單線隧道復雜軟弱地層微臺階快速施工技術應用研究

明雪

（中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津 300308）

1 研究背景

隧道工程具有以下主要特點：隱蔽未知性強，地勘工作不能全覆蓋，揭示地質與設計地質存在不一致；工程結構復雜，作業(yè)工序多，與作業(yè)空間狹窄存在矛盾；專用機械設備少，機械化程度不高，勞力投入大，施工效率低。受以上因素制約，工程施工安全風險高[1]。

目前中國每年設計、建設、運營的隧道數量都在成倍增長，預計到2020年中國投入運營的鐵路隧道總量達到1.7萬座，總長度突破2萬km，中國已成為隧道超級大國[2]。但從另一個角度來看，中國隧道施工技術水平還不高，大多數是靠大量的勞力來實現高效率；工藝工法更迭速度慢，墨守成規(guī)。因此在蒙華鐵路隧道施工過程中，汲取以往施工經驗，對隧道開挖支護、仰拱、二襯等各道工序進行了較大的技術創(chuàng)新完善，并成功運用到實踐中。以蒙華鐵路中條山隧道為例，對軟弱地層單線隧道微臺階機械化快速開挖支護施工技術進行回顧總結，為同行提供有益的借鑒。

2 工程概況

中條山隧道設計為雙洞單線隧道，穿越中條山脈，隧道左線長度18 405 m，右線長度18 410 m。隧道埋深一般大于400 m，最大埋深約840 m。隧道設置5座斜井和1座平導輔助施工（4#斜井在工程前期優(yōu)化中取消），其中1#、2#、3#斜井長度全部大于2 km，2#斜井最長為2 429 m。中條山隧道為高風險隧道，工程地質和水文地質極為復雜，是蒙華鐵路全線頭號控制性工程，按照Ⅰ級風險隧道管理。隧道穿過的地層主要為太古界變質巖（巖性為片麻巖、斜長角閃巖、淺粒巖），震旦系和寒武系沉積巖（巖性主要有灰?guī)r、白云巖、泥巖、頁巖），第三系半成巖卵石、礫石夾黏土層，第四系新、老黃土層。主要不良地質包括：①斷層發(fā)育，隧道穿越段共有11條斷裂帶；②隧道5#、6#斜井承擔施工段通過第三系N2洪積扇地層，設計有2 3 5 0 m為富水高承壓含水層，正常涌水量達36 500 m3/d，施工風險極大。

3 總體施工原理及方案

3.1 總體施工原理

結合鐵路單線隧道斷面特點，充分利用時間和空間效應，合理選擇“鉆、挖、裝、運、支”機具設備，運用信息化手段，實現“快挖、快支、早強、早封閉”，確保隧道質量安全。

上臺階鋼架架設緊貼掌子面，仰拱初支鋼架緊跟下臺階，初支結構快速封閉成環(huán)，盡早整體受力，保證隧道支護結構穩(wěn)定和施工安全。選用大型混凝土濕噴機械手（大于15 m3/h），提高混凝土施工質量和施工工效[3]。選用分離式作業(yè)臺架、小型挖掘機及裝載機，解決作業(yè)空間有限問題。上臺階立拱的同時進行下臺階出碴，實行平行作業(yè)[4]，以節(jié)省工序時間。

3.2 總體施工方案

總體施工工藝流程如圖1所示?？傮w施工方案具體如下。

圖1 施工工藝流程圖

3.2.1 操作要點與設備選型

隧道軟弱圍巖地層施工要點為“一強化、二緊跟、三超前、四到位”[5]。一強化即強化監(jiān)控量測；二緊跟即鋼架緊貼掌子面，初支仰拱封閉成環(huán)緊跟下臺階；三超前即超前預報、超前加固、超前支護；四到位即工法選擇到位，支護措施到位，快速封閉到位，襯砌質量到位。

施工采用微臺階法施工，機具設備選型是關鍵[6]。選用雙拼作業(yè)臺架、小型140挖掘機和ZL40裝載機，體積小、機動靈活；隧道噴射混凝土均采用濕噴機械手，質量穩(wěn)定，工效高，環(huán)境好。

3.2.2 臺階尺寸與臺架選型

3.2.2.1 臺階開挖高度和長度

合理選擇臺階開挖高度和長度。上臺階高度設置需考慮到臺架高度及相應的作業(yè)空間問題，下臺階及仰拱高度考慮在無機械配合前提下人工作業(yè)的便捷性，臺階長度綜合考慮保證挖機等機械的有效作業(yè)半徑和施工作業(yè)空間。

單線隧道臺階長5～6 m，上臺階高5～6.5 m，下臺階（含仰拱）高3～4.5 m；每循環(huán)開挖長度根據現場地質情況確定，一般Ⅳ、Ⅴ級圍巖段不大于2榀拱架。臺階橫斷面如圖2所示，縱斷面如圖3所示。

圖2 單線隧道微臺階橫斷面示意圖

圖3 單線隧道微臺階縱剖面示意圖

3.2.2.2 作業(yè)臺架

單線隧道斷面狹小，考慮臺架搬運的便捷性和存放位置錯車需要的寬度，上臺階作業(yè)臺架采用2個分離式臺架現場拼裝，單個臺架長約4 m，寬約2 m，高約3 m。下臺階（含仰拱）采用爬梯輔助作業(yè)。作業(yè)臺架設置如圖4所示。

圖4 單線隧道作業(yè)臺架設置示意圖

3.2.3 機械配套與施工組織

3.2.3.1 施工準備

分析超前地質預報、監(jiān)控量測信息；通風照明狀況良好，作業(yè)人員到位，組裝開挖作業(yè)臺架，接通風水管線，檢查設備機具。如圍巖無法自穩(wěn)，則需進行超前預加固[7]后進行開挖作業(yè)。

3.2.3.2 上、下臺階（含仰拱）鉆眼及爆破

測量放樣及布孔：工班長根據測量組放樣開挖輪廓線按照爆破設計進行布孔，技術員進行確認檢查。

鉆孔：定人定鉆，工人根據所分配的鉆眼范圍，采用YT-28風鉆濕式鉆眼，鉆孔采用Φ42 mm鉆釬，炮眼位置應先搗平，開眼時先低速運轉，待鉆進一定深度后再全速鉆進。

清孔：將帶有閥門專用吹管插入孔內，利用高壓風將雜物吹出。

驗孔：檢查有無堵孔、塌孔、串孔。并根據爆破設計檢查布眼形式，有無漏打情況。

裝藥：清孔完畢，裝藥由持證爆破員操作，每2人一組，按照鉆爆設計圖自上而下進行裝藥。裝藥量、雷管段別以及裝藥結構和裝藥方式嚴格按照爆破設計參數進行，完成后用炮泥堵塞密實。

連線：網絡連接按爆破設計將規(guī)定數目非電毫秒雷管腳線捆綁成束，由工作面向起爆點逐段進行連接，同時必須保證起爆的可靠性和準確性。

起爆：起爆前，所有人員撤離至安全地點，距離掌子面不小于300 m且不受有害氣體、振動及飛石傷害的安全地點；起爆由爆破員操作，安全員監(jiān)督。

通風排煙：風管口距掌子面約30 m，通風15 min后確保洞內空氣質量良好，由原裝藥爆破員進入作業(yè)現場查看，檢查有無盲炮、有無殘存的爆破器材。

3.2.3.3 扒碴及上臺階作業(yè)臺架就位

排煙結束后，現場領工員指揮挖掘機扒碴，處理掌子面范圍松動巖石，上臺階碴土平整完成后將后方分離式臺架移至掌子面，臺架安放必須保證穩(wěn)固牢靠，作業(yè)人員到場后安排專人手持鋼釬再次找頂，必要時對掌子面采取初噴混凝土等處理措施加固。

3.2.3.4 出碴

挖掘機扒碴，裝載機配合裝碴，自卸汽車運至棄碴場。下臺階出碴前將上臺階初支所需材料轉至上臺階。

3.2.3.5 拱架安裝及超期支護施作

上臺階安裝拱架、施作鎖腳錨管、網片、連接筋與超前支護（超前支護采用Φ42 mm無縫鋼管加工，單根長度為2倍循環(huán)進尺并嚴格控制安裝角度），并同步進行下臺階出碴，采用ZL40裝載機裝碴，自卸汽車運碴。出碴結束后開始下臺階立拱、施作鎖腳錨管、連接筋及鋼筋網片施工，同時人工配合挖機進行仰拱扒碴及清碴，該部分洞碴預留用作仰拱回填使用，仰拱扒碴結束后開始仰拱部位立拱與掛網施工。

出碴過程中將通風管接至距離掌子面30 m處，并且后方仰拱棧橋不得移動，以保證出碴汽車與運送材料的車輛通行。

3.2.3.6 噴射混凝土

下臺階及仰拱拱架、連接筋等施作完成后，進行噴射混凝土施工。混凝土罐車運輸初支混凝土至現場后采用濕噴機械手噴射，先仰拱后下臺階，完成后采用挖機對下臺階和仰拱部位進行回填洞碴至中臺階部位，形成坡道，然后采用挖機退出上臺階臺架，之后進行上臺階噴射混凝土，如圖5所示。

圖5 上臺階噴射混凝土

3.2.4 信息化施工

3.2.4.1 超前地質預報

由專業(yè)人員主要運用TSP、地質雷達、地質素描技術進行超前地質預報，特殊地質增加超前地質鉆探，根據預報結果及時分析，反饋指導施工。

3.2.4.2 監(jiān)控量測

制定監(jiān)控量測管理辦法，細化方案，建立監(jiān)控量測信息自動預警管理信息化平臺，明確各圍巖級別的預警管理值，將監(jiān)控量測納入工序管理。根據量測信息，動態(tài)優(yōu)化施工進尺和支護參數。發(fā)生預警時，按管理責任及時采取相應處置措施。對于大變形地段，加強監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，必要時進行實時監(jiān)控。

3.2.5 質量、安全控制要點

仰拱緊跟下臺階，特殊情況仰拱距掌子面極限距離：兩臺階法施工時按1倍洞徑控制；三臺階法施工時按1.5倍洞徑控制[8]。

隧道內施工必須設專人24 h值守，負責各施工工序間的組織銜接以及人、料、機的準備工作。

洞內機械設備多，同步開展的工序多，要做好各工序間的安全防護和日常管理，加強工序間交接和交通安全管理。

堅持每循環(huán)放樣、斷面檢查，準確測設開挖輪廓線，技術人員從炮眼位置、外插角、炮眼深度、裝藥到起爆各環(huán)節(jié)進行全程監(jiān)控。

上下臺階初支鋼架必須緊貼掌子面[9]，同時拱腳部位采用輕硬質墊塊墊實；拱架各單元連接板以螺栓連接牢固；每榀鋼架拱部、拱腳處，打設鎖腳錨管錨固，與鋼架在同一平面內，水平朝下30°～45°，使用鎖腳錨固筋將鎖腳和拱架雙面焊接，確保連接牢固；鎖腳打設完畢后，注水泥砂漿。為確保上下臺階連接部位初支施工質量，噴射混凝土時，上臺階拱腳必須設置鋼隔板。

軟弱地層隧道施工，必須把超前地質預報和監(jiān)控量測納入施工工序管理[10]，未進行監(jiān)控量測或量測預警未消除不允許施工人員進入現場作業(yè)。將監(jiān)控量測納入統一的信息管理平臺，認真做好超前地質預報和監(jiān)控量測信息分析，及時進行動態(tài)管理與信息反饋，防止隧道塌方造成人員傷亡。

4 機具設備及勞動力組織

單個工作面需要配置的機具設備如表1所示。單個工作面需要配備的勞動力如表2所示。

表1 機具設備配置表

表2 勞動力組織配備表

5 應用成果

中條山隧道地質情況差，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比大，工期緊，如采用傳統臺階法施工，不利于安全和工期控制，因此Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用了微臺階機械化快速施工技術。

根據施工技術指標，采用傳統臺階法施工，Ⅳ級圍巖地段進度指標為70 m/月，Ⅴ級圍巖地段為50 m/月。采取微臺階機械化快速施工技術后，Ⅳ級圍巖實際月平均進尺為90 m，Ⅴ級圍巖為75 m。Ⅳ、Ⅴ級循環(huán)時間表如表3所示。隧道歷時1 304 d，提前6個月安全貫通，未發(fā)生隧道塌方及人身傷亡事故。

表3 中條山隧道Ⅳ、Ⅴ級循環(huán)時間表

通過改進施工技術，經濟效益顯著，噴射混凝土質量100%合格，確保了工程質量和安全。最重要的是，豐富了單線鐵路軟巖隧道的施工方式，改善了施工作業(yè)條件，推動了隧道開挖施工技術的發(fā)展，具有巨大的潛在社會效益。

6 結論

隧道施工是所有鐵路工程建設質量、安全管控的重點，主要原因就在于工程的隱蔽性、地質條件的不確定性、工程結構的復雜性以及作業(yè)空間的受限性。因此在中條山隧道的施工過程中不斷總結、創(chuàng)新優(yōu)化施工工藝并在蒙華全線進行了推廣應用，取得了社會廣泛的認可。但仍有部分工作還有待提高，具體如下：一是隧道施工發(fā)展的出路在于機械化[11]，但目前中國隧道開挖仍然以人工為主，建議要加強配套的機械設備的研究和制造，提高機械化水平；二是隧道工程應實行動態(tài)優(yōu)化設計[12]，建議加強過程隧道地質預報分析、結構的監(jiān)測和受力分析工作。