特長小斷面隧道快速施工技術(shù)研究

郭永忠/GUO Yong-zhong

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

1 工程概況

浩吉鐵路（原蒙華鐵路）北起內(nèi)蒙古浩勒報吉，南至江西吉安，全長1806.5km，全線隧道共計228 座，總長457.504km。

崤山隧道為浩吉鐵路全線最長隧道，入口位于河南省三門峽市靈寶市，出口位于盧氏縣，設(shè)計為雙洞單線隧道，全長達(dá)22771m。隧道穿越地層較為復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造多變，水文環(huán)境復(fù)雜，施工總工期為46 個月，工期緊張，施工任務(wù)艱巨。作為全線第一長隧，社會關(guān)注度極高，崤山隧道的快速施工，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，是特長鐵路隧道的重點研究對象。

2 快速化施工必要性及難點分析

在鐵路工程中，隧道工程因為其細(xì)長結(jié)構(gòu)的特點，往往成為項目全線的關(guān)鍵線路，影響項目工期，長大隧道更是如此。因此，實現(xiàn)隧道快速施工意義重大。在工程建設(shè)中，時間代表著工期、成本和效益，提高隧道的施工速度，意味著縮短了施工工期，降低成本，大大提高工程的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

崤山隧道作為特長單線重載鐵路隧道，快速化施工所面臨的困難主要有以下幾點。

1）隧道長22.7km，設(shè)5 座斜井，共10 個開挖面（單線），如何在小斷面隧道快速快挖是實現(xiàn)快速施工的關(guān)鍵因素。

2）崤山隧道各工作面獨頭掘進(jìn)距離較大，施工通風(fēng)難度較大。

3 單線隧道快速開挖技術(shù)研究

3.1 硬巖隧道快速開挖技術(shù)研究

崤山隧道以Ⅱ、Ⅲ級圍巖為主，占全隧的75%以上，主要以安山巖、流紋斑巖、石英砂巖等弱風(fēng)化圍巖為主，因此，隧道硬巖段的開挖對全隧快速施工有至關(guān)重要的影響，圍巖分級統(tǒng)計如表1所示。

表1 圍巖分級統(tǒng)計表

3.1.1 全斷面連帶仰拱同步開挖法技術(shù)研究

目前采用的常規(guī)全斷面施工，仰拱部位的開挖實際上是滯后于掌子面，嚴(yán)格來說，橫斷面上為兩斷面開挖。

全斷面（含仰拱）開挖法是將隧道整個斷面（含仰拱）一起爆破開挖成型，在鑿巖臺車、濕噴機(jī)械手等大型設(shè)備保障的基礎(chǔ)下發(fā)展而來。爆破成型后，通過濕噴機(jī)械手快速支護(hù)，仰拱初支在滿足強(qiáng)度要求后用虛碴回填至掌子面，依次循環(huán)作業(yè)，快速開挖支護(hù)，如圖1 所示。

圖1 全段面連帶仰拱同步開挖法示意圖

與傳統(tǒng)全斷面法相比，全斷面連帶仰拱同步爆破的施工方法，斷面爆破一次成型，減少因仰拱二次開挖對已施作的支護(hù)造成擾動，初支及早閉合，有效控制圍巖的變形，同時減少仰拱開挖造成的交通阻塞和工序轉(zhuǎn)換時間。

3.1.2 聚能水壓爆破技術(shù)方案設(shè)計

聚能水壓光面爆破通過水壓爆破和聚能槽結(jié)合而來，用聚能槽取代傳統(tǒng)炸藥，通過聚能槽的聚能效應(yīng)和炮孔頂部與底部的水帶在爆破過程中產(chǎn)生的水楔效應(yīng)，促使巖石初始裂縫延伸擴(kuò)展加大，爆破效果具有明顯提升。

與光面爆破相比，因聚能效應(yīng)和水楔效應(yīng)聚能水壓爆破在炮眼設(shè)計中可大大減少周邊眼的設(shè)計，減少打眼時間，同時，水袋在爆破過程中產(chǎn)生的水霧起到了降塵的效果，也能減小爆破后的通風(fēng)時間，達(dá)到快速施工的目的。

根據(jù)崤山隧道進(jìn)口常規(guī)爆破、水壓爆破、聚能水壓爆破對比試驗，指標(biāo)數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計匯總?cè)绫? 所示。

表2 常規(guī)爆破和水壓爆破平均指標(biāo)對比表

3.2 軟巖隧道微臺階法施工技術(shù)研究

崤山隧道中，Ⅳ、Ⅴ級圍巖雖然占比較小，但軟弱圍巖施工往往決定整條隧道施工工期的上限，且在崤山隧道中的長度也達(dá)到10.35km，因此，軟弱圍巖快速施工也成為制約崤山隧道工期的關(guān)鍵因素。

崤山隧道為單線隧道，截面較小，穿越軟弱圍巖時，采用臺階法施工極大地限制機(jī)械和人員操作，影響施工進(jìn)度，同時，臺階的存在，導(dǎo)致初支不能盡早閉合，在多次爆破下不利于控制圍巖收斂，影響支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

在傳統(tǒng)臺階法的施工工藝上，縮短臺階長度，滿足機(jī)械設(shè)備與施工人員在上下臺階上同步操作，一次性起爆上下臺階，便演化成微臺階法。由于微臺階上下斷面同時起爆，各工序?qū)崿F(xiàn)緊密銜接，大大縮短循環(huán)作業(yè)時間，而臺階較短，也能滿足濕噴機(jī)械手同時對上下臺階進(jìn)行支護(hù)，上臺階初支緊跟掌子面，下臺階初支緊跟上臺階，減小圍巖收斂，同時消除同一斷面多次爆破對支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。微臺階施工縱斷面示意圖如圖2 所示。

圖2 微臺階法縱斷面示意圖

4 快速掘進(jìn)機(jī)械化配套技術(shù)研究

隧道在采用鉆爆施工時，主要包含6 條作業(yè)線，即開挖、出碴、初支和二襯4 條主要作業(yè)線和防排水、通風(fēng)2 條輔助作業(yè)線。主作業(yè)線因工序復(fù)雜，受施工環(huán)境影響，在每循環(huán)開挖中所占的時間比例很大，嚴(yán)重制約隧道的開挖效率，是隧道快速施工的重要影響因素。崤山隧道因工程量大、施工作業(yè)空間小、地質(zhì)條件復(fù)雜多變等特點，各作業(yè)線的施工方法、施工效率直接影響隧道快速施工。

4.1 開挖作業(yè)線施工

隧道開挖作業(yè)線工作量較大，一般占隧道總工程量的25%～40%，對隧道施工進(jìn)度和造價都有很大的影響，是隧道施工中的關(guān)鍵作業(yè)。開挖作業(yè)線一般包括測量放樣、排險、設(shè)備就位（包括臺車和泵）、風(fēng)管連接、鉆孔、裝藥、爆破。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，鉆孔是開挖作業(yè)線中耗時最大的一項，占整個作業(yè)線耗時的50%左右。具體耗時如圖3 所示。

圖3 開挖作業(yè)耗時比例圖

在崤山隧道施工中，通過采用聚能水壓光面爆破優(yōu)化周邊眼間距，大大減少鉆眼時間，加快隧道開挖速度，同時通過科學(xué)配置開挖作業(yè)線機(jī)械化設(shè)備，提升開挖效率，崤山隧道開挖作業(yè)線機(jī)械化配套如表3 所示。

表3 開挖作業(yè)線機(jī)械配置表

4.2 出碴作業(yè)線機(jī)械化配套

在隧道施工中，將開挖的石渣迅速運送至洞外，保證掌子面其他工序正常進(jìn)行，也是影響隧道快速施工的一項重要因素。據(jù)數(shù)據(jù)分析，出渣作業(yè)在整個開挖中，所占的時間約為40%～60%，因此，提高出渣運輸能力也是快速化施工的重要內(nèi)容。

根據(jù)無軌運輸要求，結(jié)合單線隧道斷面小的特點，通過裝運設(shè)備動力性能、適應(yīng)能力、經(jīng)濟(jì)性以及污染大小等配套原則，為崤山隧道進(jìn)行出碴作業(yè)線機(jī)械化配套，如表4 所示。

表4 出碴作業(yè)線機(jī)械配置表

4.3 二襯作業(yè)線機(jī)械化配套

二襯作業(yè)線是隧道開挖中一條重要作業(yè)線，由于施工工藝要求，二次襯砌混凝土澆筑左右對稱連續(xù)澆筑，混凝土漿液通過臺車窗口入模，并通過振搗、養(yǎng)護(hù)等技術(shù)環(huán)節(jié)，最終形成具有一定強(qiáng)度的模筑混凝土二次襯砌。為解決隧道二次襯砌澆筑時振搗不密實、澆筑高度不易控制、澆筑時間長等問題，崤山隧道提供一種多窗口喂料臺車裝置，實現(xiàn)多窗口同時喂料，提高施工效率。

同時，為解決傳統(tǒng)簡易棧橋適應(yīng)性、安全性、靈活性差且跨度小的問題，崤山隧道采用全液壓履帶式24m 長棧橋（圖4），達(dá)到仰拱全幅運轉(zhuǎn)一次性整體施工效果，減少施工干擾，增加施工效率。

圖4 全液壓24m仰拱長棧橋

二襯及仰拱施工機(jī)械化配套如表5 所示。

表5 二襯及仰拱作業(yè)線機(jī)械配置表

5 結(jié)語

崤山隧道自施工以來，通過對各作業(yè)線進(jìn)行可靠的方案優(yōu)化，配置科學(xué)的機(jī)械化設(shè)備，在現(xiàn)場組織人員的整體運籌之下，實現(xiàn)了安全、高效、快速生產(chǎn)，施工進(jìn)度如表6 所示。

根據(jù)統(tǒng)計分析，崤山隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖最高月進(jìn)尺可以達(dá)到280m，與烏鞘嶺隧道最快施工速度相當(dāng)并大于成蘭鐵路的最高施工速度；崤山隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖的平均速度在186～255m 之間，前場斜井圍巖良好，平均施工速度達(dá)到255m，實現(xiàn)特長單線隧道的快速施工。