淺析單線鐵路施工策略

王昊金WANG Hao-jin

（西安工程大學(xué)管理學(xué)院，西安710043）

0 引言

隨著中國、西部和中國煤炭工業(yè)的發(fā)展，建成了以山區(qū)為主、遠離鐵路、交通主要由公路運輸為主的大型煤礦；與鐵路運輸相比，公路運輸?shù)娜秉c有：運輸成本高、韌性差、能耗高、環(huán)境污染等；近年來，以煤炭為主的單線鐵路開工建設(shè)，為建設(shè)開辟了廣闊的前景。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對單線鐵路開展了大量研究，主要集中在單線鐵路隧道的施工技術(shù)方面。陳明福[1]結(jié)合工程案例，總結(jié)高地應(yīng)力軟巖單線鐵路隧道的大變形特征及大變形產(chǎn)生原因，提出了大變形控制措施，包括提高支護結(jié)構(gòu)剛度、加大邊墻曲率等。喻有彪等[2]結(jié)合工程案例，介紹了對于單線鐵路隧道的大型機械化施工技術(shù)，單線鐵路隧道的大型機械應(yīng)采用一機多用形式。佘東升[3]結(jié)合工程案例，分析了復(fù)雜地質(zhì)條件下的單線鐵路的施工技術(shù)，給出了復(fù)雜地質(zhì)條件下單線鐵路隧道施工應(yīng)做好超前地質(zhì)勘探工作，明確破碎帶、煤層等區(qū)域的具體分布位置的建議，以確保施工質(zhì)量與安全。王喚龍等[4]采用模糊層次分析法，建立單線鐵路隧道施工經(jīng)濟性評價指標體系，并將單線鐵路隧道施工經(jīng)濟性評價指標體系運用于實際工程，采用單線鐵路隧道施工經(jīng)濟性評價指標體系可以針對經(jīng)濟性評價指標低的工程再進行施工組織設(shè)計優(yōu)化，以達到提高隧道施工的經(jīng)濟性，增加隧道施工企業(yè)和社會經(jīng)濟效益的目的。He Weikun 等[5]采用有限元軟件建模分析了墩高對單線鐵路橋梁摩擦擺支座隔震有效性的影響，并用振動臺試驗確保建模的準確性，分析發(fā)現(xiàn)：短墩的隔震效果優(yōu)于長墩的隔震效果。

由于單線鐵路，相比高速公路和客人道，隧道截面小，內(nèi)部交通干擾大，難以組織快速施工，效率低。因此，合理的機械復(fù)合體，降低固定投入成本，科學(xué)組織施工，減少各工序干擾，加快施工，提高效益，是單線鐵路隧道施工中需要研究的問題。

1 工程概況

某隧道位于湖南省瀏陽市，隧道全長107020m，總深度566.1m。適用于單線重型鐵路，無隧道壓艙，設(shè)計速度120km/h?？偹淼乐饕扇壋练e巖組成，其中三級沉積巖占75.7%，IV 類對照結(jié)石占14.8%，V 類對照結(jié)石占9.5%。隧道設(shè)計成馬蹄形。（曲軸有傾覆拱），隧道總段最小掘進剖面為47.5m2，最大掘進剖面為58.7m2，最大掘進寬度為6.1-6.9m，經(jīng)填充面貼面后達到7.32m，寬度為3.0m。詳見圖1。

圖1 隧道襯砌斷面（單位：cm）

單隧道設(shè)計3 口斜井，斜井于2015 年4 月28 日開工掘進，2015 年6 月5 日進出口，全隧道于2017 年6 月21日通過，全長785D，比施工指導(dǎo)組織的設(shè)計期限提前10個月。施工過程中，每月直通掘進工作面行程可達175m，季度可達491m。

2 項目施工重難點

2.1 地質(zhì)條件較復(fù)雜

隧道貫通八條斷層、兩條褶皺、三條裂縫密度帶，影響路段長度1934m。全噸硬石段應(yīng)力高度181m，軟巖段應(yīng)力高度267m；硬巖段受力程度高，段長1215m，軟巖段高4034m。隧道出口處有一段229m 長的淺埋段，最淺的深埋段為5.28m。隧道地下水富集，水文地質(zhì)條件較差，是中強富水量的一部分，整個隧道的最大流量為每日41570m3。

2.2 施工組織難度大

某隧道設(shè)計為單隧道無壓載道碴，掘進寬度6.1-6.9m，封裝后表面填充寬度3m，普通封裝滿足截面施工要求，凈寬3.2m，大型工作機構(gòu)通行困難，不便于多專業(yè)并行作業(yè)，工作面掘進施工長度超過3 公里，施工組織困難較大。

3 隧道快速施工問題探討及解決措施

作為單線隧道的典型代表，追蹤隧道有小面積的零件和大型建筑，如滑板車、裝載機、挖掘機、襯墊車等。操作難度大，操作難度低，與建筑相關(guān)的操作過程非?；靵y。因此，管道的建造和相互作用是一個問題。為了解決這些問題，將研究最佳設(shè)備、最佳工藝和建筑組織。

3.1 設(shè)備選擇及配套使用優(yōu)化

3.1.1 挖裝運設(shè)備配套

由于設(shè)備在各工程項目中的通用性，小斷面隧道不采用專用小型機械設(shè)備，但選擇了常用的隧道掘進和運輸設(shè)備，如紅巖15M3 金剛聯(lián)合企業(yè)自卸車、挖掘機。雖然小斷面隧道施工難度較大，但設(shè)備效率較高，總體效率高于少數(shù)專用設(shè)備，此外，設(shè)備在隧道內(nèi)的通過時間減少了一個單位，這在一定程度上降低了運輸壓力，減少了爐渣運輸過程中拱和二次包層結(jié)構(gòu)的干擾。隧道通過受圓弧影響的斷面后，斷面寬度不能滿足裝車機與渣車并排作業(yè)的需要。在礦渣放出、起重回填時，將礦渣預(yù)留至充填高度，涂層寬度可達5.9m，基本上可滿足礦渣需求（輪胎裝載機2.8m，車體2.5m），熟練的駕駛員可實施堆放除渣過程，突出設(shè)備功率大的優(yōu)勢，可有效提高隧道的效率。

3.1.2 噴射混凝土設(shè)備

澆注混凝土的優(yōu)點首先采用濕法噴涂機構(gòu)，其優(yōu)點表現(xiàn)為：①混凝土質(zhì)量有保證，分散強度低，能對巖石提供有效的保護，可因保護質(zhì)量縮短爆破時間，同時也可縮短崩落時間；②機械臂效率高，噴射效率能夠達到15m3/h，可有效縮短混凝土噴射時間；③自走設(shè)備機械，進出場靈活方便。因此，采用手工操作的濕式注塑機機制，可有效提高隧道開挖時的施工效率，保護混凝土射流，減少因混凝土注塑質(zhì)量差而導(dǎo)致的噴涌現(xiàn)象，加快隧道施工步伐。

3.1.3 無門架襯砌臺車

隧道內(nèi)運動是影響工程生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，隧道剖面小，外形有限，建成拱形后，填充面寬度僅為3m。車架門框之間的最大尺寸一般為3.2m，車架與車架之間的間隙非常小，非常容易陷入襯砌框架，車架的通道空間成為凈化場所，影響車輛的速度和效率。為解決這一問題，結(jié)合選用的無門框襯砌單線隧道臺車（如圖2 所示），主要依靠鋼模板的整體強度，承載混凝土荷載。門框位于平臺的兩端。在桌子上行走時，門之間通道的最大寬度為3.46m，有效解決了工程車輛的通行問題，提高了輸渣機前二次鋪設(shè)的效率。

圖2 無門架襯砌臺車

此外，由于一般剛性模板的模板側(cè)墻沒有門框，固定時只需固定模板的下支架，節(jié)省模板的固定和拆卸時間，與普通門柱相比，節(jié)省了4 小時以上。

3.1.4 24 m 仰拱長棧橋及配套模板

重型貨物隧道施工標準化概念的不斷完善，給起重隧道的施工帶來了新的挑戰(zhàn)。在設(shè)計和施工實踐中，為了保證拱形翻轉(zhuǎn)的設(shè)計質(zhì)量，施工現(xiàn)場采用了長過流，且單體長度不小于24m，如圖3 所示。同時，便攜式起重模塊設(shè)計為與長支架相結(jié)合，與長棧橋形成一個統(tǒng)一的整體，同時在模板后將棧橋與立交橋分開并通過原有支撐位置放置到位。此外，還添加了終端頭模板，并考慮了固井帶的夾具。長棧橋、配套的側(cè)模板、端部模板與長棧橋相結(jié)合，大大減少了每組模板的荷載和上下安裝時間、安裝、定位和轉(zhuǎn)移，提高了施工效率。墻體與拱起的一次澆筑在交易所終端模板的配合中進行，減少了墻體拱起的二次澆筑過程，有效節(jié)省施工時間，降低隧道漏水風(fēng)險，保證二次澆筑工程質(zhì)量。12M 短棧橋24M 長棧橋比較效果見表1。

圖3 24m 長棧橋示意圖（單位：m）

表1 12m 短棧橋與24m 長棧橋工效對比

3.2 隧道施工工法的優(yōu)化改進

合理的掘進方式可以明顯提高隧道掘進速度，單隧道設(shè)計掘進主要是完整的翼型和門廊法，包括完整的切口掘進8103M 長的分段，門廊掘進2560M 長的分段。

①全斷面開挖解決單次作業(yè)效率低、干擾大的問題，開挖工作面和開挖工作面，通過研究實踐，分別開挖三級和四級拱壁和拱壁，如圖所示。全斷面掘進將減少一次操作，減少操作干擾，防止隧道通風(fēng)水路拱門二次爆破爆破，并確保四級礦井格段及時關(guān)閉，同時提高了隧道的掘進速度，為高架橋和拱門的大段繼續(xù)施工創(chuàng)造了有利條件。

②傳統(tǒng)臺階的翼式掘進方式，一般有3 部分掘進、半拱墻、部分墻下、開挖和拱頂，更常見的是改造過程，以及完成初始保護后的擾動。一樓的掘進高度一般為4.6~5.5m，不允許上一級的馬車掘進，一般只能以砌塊的形式設(shè)計，增加了搬移和放置攤位的工作量。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，將上臺階掘進高度調(diào)整為6.7m，將井架作為一個整體進行設(shè)計，提高其穩(wěn)定性和安全性，并提供挖掘機和裝載機設(shè)備的直接提升。此外，調(diào)整下臺階和上仰拱同時開挖和一次成型，不僅減少了施工過程，而且提高了施工效率，而且減少了向初始擾動破壞支撐的切換過程。對臺階長度進行了優(yōu)化設(shè)計，滿足了先進管材和濕式噴霧器施工的室內(nèi)需求。建造和安裝一條5.0m 長的小型管道需要6m 長的操作平臺，當(dāng)在6m 的操作架上時，上一級的長度必須在6m 以上，當(dāng)上一級的長度超過6m 時，肩長限制的濕噴機不能在下一級的位置上完成混凝土工程范圍內(nèi)的6m，因此，在混凝土工程的頂層是必要的。如果濕噴機在上一級工作時，混凝土攪拌機也應(yīng)在上一級卸載時，濕噴機和車輛混凝土攪拌機同時工作，最小長度為15m，以便確定上一級長度為15m。挖掘臺從裝載機移動到下一級。當(dāng)在門廊下挖出高達15m 的位置時，上臺階上的第一個混凝土保護支架的強度約為12d。上臺階長度約15m，可降低爆炸風(fēng)險，合理安排上下臺階平行作業(yè)，加快施工進度。調(diào)整臺階的高度和長度可以提高隧道的使用程度。不僅有大型機械設(shè)備，而且施工效率高。

3.3 施工交通組織優(yōu)化

3.3.1 洞內(nèi)車輛機械掉頭錯車技術(shù)措施

某隧道右側(cè)約400m 設(shè)置1 首長30m 前部（加上一般艙口設(shè)置），左側(cè)各約400m 設(shè)置掩蔽部，大部分位于機動的兩個側(cè)部之間，但由于洞室空間有限，無法滿足機動和機動的需要。為減少長途反向損失，降低長途反向安全風(fēng)險，提高施工效率，避免門戶變更，使最大倒車距離縮短至200m。

3.3.2 二次襯砌澆筑不斷道技術(shù)措施

某隧道可將約400m 的安裝隔至1 座，并進行部分移植，雖然基本上可以解決第二道圍板施工時的通行問題，但由于第二道圍板泵只能放置在可拆卸部分，在混凝土雙圍板件之間澆筑，在最不利的條件下，泵管長度應(yīng)在200m以上，并需調(diào)整襯墊車上泵的方向，混凝土泵可拆卸管拆遷難度大，同時，施工完成后，管道中會出現(xiàn)大量混凝土廢料。隧道交通寬度如圖所示?？s短混凝土運輸距離，必須在同一段路徑上的兩個模塊之間放置輸送泵，但這會導(dǎo)致前一段路徑，車輛不能在泵的輸送位置通過，因此，應(yīng)增加泵位置的通道寬度。本工程每隔一段時間降低拱墻頂部的高度，使其高度主要與同步施工時的填弧高度相對應(yīng)，然后在溝渠上鋪設(shè)鋼板，以增加隧道通道的寬度，以便其他車輛可以為油井放置泵，可在任何一個洞內(nèi)正常行駛，以供抽油泵及混合泥土之用。該方法能有效地提高二次單板施工條件下隧道內(nèi)車輛的承載能力，在非二次單板施工中也能有效地利用該點提高隧道的通行能力，大大提高隧道工程的組織效率。

4 結(jié)束語

應(yīng)用合理的工程機械設(shè)備選型、施工工程，以及轉(zhuǎn)向架和二次內(nèi)襯的連續(xù)施工，這些切實有效的技術(shù)措施達到了快速施工的目的，是各級建設(shè)的理想之選，其中：單工作面月平均三段鍛造速度1500m，最大速度可達175m；四級礦井單工作面平均掘進速度為100m，最大可達120m；一個工作面沿第五次崩落的月平均掘進速度為70m；單工作面施工月平均進度180m，最大可達200m；二次襯砌施工板材月平均施工速度為160m，最大可達180m。