隧道全斷面帶仰拱一次性開挖技術(shù)應(yīng)用

【摘 要】以高原鐵路某單線隧道為研究背景，通過在軟弱圍巖段開展全斷面帶仰拱一次開挖技術(shù)研究，節(jié)約了資源，避免了傳統(tǒng)仰拱二次爆破帶來的諸多問題，初支可以盡早封閉成環(huán)，相對于二次開挖仰拱，初支沉降量明顯減?。谎龉笆┕みM度加快，安全步距可控，保障了掌子面施工進度，安全高效；優(yōu)化了隧道施工工序，縮短了隧道整體工期。為同類隧道施工提供了技術(shù)參考和實踐經(jīng)驗，對隧道行業(yè)內(nèi)的科技創(chuàng)新起到了借鑒作用，推動施工領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】隧道； 全斷面； 仰拱； 一次性開挖

【中圖分類號】U455.41+2【文獻標志碼】A

0 引言

目前公路、鐵路隧道全斷面開挖過程中，一般采用仰拱單獨開挖方式，沒有隨全斷面一次開挖成型。掌子面開挖一段距離后，單獨二次開挖施工仰拱。初支封閉成環(huán)與掌子面距離較大，尤其在軟弱圍巖隧道中，不利于初支盡早封閉成環(huán)；多次開挖，工序繁瑣，火工品單耗增高，影響施工進度；高海拔地區(qū)單獨配備設(shè)備人員，造成資源浪費。本文通過在高海拔軟弱圍巖隧道中，研究全斷面帶仰拱一次性開挖施工工藝，對隧道安全高效施工具有重要意義。

1 工程概況

某高原鐵路項目某隧道2#斜井工區(qū)起訖里程DK983+418-DK989+270，全長5 852 m，隧道設(shè)計為兩座單線鐵路隧道，斷面尺寸7.5 m×6.9 m（長×寬），開挖斷面約80 m2（圖1）。

隧道圍巖主要為古近系宗白群砂巖夾泥巖，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較破碎、掌子面存在線狀出水，遇水有軟化現(xiàn)象，圍巖級別為IV級，隧道采用全斷面法進行施工作業(yè)，大型機械化配套施工。

隧道前期在采用仰拱以上部分一次開挖、仰拱部分二次開挖的工藝，但仰拱二次開挖不僅會增加開挖工序時間、仰拱進尺緩慢、導(dǎo)致安全步距存在超標隱患，也會影響隧道的整體施工組織。針對上述問題，項目基于大型機械化配套優(yōu)勢，針對IV級軟弱圍巖開展了爆破設(shè)計、優(yōu)化炮孔設(shè)計、裝藥參數(shù)等工作，研究了隧道正洞全斷面帶仰拱一次性開挖施工工藝。

2 施工工藝

2.1 全斷面帶仰拱一次性開挖工藝介紹

全斷面帶仰拱一次型開挖采用鐵建重工三臂鑿巖臺車爆破鉆孔。鉆孔前掌子面后方7 m長度范圍仰拱高度需預(yù)留臺車鉆臂空間，鑿巖臺車支立于距掌子面8 m位置，軌面以上部分與仰拱同時鉆孔，鉆孔完成后采用裝藥臺車進行裝藥，整體一次性起爆，全斷面成型，實現(xiàn)真正意義上的全斷面開挖。出渣同時預(yù)留7 m長度臺車鉆臂空間，拱墻和仰拱初期支護同步施作，依次循環(huán)作業(yè)，縮短工序時間［1-2］，加快施工進度。

2.2 全斷面帶仰拱一次性開挖工藝流程

2.2.1 場地平整

三臂鑿巖臺車就位前，采用挖掘機對場地進行平整，確保場地滿足大機行走以及支腿平穩(wěn)固定， 形成推進梁鉆孔的作業(yè)空間。

2.2.2 鑿巖臺車定位及鉆孔

現(xiàn)場依據(jù)測量控制點進行初次定位，定位后系統(tǒng)根據(jù)隧道中線及開挖輪廓線對炮孔位置實現(xiàn)精確定位，鉆孔施工時，將數(shù)字化爆破設(shè)計圖導(dǎo)入臺車控制系統(tǒng)，控制中心準確，嚴格控制作業(yè)臂鉆孔角度進行鉆孔。

2.2.3 裝藥爆破

三臂鑿巖臺車完成鉆孔作業(yè)退出后，裝藥臺車就位，組織裝藥作業(yè)，周邊光爆孔采用縱向間隔裝藥，為更好的控制裝藥比例與裝藥距離，在炸藥安裝前，逐孔量測周邊眼深度，將藥卷綁扎在竹片上保證裝藥間距（圖2、圖3）。

每個孔內(nèi)采用導(dǎo)爆管進行連接，確保完整的起爆網(wǎng)絡(luò)，孔口設(shè)置水袋進行堵塞，堵塞長度不小于50 cm，確保周邊孔良好的爆破效果。

2.2.4 出渣作業(yè)

爆破完成后及時進行通風(fēng)，安全員按照規(guī)定檢查完畢后，采用裝載機配合自卸車進行出渣作業(yè)，洞渣清理完畢后，再采用挖掘機進行找頂和排險。

2.2.5 測量及欠挖處理

測量人員使用3D掃描儀對本循環(huán)進行全斷面掃描，對欠挖位置進行標記，根據(jù)欠挖面積、程度選擇銑挖或補炮進行欠挖處理。

2.2.6 隧道初噴作業(yè)

找頂排險完成后，對場地再次進行平整，清理完成后，采用濕噴機械手進行初噴作業(yè)。

2.2.7 初支及復(fù)噴作業(yè)

初噴完成后，按照設(shè)計圖紙支護參數(shù)要求，進行鋼架安裝、錨桿打設(shè)、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片等支護作業(yè)，最后再采用濕噴機械手進行復(fù)噴作業(yè)。

2.2.8 仰拱回填及場地平整

復(fù)噴作業(yè)完成后，將已開挖仰拱按要求坡度進行回填，確保下循環(huán)鑿巖臺車、裝藥臺車等大型機械有合適的作業(yè)空間。

2.3 全斷面帶仰拱一次性開挖爆破設(shè)計

正洞IV級圍巖拱架間距1.2 m/榀，一次爆破進尺2.4 m，全斷面不帶仰拱一次開挖設(shè)計炮孔數(shù)量166個（圖4（a）），開挖斷面69 m3，炸藥單耗量1.1 kg/m3。全斷面帶仰拱一次開挖設(shè)計炮孔數(shù)量180個（圖4（b）），開挖斷面77 m3，炸藥單耗量1.02 kg/m3。

3 全斷面帶仰拱一次性開挖實施效果分析

全斷面帶仰拱一次性開挖施工工藝已在高原鐵路2#斜井全面推廣（圖5），已累計施工1 300 m，根據(jù)現(xiàn)場實施情況來看，單線隧道全斷面帶仰拱一次開挖法實施效果總體可行，一定程度上減少了仰拱開挖工序時間，且能夠加快仰拱循環(huán)，優(yōu)化整體施工組織。

3.1 工序時間分析

單線隧道全斷面帶仰拱一次開挖比全斷面不帶仰拱工序時間減少2.5 h，按照每循環(huán)開挖進尺2.4 m計算，3天可施工4循環(huán)，每3天減少開挖時間10 h，每月可減少100 h，月平均開挖進尺增加13 m，兩種開挖工藝對比下，全斷面帶仰拱一次開挖對進尺幫助較大［4］，保障了施工工期（表1）。

3.2 優(yōu)缺點分析

3.2.1 全斷面帶仰拱一次開挖優(yōu)勢分析

（1）全斷面帶仰拱一次開挖避免了仰拱部位二次爆破對圍巖、初支的擾動，有利于圍巖和初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［5］。

（2）全斷面帶仰拱一次開挖可實現(xiàn)全斷面機械化鉆孔，避免了原仰拱單獨開挖需要人工鉆孔的情況，機械化鉆孔提高了仰拱炮孔精度，提高仰拱開挖成形質(zhì)量［5］，并減少了超欠挖情況，線性超挖較人工開挖明顯減少。

（3）仰拱二次開挖因受場地條件限制只能使用人工鉆爆，而人工鉆爆需從洞外另接風(fēng)管，導(dǎo)致仰拱開挖工序時間長，開挖過程中會不同程度影響掌子面進度，同時仰拱單獨開挖爆破飛石易造成風(fēng)帶以及澆筑后仰拱填充面受損；采用帶仰拱一次全斷面開挖法可有效避免上述問題。

（4）全斷面帶仰拱一次開挖，將仰拱開挖工序前置，避免了在棧橋前進行爆破工序，有利于加快仰拱循環(huán)，實現(xiàn)3～4天施工一模仰拱。

（5）初支可以盡早封閉成環(huán)，相對于二次開挖仰拱，初支沉降量明顯減小。

（6）仰拱施工進度加快，安全步距可控，保障了掌子面施工進度［3］，安全高效。

3.2.2 全斷面帶仰拱一次開挖的注意事項

（1）由于鉆孔需要預(yù)留仰拱空間，在掌子面形成了低洼“集水坑”，鉆孔用水及圍巖滲水均流入已開挖仰拱內(nèi)，易形成仰拱泡水情況，仰拱長時間泡水造成基底軟化近而易造成超挖，需要配專人采用水泵進行及時抽排。

（2）拱腳開挖需控制好裝藥量，避免出現(xiàn)圍巖因爆破造成超挖，如有超挖拱腳需進行效支墊，不得懸空。

（3）仰拱初支完成后，回填保護，避免機械擾動破壞。

（4）仰拱襯砌施作前，機械開挖應(yīng)留有一定保護層厚度，人工清渣避免機械開挖破壞仰拱初支。

4 結(jié)束語

本文針對2#斜井工區(qū)軟弱圍巖及三臂鑿巖臺車機械特點，開展全斷面含仰拱一次開挖工藝研究，相比較仰拱二次開挖工藝，減少了隧道仰拱二次開挖的作業(yè)時間，加快了仰拱施工進度，保證了安全步距處于規(guī)定范圍內(nèi)，通過鑿巖臺車光面爆破技術(shù)優(yōu)化，減少了隧道爆破火工品單耗，加快了施工進度，安全步距可控，目前2#斜井工區(qū)三個工作面已全部應(yīng)用此工藝，實現(xiàn)了每月的計劃施工目標。全斷面帶仰拱一次開挖技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化隧道整體工序施工組織，縮短了隧道整體工期，為實現(xiàn)高原鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展提供技術(shù)參考和實踐經(jīng)驗，對隧道行業(yè)內(nèi)的科技創(chuàng)新起到了借鑒作用，推動施工領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻

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［5］ 張衛(wèi)霞. 鐵路雙線隧道Ⅲ級圍巖段全斷面（含仰拱）開挖法應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2018，58（6）：4.

［作者簡介］劉方曦（1988—），男， 本科，工程師，研究方向為隧道專業(yè)技術(shù)。