鐵路特長(zhǎng)隧道施工機(jī)械配套技術(shù)

王宏禮，孫建岐

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000;2.中國(guó)中鐵一局集團(tuán) 第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

我國(guó)鐵路隧道機(jī)械化施工經(jīng)歷了小型設(shè)備鉆爆法施工、大型無軌運(yùn)輸設(shè)備鉆爆法施工和非鉆爆法施工3個(gè)階段，從部分機(jī)械化作業(yè)逐步走上綜合機(jī)械化配套的發(fā)展過程。從人工開挖到TBM的使用，我國(guó)隧道機(jī)械化施工的綜合水平與20世紀(jì)50年代相比已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。鐵路特長(zhǎng)隧道的施工方法主要有鉆爆法和隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)法。我國(guó)鐵路隧道施工只在西康線秦嶺隧道、西合線磨溝嶺隧道以及蘭渝線西秦嶺隧道采用TBM配套施工技術(shù)和TBM加鉆爆法混合施工技術(shù)。目前隧道施工主要還是采用鉆爆法施工。

1 工程概況

新建云桂鐵路石林隧道位于彌勒—石林板橋區(qū)間，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)18 218 m，為全線最長(zhǎng)隧道、全國(guó)最長(zhǎng)單洞雙線隧道、全國(guó)最長(zhǎng)巖溶隧道、世界上最長(zhǎng)采用鉆爆法施工的巖溶隧道。隧道最大埋深約250 m，最小埋深拱頂以上約3 m。石林隧道設(shè)置“一平導(dǎo)+兩斜井”的輔助坑道模式。隧道穿越巖性均為灰?guī)r，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，部分地段極強(qiáng)烈發(fā)育。隧道通過6條斷層和4條斷層破碎帶，不良地質(zhì)為巖溶、高地應(yīng)力。富水?dāng)鄬蛹皫r溶發(fā)育地段極易發(fā)生突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。隧道中部埋深較大地段可能發(fā)生硬巖巖爆與軟巖大變形地質(zhì)現(xiàn)象，為I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道施工高風(fēng)險(xiǎn)源多，施工風(fēng)險(xiǎn)管理難度大，施工安全和工期控制難度大，總工期64個(gè)月，為全線重點(diǎn)控制工程。

根據(jù)施工管轄段的工程分布情況、工程量的大小及工期要求，隧道施工劃分為四個(gè)工區(qū)組織，分別為進(jìn)口工區(qū)、1號(hào)斜井工區(qū)、2號(hào)斜井工區(qū)及出口工區(qū)。每工區(qū)按流水作業(yè)組織施工，出口工區(qū)屬于工期控制性工區(qū)。具體各工區(qū)施工段劃分見圖1。

2 施工機(jī)械設(shè)備選型及配套

2.1 機(jī)械設(shè)備選型原則

1)針對(duì)不同的施工工序按專業(yè)化組織流水作業(yè)，以性能好、效率高、機(jī)況良好的大型設(shè)備裝配挖裝運(yùn)、錨噴、襯砌、輔助作業(yè)等主要作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)各機(jī)械化作業(yè)線的有機(jī)配合，用機(jī)械化程度的提高來實(shí)現(xiàn)隧道施工的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

2)開挖能力大于施組能力;裝渣能力大于開挖能力;運(yùn)輸能力大于裝渣能力。

3)施工機(jī)械與施工方法配套，既要考慮圍巖較好時(shí)的全斷面法，又要兼顧地質(zhì)較差時(shí)的應(yīng)變方法。

4)施工機(jī)械與人員配套，一方面機(jī)械應(yīng)能保證操縱人員的安全，另一方面先進(jìn)的施工機(jī)械必須配備素質(zhì)較高的操作人員，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

5)設(shè)備配置富余系數(shù)不宜過大，以避免造成部分設(shè)備能力的浪費(fèi)。

6)設(shè)備外形尺寸應(yīng)與隧道斷面相適應(yīng)，并根據(jù)不同的施工形式優(yōu)化配置;機(jī)械設(shè)備的配備要適應(yīng)特長(zhǎng)隧道施工的特點(diǎn)。

7)施工機(jī)械要與隧道輔助施工作業(yè)配套，如供水、排水、通風(fēng)、電力、軌道等。

8)同類機(jī)械設(shè)備盡可能采用同廠家的設(shè)備，以便于維修、配件供應(yīng)和通用互換，確保機(jī)械使用率。同時(shí)，充分考慮設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

圖1 各工區(qū)施工段劃分示意(單位:m)

2.2 施工機(jī)械設(shè)備選型及配套

2.2.1 施工機(jī)械設(shè)備配置方案

石林隧道施工采用噴錨構(gòu)筑法，本著“科學(xué)籌劃、動(dòng)態(tài)控制、嚴(yán)控關(guān)鍵線路、均衡生產(chǎn)”的原則組織現(xiàn)場(chǎng)施工。施工機(jī)械設(shè)備本著“技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，滿足需求，略有富余”的原則，均按無軌運(yùn)輸模式配備。形成開挖、裝運(yùn)、支護(hù)及二次襯砌等機(jī)械化平行流水作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)隧道施工的快速、連續(xù)、均衡生產(chǎn)，全面完成工程各項(xiàng)預(yù)定目標(biāo)。

隧道洞身Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖全斷面采用液壓鑿巖臺(tái)車或多功能作業(yè)臺(tái)架配風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖施工段采用多功能作業(yè)臺(tái)架配風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔。隧道洞身開挖實(shí)施光面爆破，挖掘機(jī)配合側(cè)卸裝載機(jī)裝渣，15 t以上的大型自卸汽車運(yùn)輸。初期支護(hù)采用風(fēng)鉆或臺(tái)車打孔，人工配合多功能臺(tái)架安裝錨桿和掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土采用濕噴工藝。

根據(jù)施工總體安排，隧道在平導(dǎo)貫通前采用長(zhǎng)管路壓入式通風(fēng);平導(dǎo)貫通后采用巷道式通風(fēng)與壓入式通風(fēng)相結(jié)合的方式。反坡排水采用三級(jí)泵站接力抽排方式。隧道正常斷面二次襯砌采用仰拱先行，拱墻襯砌采用整體式液壓模板臺(tái)車整體澆筑，模板臺(tái)車長(zhǎng)度為12.2 m。襯砌按照圍巖級(jí)別和施工工期要求分段進(jìn)行施工。

2.2.2 鑿巖機(jī)械

隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖施工方法以全斷面為主，Ⅲ級(jí)(部分)、Ⅳ級(jí)圍巖施工方法以臺(tái)階法為主，Ⅴ級(jí)一般地段以臺(tái)階法加臨時(shí)橫撐為主，斷層及物探顯示極破碎、極軟弱地段以四部CD法或三臺(tái)階預(yù)留核心土法為主。

隧道Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法施工，配備多功能臺(tái)架配合風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔作業(yè)，非電毫秒雷管、二號(hào)巖石乳化炸藥光面爆破，全斷面一次成型。進(jìn)口工區(qū)平導(dǎo)輔助正洞施工1號(hào)工作面，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖開挖采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè)。Ⅲ級(jí)(部分)、Ⅳ級(jí)圍巖采用正臺(tái)階法施工，分上下臺(tái)階施工，采用多功能平臺(tái)風(fēng)鉆打眼，非電毫秒雷管、二號(hào)巖石乳化炸藥光面爆破。爆破后，上斷面挖掘機(jī)扒渣，下斷面采用挖掘機(jī)配合側(cè)卸式裝載機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)輸。

2.2.3 裝運(yùn)機(jī)械

結(jié)合隧道每天最大出渣量和最佳循環(huán)進(jìn)尺，并考慮出渣設(shè)備和開挖設(shè)備的配套，采用隧道自卸式汽車運(yùn)渣方式，進(jìn)口工區(qū)平導(dǎo)輔助正洞施工1號(hào)工作面選用JGMWZ340隧道挖裝機(jī)裝渣。該機(jī)為履帶式，生產(chǎn)能力為340 m3/h，投入 2臺(tái)(使用1臺(tái)，備用1臺(tái))。正洞其它工作面各配備1臺(tái)1.2 m3以上挖掘機(jī)配合3 m3側(cè)卸裝載機(jī)裝渣?？紤]到隧道斷面和施工場(chǎng)地的狹窄，選用外形尺寸合適、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的國(guó)產(chǎn)15 t汽車進(jìn)行出渣作業(yè)。每個(gè)工區(qū)配備12臺(tái)(使用9臺(tái)，備用3臺(tái))自卸汽車。為了解決施工過程中出渣車輛會(huì)車問題，每420 m設(shè)1處會(huì)車道。

2.2.4 支護(hù)機(jī)械

超前管棚采用Z-GP150型管棚鉆機(jī)鉆孔并頂進(jìn)鋼管。管棚采用外徑φ80 mm、長(zhǎng)6 m的鋼管加工。根據(jù)每組管棚的長(zhǎng)度要求，用1 m長(zhǎng)的φ40 mm鋼管將φ80 mm的鋼管逐根套接以控制管棚的順直度，再將φ80 mm的鋼管焊接。鋼管沿縱向每30 cm鉆孔一個(gè)?？籽鄢拭坊ㄐ尾贾?。管棚環(huán)向間距33 cm，縱向搭接長(zhǎng)度為2 m，外插腳控制在 5°～7°。管棚之間采用φ40 mm小導(dǎo)管，水泥—水玻璃雙液注漿泵注漿加固。Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖采用小導(dǎo)管超前支護(hù)。小導(dǎo)管采用φ42 mm熱軋無縫鋼管，鋼管壁厚3.5 mm，單根長(zhǎng)3.5 m，每2.4 m一環(huán)。小導(dǎo)管利用風(fēng)鉆鉆孔，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后利用高壓風(fēng)吹凈孔眼內(nèi)的粉塵及巖石碎屑，然后再采用人工錘擊或風(fēng)鉆釬尾頂入小導(dǎo)管。其余地段均采用自進(jìn)式錨桿、砂漿錨桿作為系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土支護(hù)體系。局部地段設(shè)格柵或型鋼剛架。φ80 mm長(zhǎng)管棚采用Z-GP150型管棚鉆機(jī)施工。錨桿采用人工風(fēng)鉆打孔。注漿泵注漿，TK500濕噴機(jī)噴射混凝土。

2.2.5 襯砌機(jī)械

襯砌按照“仰拱先行、拱墻整體襯砌”的原則進(jìn)行施工。襯砌的施作時(shí)間依據(jù)量測(cè)而定，在圍巖及初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后進(jìn)行;對(duì)自穩(wěn)性很差的圍巖，盡早施作襯砌，以策施工安全。一般仰拱與開挖面保持30～90 m，襯砌與掌子面保持90～200 m。仰拱施工采用架設(shè)棧橋，每8～10 m跳段開挖及澆筑混凝土，人工綁扎鋼筋，浮放仰拱架，混凝土灌車運(yùn)至工作面溜槽入倉(cāng)，插入式振搗器振搗，人工整平。

襯砌施工與開挖平行進(jìn)行，每個(gè)工作面配備1臺(tái)12 m穿行式全斷面液壓鋼模襯砌臺(tái)車。液壓模板臺(tái)車由現(xiàn)場(chǎng)提供斷面尺寸及功能要求，委托專業(yè)的廠家加工，現(xiàn)場(chǎng)組裝。模板臺(tái)車具備足夠的強(qiáng)度和剛度，并且立模方便。

每個(gè)工區(qū)洞外配備1套生產(chǎn)率為90 m3/h自動(dòng)計(jì)量的HZS90型拌合站，混凝土均在洞外自動(dòng)計(jì)量的拌合站集中生產(chǎn)，配備4臺(tái)HNJ5253GJBA型混凝土輸送車運(yùn)輸混凝土。每個(gè)工作面配備2臺(tái)HBT60A-1406Ⅲ型混凝土輸送泵泵送混凝土入模，插入式搗固棒搗固。

3 施工效果

石林隧道機(jī)械設(shè)備配備見表1。石林隧道進(jìn)口于2010年8月30日正式開工進(jìn)洞，成為云桂鐵路全線第一家開工進(jìn)洞的單位;1號(hào)斜井、2號(hào)斜井、出口分別于9月底開工進(jìn)洞。Z-GP150管棚鉆機(jī)、CSS3型混凝土噴射機(jī)械手、JGMWZ340型挖裝機(jī)、多功能作業(yè)臺(tái)車等隧道專用設(shè)備投入現(xiàn)場(chǎng)使用，保證隧道施工安全快速有序進(jìn)行。截止11月7日，云桂鐵路石林隧道進(jìn)口平導(dǎo)累計(jì)完成開挖206 m，鋪底70 m;正洞完成開挖130 m，仰拱31 m;1號(hào)斜井完成開挖146 m;2號(hào)斜井完成開挖147 m，鋪底完成45 m;出口平導(dǎo)完成開挖46 m，正洞開挖完成72 m(其中包括明洞52 m)。進(jìn)口正洞模板臺(tái)車已經(jīng)組裝完成，11月18日二次襯砌施工進(jìn)入正式施工階段。2月28日1號(hào)斜井安全開挖至交匯點(diǎn)，比施組計(jì)劃工期整整提前了一個(gè)月的時(shí)間。

表1 主要機(jī)械設(shè)備配備

4 結(jié)語

通過石林隧道施工實(shí)踐，表明在長(zhǎng)管路壓入式通風(fēng)技術(shù)成熟的前提下，長(zhǎng)度＜4 000 m的隧道采用無軌運(yùn)輸模式比較恰當(dāng)。采用人工風(fēng)鉆打眼，靈活方便，成本較低。JGMWZ340隧道挖裝機(jī)裝渣效率較高。用電做動(dòng)力環(huán)境污染小。運(yùn)輸車輛應(yīng)考慮到外形尺寸和隧道凈空相適應(yīng)。要考慮效率和效益以及環(huán)境保護(hù)等因素，把開挖、出渣等工序統(tǒng)籌考慮，以確定合理的開挖循環(huán)進(jìn)尺，保證機(jī)械設(shè)備和時(shí)間利用率均較高。石林隧道設(shè)備的合理配套是隧道快速施工的前提條件，也為石林隧道施工進(jìn)度和施工安全提供了保障。

[1]劉旭全.烏鞘嶺隧道右線出口正洞工區(qū)施工機(jī)械配套技術(shù)[J].鐵道建筑，2005(3):35-36.

[2]劉東亮.園梁山隧道施工設(shè)備配套及管理[J].建筑機(jī)械化，2005(4):57-59.

[3]帥玉兵.鐵路客運(yùn)專線隧道施工設(shè)備配套技術(shù)[J].山西建筑，2007，33(6):339-341.

[4]王磊.淺談長(zhǎng)大隧道機(jī)械化施工設(shè)備配套[J].山西交通科技，2009(6):79-80.

[5]余梁蜀，楊敏，王曉文.隧道施工設(shè)備配備方案研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21(4):143-145.