塵發(fā)生源附近設置集塵機，在粉塵未擴散前有效地撲集粉塵。另外還應采用濕式鑿巖、沖洗巖壁等其他降塵措施。

2)足夠的施工照明。隧道內(nèi)施工照明和通風一樣是不可缺少的。照明設備要確保有充足的亮度，進行作業(yè)的工作面要確保足夠的照明，通道區(qū)間也要有保證正常通行、道路維修等其他作業(yè)的照明。作業(yè)面照明要固定照明和移動照明相配合。危險地點要設警戒標志燈。為保證停電時安全，要設置應急燈及攜帶式照明燈具。

3)合理的降噪措施。隧道施工的噪聲會使人產(chǎn)生不舒適感，長時間在噪聲中施工會造成聽覺疾病。從而降低作業(yè)效率，渙散注意力，誘發(fā)事故。因此施工機械設備盡可能選用噪聲低的設備，并應采取安裝消聲器，防震裝置等降噪措施，洞內(nèi)的施工機械應加設隔音罩、隔音墻，爆破施工要限定放炮時間，設置隔音門。

3.4 科學合理的施工組織

科學合理的施工組織，能夠使施工質(zhì)量上乘成本下降，施工快速井然有序，杜絕災害性事故的發(fā)生。

出碴運輸作業(yè)是隧道施工中的關鍵工序，為加快出碴時間，縮短循環(huán)時間，科學合理的運輸出碴方案顯得尤為重要。運輸出碴機械選型必須匹配，盡可能使用速度快，一次出碴量大的機械，并根據(jù)施工過程中的動態(tài)變化，適時調(diào)整機械配置，充分發(fā)揮綜合機械化施工的能力。在斷面較小的隧道中出碴時不易錯車，可將小避車洞每間隔60 m進行擴挖改造，達到錯車要求，保證了出碴速度。

機械設備應加強維修管理，使機械經(jīng)常處于“備戰(zhàn)”狀態(tài)。運輸通道的良好狀態(tài)，是保證快速出碴的必要條件，故運輸通道必須經(jīng)常派人維修保養(yǎng)。出碴期間排除一切阻路干擾，保證機械效率的充分發(fā)揮。棄碴場的位置應優(yōu)先選擇洞口附近地帶，以節(jié)省運輸時間。若條件不具備可采用二次倒運的方法，縮短出碴時間。

其次，施工隊伍應加強管理，隧道施工循環(huán)作業(yè)性強，為此應分工明確，責任到人，施工時分區(qū)、定人，鉆眼、裝藥、爆破、通風及出碴，每個工序的作業(yè)人員基本固定，各工序緊密銜接，形成流水作業(yè)，并實行考核獎罰制度，提高施工人員積極性，加快進度。管理人員應發(fā)掘施工人員的潛力，培養(yǎng)他們成為各種技術(shù)都精通的綜合性人才，成為一支具有技術(shù)競爭力的專業(yè)化隊伍。

4 結(jié)語

鐵路隧道作為一種地下構(gòu)筑物，其隱蔽性、地質(zhì)情況的不確定性、作業(yè)空間有限等施工特性決定了隧道施工還有很多問題需要解決。長大鐵路隧道快速施工采用GPS及全站儀等精密儀器進行控制測量提高工效并能使隧道達到理想的測量精度;采用全斷面光面控制爆破施工工藝，保證隧道開挖質(zhì)量，使超欠挖控制在一定的水平之內(nèi)，保證隧道施工進度的快速以及圍巖自身的穩(wěn)定性;改善隧道施工作業(yè)環(huán)境，提高了施工效率、維護作業(yè)人員身心健康、實現(xiàn)了標準化施工。采用本隧道快速施工工藝能提高長大鐵路隧道施工質(zhì)量，加快施工進度，縮短循環(huán)時間，降低施工成本，取得了較好的社會效益，經(jīng)濟效益以及工期效益。

［1］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 國家、鐵道部有關規(guī)范及標準［S］.