單線隧道微臺(tái)階開(kāi)挖施工工法

王彪

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400700)

1 概述

傳統(tǒng)的隧道施工工法,采用臺(tái)階法施工,都很難滿(mǎn)足《公路施工安全技術(shù)規(guī)范》(JTG F90-2015)的安全步距的強(qiáng)制性規(guī)定；采用長(zhǎng)臺(tái)階法施工時(shí),安全步距無(wú)法足規(guī)范要求；采用短臺(tái)階法施工時(shí),雖然能滿(mǎn)足安全步距的要求,但工序間相互干擾,機(jī)械設(shè)備的使用效率低下,掌子面循環(huán)進(jìn)尺緩慢,如何提高掌子面開(kāi)挖的循環(huán)進(jìn)尺效率是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。[1]

2 工程概況

2.1 線路概況

玉溪至磨憨線新建正線全長(zhǎng)約509km。正線新建橋梁正線橋梁133 座,橋長(zhǎng)合計(jì)約47km,新建隧道91 座共計(jì)約404km,正線橋隧總長(zhǎng)約451km,橋隧比約89%。玉溪至西雙版納為雙線；西雙版納至磨憨為單線。

曼么隧道位于橄欖壩～曼么區(qū)間,按旅客列車(chē)最高時(shí)速160km/h 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),全長(zhǎng)3023m,最大埋深430m。隧道洞內(nèi)線路坡度為單面上坡,線路坡度按里程從小到大分別為10.5‰、3‰。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于瀾滄江北面,屬侵蝕、溶蝕南北向中低山地貌區(qū)。隧道內(nèi)不良地質(zhì)體為巖堆、危巖落石、滑坡、巖溶、順層、有害氣體,特殊巖土為膨脹土。圍巖類(lèi)別Ⅲ級(jí)圍巖320 米,Ⅳ級(jí)圍巖1678 米,Ⅴ級(jí)圍巖1006 米。其中單線有砟、無(wú)砟軌道V 級(jí)圍巖襯砌斷面詳見(jiàn)圖1、圖2 所示。

圖1 有砟軌道V 級(jí)圍巖襯砌斷面示意圖

圖2 無(wú)砟軌道V 級(jí)圍巖襯砌斷面示意圖

3 工法原理

隧道微臺(tái)階開(kāi)挖工法是由全斷面和短臺(tái)階開(kāi)挖工法衍變而來(lái),細(xì)化作業(yè)方法和工序組織,制定工序管控要求,掌子面實(shí)行精細(xì)化管理,確保各工序銜接緊湊步調(diào)一致,形成有機(jī)體,做到有序高效。合理利用上、下臺(tái)階的作業(yè)空間,做到上臺(tái)階立架和下臺(tái)階出渣平行作業(yè)、下臺(tái)階立架和上臺(tái)階噴射混凝土平行作業(yè),縮短循環(huán)時(shí)間。[3]

微臺(tái)階開(kāi)挖工法的實(shí)施要點(diǎn):工法是關(guān)鍵,平行交叉作業(yè)是核心,激勵(lì)考核是抓手。微臺(tái)階開(kāi)挖工法相較于常規(guī)的開(kāi)挖工法的主要區(qū)別在于施工組織方式不同。合理的工序安排與平行作業(yè)大大縮短了循環(huán)時(shí)間,是微臺(tái)階開(kāi)挖工法的最核心部分。除施工組織方式不同外,微臺(tái)階開(kāi)挖工法的另一個(gè)核心要求是工序銜接緊湊,在工序銜接方面實(shí)現(xiàn)負(fù)銜接,實(shí)現(xiàn)“零耽擱、負(fù)交接”。[3]

4 工法管理

4.1 工法選擇

結(jié)合隧道巖石強(qiáng)度、圍巖穩(wěn)定性、斷面尺寸、支護(hù)參數(shù)及設(shè)備性能選擇工法并進(jìn)行工法設(shè)計(jì),施工中根據(jù)圍巖變化情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。初期支護(hù)設(shè)有鋼架的斷面一般采用微臺(tái)階法施工,微臺(tái)階法通用性強(qiáng),有利于實(shí)現(xiàn)快挖、快支、快封閉,一方面有利于控制圍巖變形確保施工安全,另一方面有利于提高施工效率。單線鐵路隧道軟弱圍巖段一般采用兩臺(tái)階法。當(dāng)圍巖巖石強(qiáng)度較低時(shí)采用三臺(tái)階法施工。

4.2 參數(shù)選擇

重要的3 個(gè)參數(shù):臺(tái)階高度、長(zhǎng)度及循環(huán)進(jìn)尺,分別從地質(zhì)、設(shè)備、作業(yè)方面比選,綜合確定。具體詳見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)挖參數(shù)選擇因素表

依據(jù)工法參數(shù)選擇原則,單線隧道兩臺(tái)階法設(shè)計(jì)上臺(tái)階高度5.39m,長(zhǎng)度控制在3-5m,下臺(tái)階高度3.74m,左右側(cè)至少控制在2 榀拱架距離,掌子面距離仰拱控制在30m 以?xún)?nèi),每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2 榀拱架,洞身采用微臺(tái)階開(kāi)挖施工方法。兩臺(tái)階工法以及兩臺(tái)階開(kāi)挖臺(tái)架詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 兩臺(tái)階工法圖

圖4 兩臺(tái)階開(kāi)挖臺(tái)架圖

5 工序管理

5.1 施工工藝

微臺(tái)階開(kāi)挖工法上下臺(tái)階同時(shí)鉆爆,并且出渣連續(xù),噴砼與立架、出渣同時(shí)進(jìn)行,縮短了循環(huán)作業(yè)時(shí)間。詳細(xì)作業(yè)流程如圖5 所示。

圖5 兩臺(tái)階法施工作業(yè)流程圖

5.2 施工方法

5.2.1 清理上臺(tái)階掌子面

清理上一循環(huán)噴射砼回彈料,平整上臺(tái)階場(chǎng)地,為作業(yè)臺(tái)架就位以及下一循環(huán)鉆孔創(chuàng)造條件。采用人工配合挖掘機(jī)進(jìn)行。

5.2.2 臺(tái)架就位

利用挖掘機(jī)臂將作業(yè)臺(tái)架托送到上臺(tái)階。單線隧道為分離式臺(tái)架,兩側(cè)部位應(yīng)可以折疊,作業(yè)臺(tái)架應(yīng)采用輕制桿件制作,單個(gè)體臺(tái)架整體重量不超2t,臺(tái)架上放置部分風(fēng)鉆、鉆桿等設(shè)備后也不應(yīng)超過(guò)2.5t。

5.2.3 測(cè)量放樣、清理仰拱洞渣

技術(shù)測(cè)量人員采用全站儀嚴(yán)格按照技術(shù)交底進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣,標(biāo)注開(kāi)挖線及炮眼位置,挖掘機(jī)清理仰拱洞渣。[6]

5.2.4 鉆孔、裝藥

各臺(tái)階(含仰拱)采用人工手持風(fēng)鉆同時(shí)鉆孔作業(yè),同時(shí)完成裝藥。上臺(tái)階采用光面爆破方式布置炮孔,楔形掏槽,掏槽眼數(shù)量一般布置4 對(duì)左右,炮孔底部間距20-30cm,相鄰兩對(duì)炮孔間距控制為50-90cm,周邊眼間距不大于40cm。

5.2.5 退臺(tái)架、爆破、通風(fēng)、排險(xiǎn)

上臺(tái)階裝藥結(jié)束,用挖掘機(jī)將作業(yè)臺(tái)架拖移至掌子面外。

將上下臺(tái)階連線,同時(shí)起爆。掌子面響炮后,通風(fēng)機(jī)開(kāi)至高檔位排煙20min,裝載機(jī)、出渣車(chē)提前就位,人工配合挖機(jī)、裝載機(jī)進(jìn)行排險(xiǎn)。立架班組做好支護(hù)材料運(yùn)輸至掌子面等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

5.2.6 上臺(tái)階扒渣

挖掘機(jī)將上臺(tái)階石渣直接扒至下臺(tái)階同時(shí)修整一條方便挖掘機(jī)上行至上臺(tái)階的道路,為運(yùn)送作業(yè)臺(tái)架以及立架等相關(guān)材料做好準(zhǔn)備。

5.2.7 臺(tái)架就位、運(yùn)送支護(hù)材料

采用挖掘機(jī)將作業(yè)臺(tái)架托送到上臺(tái)階。上臺(tái)階立架用的鋼拱架、錨桿、小導(dǎo)管以及鋼筋網(wǎng)片等物資優(yōu)先采用挖掘機(jī)運(yùn)送至上臺(tái)階,在確保作業(yè)安全的前提下也可以采用裝載機(jī)。

5.2.8 出渣、上臺(tái)階支護(hù)

下臺(tái)階出渣采用輪式側(cè)卸裝載機(jī)裝渣,自卸汽車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至洞外。出渣的同時(shí),上臺(tái)階進(jìn)行立架、錨桿以及超前支護(hù)施工。

5.2.9 仰拱開(kāi)挖支護(hù)及下臺(tái)階支護(hù)

上、下臺(tái)階出渣結(jié)束后,進(jìn)行仰拱石渣開(kāi)挖。開(kāi)挖后將其堆放于后方一側(cè),待后續(xù)仰拱回填使用。仰拱支護(hù)及下臺(tái)階支護(hù)作業(yè)宜同時(shí)進(jìn)行,下臺(tái)階支護(hù)不得超過(guò)仰拱支護(hù)3 榀拱架。

5.2.10 仰拱、下臺(tái)階噴混凝土

先仰拱噴砼,后下臺(tái)階噴砼,自下而上的噴射混凝土。

5.2.11 仰拱回填及上臺(tái)階噴混凝土

將之前開(kāi)挖仰拱時(shí)的石渣回填仰拱部位。上臺(tái)階噴混凝土作業(yè)時(shí)將噴射砼機(jī)械設(shè)備緊靠下臺(tái)階。噴混凝土的回彈料應(yīng)及時(shí)清理,同時(shí)做好下循環(huán)開(kāi)挖作業(yè)施工準(zhǔn)備。

5.3 施工控制關(guān)鍵要點(diǎn)

5.3.1 施工前,根據(jù)工法特點(diǎn)等進(jìn)行工序設(shè)計(jì),細(xì)化作業(yè)方法和工序組織,制定工序管控要求和安全注意事項(xiàng)。

5.3.2 上臺(tái)階立架和下臺(tái)階出渣平行作業(yè),是軟弱圍巖隧道快速施工組織的核心,掌子面要實(shí)行精細(xì)化管理,確保各工序銜接緊湊步調(diào)一致,形成有機(jī)體,做到有序高效。

5.3.3 作業(yè)臺(tái)架的進(jìn)退是制約工序快速銜接轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,應(yīng)合理設(shè)置臺(tái)階高度,科學(xué)設(shè)計(jì)作業(yè)臺(tái)架,滿(mǎn)足挖掘機(jī)托運(yùn)或人工搬運(yùn)的要求。

5.3.4 嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度,各臺(tái)階同步跟進(jìn),必要可將下臺(tái)階掌子面凹進(jìn),確保噴射混凝土機(jī)械手能夠正常作業(yè)。

5.3.5 作業(yè)臺(tái)架選型。臺(tái)架宜選擇輕型材料制作。

5.3.6 洞內(nèi)建立領(lǐng)工員或調(diào)度員協(xié)調(diào)機(jī)制。洞內(nèi)單作業(yè)面設(shè)3 個(gè)值班領(lǐng)工員或調(diào)度員,24 小時(shí)輪班作業(yè),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)開(kāi)挖支護(hù)、仰拱、拱墻襯砌所有工序班組的銜接工作,同時(shí)對(duì)工序銜接情況進(jìn)行寫(xiě)實(shí)。

5.3.7 洞外建立調(diào)度指揮中心。一般設(shè)在洞口調(diào)度值班室,負(fù)責(zé)洞外生產(chǎn)要素部門(mén)(拌和站、運(yùn)輸班、加工廠和維修班等)與洞內(nèi)作業(yè)工點(diǎn)的銜接和調(diào)配,根據(jù)作業(yè)工點(diǎn)需求與進(jìn)展情況,統(tǒng)一調(diào)配洞外生產(chǎn)資源。洞內(nèi)對(duì)接領(lǐng)工員與洞外對(duì)接各生產(chǎn)輔助部門(mén),要形成集樞紐、調(diào)度、指揮于一體的部門(mén)。特別要加強(qiáng)噴射混凝土的調(diào)度管理,確保混凝土的連續(xù)供應(yīng),保證作業(yè)循環(huán)時(shí)間達(dá)標(biāo)。

6 考核制度

微臺(tái)階開(kāi)挖快速施工工序循環(huán)考核獎(jiǎng)勵(lì)辦法如表2 所示。

表2 開(kāi)挖參數(shù)選擇因素表

7 施工效果評(píng)價(jià)

7.1 安全步距得到有效控制

采用微臺(tái)階施工方法后,二襯及仰拱施工能夠及時(shí)跟進(jìn)掌子面,始終滿(mǎn)足紅線規(guī)定安全步距要求,杜絕了施工過(guò)程中因圍巖較差所發(fā)生的坍塌事故,提高了施工人員在現(xiàn)場(chǎng)施工的安全系數(shù)。

7.2 施工工效顯著提高

采用常規(guī)臺(tái)階法施工時(shí),每循環(huán)作業(yè)時(shí)間18-21h,每月平均開(kāi)挖進(jìn)尺30-50m,采用微臺(tái)階法施工,每循環(huán)縮短為12-15h,每月進(jìn)尺提高到70-90m。通過(guò)采用微臺(tái)階法開(kāi)挖,大大提升了工作效率,并且縮短了工期,也為項(xiàng)目取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。[4]

8 結(jié)論

玉磨鐵路曼么一號(hào)隧道采用微臺(tái)階開(kāi)挖工法,不僅提升了工作效率,縮短了施工工期,還為后續(xù)仰拱施工提供了充足的作業(yè)空間,二襯及仰拱施工能夠及時(shí)跟進(jìn)掌子面,始終滿(mǎn)足紅線規(guī)定安全步距要求,極大提高了隧道施工安全與質(zhì)量,同時(shí)也達(dá)到了成本控制的目的,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益相統(tǒng)一的目標(biāo)。[2]