煤建項(xiàng)目特殊斷面隧道風(fēng)險(xiǎn)管控及施工組織

郭洪濤 ，柴相慶 （中鐵四局工程建設(shè)分公司，陜西 西安 710100）

1 工程概況

核桃峪煤礦是由華能甘肅能源開發(fā)有限公司投資興建的大型煤礦，主井位于慶陽市正寧縣周家鄉(xiāng)一里灣附近。本次新建工程項(xiàng)目為核桃峪主斜井工業(yè)場地至米家溝選煤廠帶式輸送機(jī)工程，帶式輸送機(jī)從主井二號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)起，至選煤廠受煤倉上口。具體方案是從核桃峪主斜井工業(yè)場地2＃轉(zhuǎn)載點(diǎn)至米家溝選煤廠受煤倉布置一條直線帶式輸送機(jī)。棧橋出主斜井工業(yè)場地后，跨過無日天溝溝口和X205道路；進(jìn)入政平村隧道，出隧道后向西斜跨涇河，利用棧橋跨河后穿越米家坡隧道，在排矸公路護(hù)坡臺(tái)階下穿出后，利用棧橋接入米家溝選煤廠受煤倉。本工程包含3座棧橋、2條隧道。政平書院段（長度312m）及米家坡段（長度848m）為隧道部分，其余為地面棧橋，線路全長約2417m。

圖1 工程總平面圖（衛(wèi)星圖）

2 設(shè)計(jì)概況

本工程隧道成型尺寸4m×3.6m，政平隧道為黃土隧道，埋深4m～35m，米家坡隧道出口段（200m）為黃土隧道，剩余均處于中/弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，其中米家坡隧道出口段為長度14m（坡度28.675%）下坡以圓曲線（半徑801.5m）接0.4%平洞。黃土隧道及中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖區(qū)段初支采用錨網(wǎng)噴射混凝土+11#礦用工字鋼結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化砂質(zhì)泥巖區(qū)段初支采用錨網(wǎng)噴射混凝土結(jié)構(gòu)。黃土隧道及中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖段設(shè)有350mm～500mm二襯混凝土，其余區(qū)段無二次襯砌。

圖2 隧道凈斷面布置圖

圖3 米家坡隧道出口大坡度段縱斷面圖

3 工程重難點(diǎn)分析

由于開挖斷面較小及米家坡隧道出口段坡度較大，本工程施工存在以下重難點(diǎn)：

①隧道成型斷面小，施工組織困難，不具備大型機(jī)械的施工條件，施工過程中各工序施工效率低，施工組織難度較大；

②米家坡隧道在出口段200m范圍內(nèi)為黃土隧道，其余為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，在土石交界隧道的開挖過程中，下部石方開挖對頂部黃土造成擾動(dòng)，頂部存在坍塌冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)；

③米家坡隧道出口28.67%的大坡度段，施工二襯時(shí)襯砌臺(tái)車存在“溜車”、“翹頭”風(fēng)險(xiǎn)；

④米家坡隧道出口段部分隧道埋深小于3倍洞徑，最小處埋深約1倍洞徑，隧道頂部有排矸公路，重載車輛較多，開挖及車輛通行對淺埋覆土擾動(dòng)較大，施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；

⑤洞內(nèi)材料運(yùn)輸機(jī)械行走及出渣機(jī)械大坡度段行駛，存在視線不清、遇剎車失靈等情況，如措施不當(dāng)可能會(huì)造成較嚴(yán)重的機(jī)械傷害事故。

與常見公路鐵路隧道相比，本工程隧道內(nèi)施工空間有限，地質(zhì)條件較復(fù)雜，坡度變化較大，在施工機(jī)械選用、臨時(shí)設(shè)施布置、材料進(jìn)出洞運(yùn)輸?shù)确矫嫘栌嗅槍π源胧谑┕ぐ踩L(fēng)險(xiǎn)識(shí)別控制及施工組織方面存在較大的不同，在本項(xiàng)目特殊隧道如何安全、高效地施工，具有很大的研究價(jià)值。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判及控制措施

如下表所示。

5 施工組織分析

5.1 開挖

本工程隧道圍巖主要為黃土狀粉砂土和砂質(zhì)泥巖，開挖范圍內(nèi)無地下水，基巖段僅存在少量裂隙水，開挖可不考慮地下水影響。分析勘察資料各地層工程特性，黃土段隧道采用機(jī)械開挖，基巖段隧道采用爆破開挖。

黃土隧道開挖綜合考慮圍巖特性及隧道斷面尺寸，開挖機(jī)械應(yīng)滿足具備足夠開挖功率、適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)空間及工作高度，經(jīng)查閱各型號(hào)機(jī)械工作參數(shù)，黃土隧道開挖選用75型反鏟挖掘機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證此型號(hào)挖掘機(jī)可很好滿足開挖要求。黃土狀粉砂土自穩(wěn)性較差，受外界擾動(dòng)易產(chǎn)生掉塊，針對此種現(xiàn)象，開挖過程中應(yīng)減少擾動(dòng)，首先開挖隧道外輪廓，中間預(yù)留核心土對掌子面進(jìn)行反壓穩(wěn)定，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐此方法可有效控制掉塊失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)黃土密實(shí)程度，每循環(huán)開挖進(jìn)尺宜控制在1.2m～1.6m為宜，開挖進(jìn)尺不宜過大。

安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判及控制措施

圖4 土石復(fù)合地層示意圖

巖石段隧道開挖，需根據(jù)不同的巖性調(diào)整爆破參數(shù)，從而有更好的爆破效果。本工程隧道斷面小，鑿巖機(jī)工作空間較小，炮眼角度不易控制，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)，每循環(huán)進(jìn)尺以2.0m～2.3m最為經(jīng)濟(jì)合理，循環(huán)進(jìn)尺過長，爆破輪廓差，襯砌材料浪費(fèi)嚴(yán)重且噴射混凝土工序時(shí)間增加，循環(huán)時(shí)長延長。

5.2 出渣

圖6 黃土隧道開挖圖

圖5 大坡度段隧道開挖

政平隧道采用單頭掘進(jìn)，米家坡隧道采用雙頭掘進(jìn)，每端開挖最大長度約400m，根據(jù)隧道斷面尺寸及每循環(huán)進(jìn)尺，每循環(huán)出渣量約40m3。因隧道斷面寬度為4m，常用隧道裝渣設(shè)備無法掉頭和會(huì)車，施工前制定了3種出渣方案，方案1：采用扒渣機(jī)+輸送皮帶進(jìn)行出渣；方案2：采用扒渣機(jī)+小型運(yùn)輸車出渣；方案3：采用50型裝載機(jī)出渣。從經(jīng)濟(jì)性、施工組織效率性、實(shí)用性3方面綜合比對，一般施工機(jī)械不具備在滿載的情況下爬陡坡能力，結(jié)合自有機(jī)械情況，最終選用50裝載機(jī)出渣，經(jīng)分析對比，此種出渣方式在500m范圍內(nèi)實(shí)用性較強(qiáng)、效率較好，超過500m不經(jīng)濟(jì)，可選用其它方式出渣。

5.3 通風(fēng)

圖7 爆破進(jìn)尺參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖8 各出渣方案耗時(shí)及成本分析統(tǒng)計(jì)

因隧道寬度和高度限制，成型段隧道在布置完風(fēng)、水、電管路后，凈空變小，起初隧道通風(fēng)采用600mm柔性通風(fēng)帶進(jìn)行通風(fēng)，但施工過程中因出渣和材料運(yùn)輸，風(fēng)帶經(jīng)常出現(xiàn)剮蹭破損，修補(bǔ)工做頻繁且風(fēng)量損失較大，施工效率下降，開挖距離增大后通風(fēng)量已不能保證掌子面供風(fēng)需求。經(jīng)多次試驗(yàn)，采用300mmPE波紋管進(jìn)行隧道內(nèi)通風(fēng)效果良好，運(yùn)輸過程中小碰撞不會(huì)導(dǎo)致風(fēng)管破損，安裝較為方便，風(fēng)量損失小，開挖至400m后，現(xiàn)場采用儀器測量，風(fēng)量、風(fēng)速均滿足通風(fēng)要求。通過使用成本對比分析，采用波紋管通風(fēng)與常用柔性風(fēng)帶通風(fēng)成本投入相當(dāng)，且波紋管可多次重復(fù)使用，使用完畢處置后還可回收部分成本。綜上：小斷面隧道采用此類型通風(fēng)管道經(jīng)濟(jì)合理，在同類型工程中具有較大推廣使用價(jià)值。

5.4 材料運(yùn)輸

圖9 調(diào)車硐室布置示意圖

隧道內(nèi)主要使用的材料有型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、連接筋、錨桿、噴混料等，因隧道斷面小，各種機(jī)械及運(yùn)輸車輛無法在洞內(nèi)會(huì)車。因此隧道內(nèi)每隔200m設(shè)置調(diào)車硐室一處，調(diào)車硐室長度5.0m、凈寬5.0m、凈高4.0m。隨著隧道進(jìn)尺加長，運(yùn)輸機(jī)具進(jìn)出洞運(yùn)距越來越長，設(shè)置調(diào)車硐室可大大節(jié)約每循環(huán)時(shí)間，提高運(yùn)輸工作效率，使用完后的工作臺(tái)架、小器具等，均可以放置到調(diào)車硐室內(nèi)。

圖10 頂板受力分解示意圖

圖11 迎山角β示意圖

6 大坡度段隧道施工要點(diǎn)分析

6.1 大坡度段鋼架安裝

在傾斜隧道內(nèi)，隧道頂部壓力主要為上部圍巖重力，受力方向垂直向下。頂部壓力P可分解為2個(gè)方向的力，一個(gè)是平行于頂板的斜向力P1、另一個(gè)是垂直頂板的垂直壓力P2。因此斜向隧道的拱架既要承受垂直壓力，又要承受平行于頂板的推力。因此斜向隧道的拱架不能垂直于底板的方向去架設(shè)，須向上迎一個(gè)角度β，克服平行于頂板的推力，把柱腿中心線與頂?shù)装宸ň€之間的夾角稱為迎山角，拱架的迎山角是克服拱架向下傾倒重要的措施之一。

迎山角的計(jì)算方法：拱架的迎山角β，是通過隧道的傾角α來計(jì)算，一般迎山角β取傾斜角的1/6～1/8。即β=α×（1/6～1/8）。在煤礦術(shù)語中將迎山角過大稱為過山，迎山角過小稱為退山，過山或退山都將會(huì)影響到拱架的支撐效果，是不允許的。

通過以上論述可知，拱架的實(shí)際控制角度（拱架與豎直方向夾角）值γ=αβ。

α：第x榀拱架拱腳處里程點(diǎn)切線與水平面的夾角；

β：第x榀拱架拱腳處里程點(diǎn)迎山角。

圖12 現(xiàn)場拱架安裝迎山角控制

6.2 大坡度運(yùn)輸管理

大坡度段一旦運(yùn)輸機(jī)械出現(xiàn)剎車失靈，將存在溜車的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的安全隱患，因此針對大坡度段運(yùn)輸制定了各項(xiàng)措施。①隧道洞口頂部安裝紅綠燈，洞內(nèi)工作面安裝警鈴，紅綠燈與警鈴信號(hào)相互串聯(lián)。②在裝載機(jī)進(jìn)出洞運(yùn)輸時(shí)，洞外人員不可進(jìn)洞作業(yè)，裝載機(jī)進(jìn)洞前洞外人員可通過對講機(jī)通知洞內(nèi)人員全部撤出只留防護(hù)人員，由防護(hù)人員確保各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完善后，操作警示燈開關(guān)，隧道內(nèi)警鈴響及隧道洞口處警示燈亮為綠燈，裝載機(jī)方可進(jìn)洞。防護(hù)人員在裝載機(jī)進(jìn)隧道時(shí)，在躲避硐室內(nèi)進(jìn)行躲避。③裝載機(jī)作業(yè)完畢后，防護(hù)人員開啟警鈴，洞口警示燈變?yōu)榧t燈，機(jī)械嚴(yán)禁入內(nèi)。④隧道內(nèi)兩側(cè)約30m～50m位置提前準(zhǔn)備枕木，如遇裝載機(jī)剎車失靈時(shí)的突發(fā)情況，枕木可作為緊急制動(dòng)設(shè)施。⑤裝載機(jī)在進(jìn)場時(shí)由專業(yè)人員檢查裝載機(jī)的狀態(tài)及性能，堅(jiān)決不使用老機(jī)器、翻新機(jī)器。⑥裝載機(jī)進(jìn)場驗(yàn)收通過后前輪安裝防滑鏈，增加裝載機(jī)的爬坡能力及抗滑移能力。⑦在裝載機(jī)進(jìn)出洞時(shí)，做到“行車不行人，行人不行車”。

圖13 隧道洞口警示燈

圖14 裝載機(jī)安裝防滑鏈

6.3 大坡度二次襯砌施工

在大坡度二襯施工中，二襯臺(tái)車在移動(dòng)和混凝土澆筑時(shí)受臺(tái)車、混凝土自重在仰拱方向的分力影響，二襯臺(tái)車有向前滑動(dòng)和翹尾的趨勢，對二襯施工安全十分不利，因此需制定措施保障臺(tái)車的穩(wěn)定。本工程在臺(tái)車設(shè)計(jì)時(shí)，針對上述不利工況，從以下幾個(gè)方面做出設(shè)計(jì)加強(qiáng)：①增大臺(tái)車行走電機(jī)功率，采用斷電自鎖電機(jī)，增加臺(tái)車移動(dòng)時(shí)自身行走能力和停止時(shí)自穩(wěn)能力；②尾部增加尾梁通過可調(diào)整絲杠與上一板混凝土密貼，抵消重力產(chǎn)生的彎轉(zhuǎn)力矩，并通過尾梁與已澆筑混凝土間的摩擦力抵消部分滑動(dòng)力；③臺(tái)車底部設(shè)置地錨裝置，與澆筑仰拱時(shí)預(yù)埋鋼筋焊接，增加臺(tái)車的穩(wěn)定性；④洞外中線位置處安裝10t卷揚(yáng)機(jī)通過20mm鋼絲繩定滑輪與動(dòng)滑輪組合使用，牽引臺(tái)車移動(dòng)。

施工過程中為增加安全系數(shù)，在臺(tái)車行駛至指定位置時(shí)，將下置基礎(chǔ)千斤絲桿擰緊壓實(shí)，前后行走輪用楔形鐵塊卡住，并使用鋼軌夾夾住，撐地絲桿全部撐牢固，鋼軌固定好，同時(shí)在第一板二襯混凝土澆筑時(shí)上好抗浮千斤，以確保其襯砌狀態(tài)的穩(wěn)定性。在臺(tái)車移動(dòng)的過程中，全部人員撤離至臺(tái)車前端，臺(tái)車后端嚴(yán)禁站人，以防意外發(fā)生。為了確保臺(tái)車行走安全，卷揚(yáng)機(jī)需定期保養(yǎng)勤換液壓油，每次使用前檢查卷揚(yáng)機(jī)的狀態(tài)是否良好，經(jīng)常檢查鋼絲繩狀況，并涂潤滑油保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)有斷股情況立即更換。

圖15 大坡度二襯臺(tái)車示意圖

圖16 三輪攪拌運(yùn)輸車

二襯混凝土運(yùn)輸受隧道高度及大坡度制約，常用混凝土運(yùn)輸車無法至工作面，采用地泵配合三輪攪拌車進(jìn)行混凝土運(yùn)輸，采用地泵應(yīng)合理安排單次澆筑長度和方量，避免中間間隔過長造成堵管以及混凝土浪費(fèi)。仰拱及仰拱回填每延米約1.5m3，地泵泵管拆卸耗時(shí)長、勞動(dòng)強(qiáng)度大，選用運(yùn)輸三輪攪拌車可滿足混凝土澆筑需要。由于隧道出口段為28.675%大坡后接半徑為801.5m的圓曲線，為了保證線形，二襯每次澆筑長度不易過長，臺(tái)車長度定制為10.5m，仰拱每次澆筑控制在18m內(nèi)，在圓曲線段澆筑完成后可根據(jù)實(shí)際情況加大仰拱的澆筑長度。

7 結(jié)語

小斷面大坡度隧道施工，在安全管理和施工組織方面與鐵路公路隧道施工存在較多特殊性，通過對風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有針對性的措施，例如增加隧道內(nèi)警鈴及隧道口的紅綠警示燈等安全防護(hù)設(shè)施，襯砌臺(tái)車的防滑溜卷揚(yáng)機(jī)、抗浮千斤頂、尾梁、地錨、夾軌器等的附加安全設(shè)計(jì)，可將施工風(fēng)險(xiǎn)納入可控范圍。針對特殊隧道的工況，有針對性選用適應(yīng)性較好的機(jī)械、設(shè)備不僅可加快施工進(jìn)度，還可有效降低成本投入，再輔以調(diào)車硐室、避人洞等措施，可有效縮短每循環(huán)的施工時(shí)間，極大的提高生產(chǎn)效率。在同類型隧道中本工程一些做法，可推廣借鑒使用。