單線鐵路隧道鉆爆法快速施工技術研究

謝永福 楊方林 趙宗波 解振乙 李洲

第一作者簡介：謝永福（1987-），男，工程師。研究方向為隧道工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.042

摘? 要：為實現(xiàn)單線鐵路隧道鉆爆法快速施工，該文以賢昌隧道為工程背景，通過工程調研和現(xiàn)場實踐，從工裝配套、施工工法和施工交通組織3方面進行優(yōu)化探索，實現(xiàn)施工進度的大幅提高。實際效果表明，工裝配套設計需要從實際工程特點出發(fā)，適用性好的配套工裝可以大幅提高施工進度，保證施工質量，同時降低施工成本；在保證施工安全前提下對施工工法進行優(yōu)化，利于專用設備作業(yè)，同時保證工序快速銜接；從全局考慮附屬設施功能需求，可結合施工階段需求對洞室進行調整。該文所得研究成果可為后續(xù)類似工程提供借鑒經驗。

關鍵詞：單線鐵路隧道；鉆爆法施工；快速施工；工法優(yōu)化；施工交通組織

中圖分類號：TU9? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0181-04

Abstract： In order to realize the rapid construction of single-track railway tunnel by drilling and blasting， this paper takes Xianchang tunnel as the engineering background， through engineering investigation and field practice， carries on the optimization exploration from three aspects： tooling， construction method and construction traffic organization. The construction progress has been greatly improved. The actual results show that the matching design of tooling needs to proceed from the characteristics of the actual project， and the matching tooling with good applicability can greatly improve the construction progress， ensure the construction quality and reduce the construction cost at the same time; the optimization of the construction method under the premise of ensuring construction safety is conducive to the operation of special equipment， while ensuring the rapid connection of working procedures; considering the functional requirements of ancillary facilities as a whole， the cavern can be adjusted according to the needs of the construction stage. The research results of this paper can provide reference experience for follow-up similar projects.

Keywords： single-track railway tunnel; drilling and blasting construction; rapid construction; construction method optimization; construction traffic organization

單線鐵路隧道中采用鉆爆法施工時，既受限于小斷面隧道施工空間對大型高效施工設備運用的約束，以及施工工序相互干擾大，也受限于鉆爆法本身工藝特征決定的施工過程中機械化程度往往相對較低，人力需求相對較大，從而導致施工進度緩慢，施工效益水平低下。

針對上述問題，在提高單線鐵路隧道鉆爆法施工效率方面，隧道相關從業(yè)人員在從提高鉆爆法施工機械化程度，優(yōu)化施工工法和改善施工交通組織方面進行了很多針對性研究[1-5]。在提高鉆爆法施工機械化程度方面，王飛陽等[6]將機械化配套分為I型、II型和常規(guī)機械化配套3種類型；王耀等[7]總結了高海拔隧道施工機械配套的基本原則；吳夢軍等[8]提出山嶺隧道機械化發(fā)展方向主要為信息化、智能化、成套化和裝配化；王夢恕等[9]建立了以四臂門架式鑿巖臺車、扒裝機和重軌重載運輸為主要方式的快速施工方法；萬姜林等[10]提出了鉆爆法施工中的裝運、初期支護和襯砌施作是提高機械化程度的3個主要方面。在工法優(yōu)化和施工交通改善方面，劉全貴等[11]以何家灣隧道為背景，對施工交通組織優(yōu)化和仰拱施作進行了研究；謝文清等[12]以連云山隧道為背景，從工裝配套、工藝工法優(yōu)化和改善施工交通組織3方面對單線隧道快速施工技術進行了研究。上述研究在提高單線鐵路隧道快速施工水平上均做出了卓有成效的成果，但新結構、新裝備和新技術在不斷發(fā)展，需要在新的技術基礎背景下對提高單線鐵路隧道施工效率上進行新的探索。

為進一步提高單線鐵路隧道施工效率，本文以賢昌隧道為工程背景，通過工程調研和現(xiàn)場實踐，從工裝配套、施工工法和施工交通組織3方面進行優(yōu)化探索，擬為今后類似工況隧道設計和施工提供一定參考。

1? 工程概況

1.1? 地質概況

賢昌隧道屬翁馬鐵路南北延長線馬場坪至都勻段，位于黔東南麻江縣賢昌鎮(zhèn)賢昌村附近，全長5 759 m，隧道最大埋深為250.6 m，為單線鐵路隧道，設計時速為120 km/h。隧道穿越地層主要包括灰?guī)r、燧石結核灰?guī)r、硅質巖、頁巖及煤層等，穿越不良地質構造主要為斷層帶，包括都勻斷層、平山斷層、馬鞍山斷層、長坡斷層和大坪斷層，隧道洞身段整體工程地質及水文地質條件復雜。

1.2? 總體施工方案

賢昌隧道整體施工依據(jù)“短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的原則，明洞段及洞口段采用明挖法施工，洞身段采用鉆爆法施工，洞身段圍巖包含Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，其中Ⅲ級圍巖段采用全斷面法開挖，Ⅳ級圍巖段采用臺階法開挖，Ⅴ級圍巖段采用臺階法配合臨時仰拱開挖。隧道標準開挖斷面寬度約6.5 m，高度約8.0 m，隧道襯砌結構如圖1所示。隧道施工采用無軌運輸，二次襯砌采用整體模板臺車。

1.3? 工程重難點

賢昌隧道為典型的單線鐵路隧道，施工斷面小，洞內施工作業(yè)空間有限，各工序之間相互干擾大，同時單向掘進距離長，另外傳統(tǒng)鉆爆法施工機械化程度低，施工進度緩慢，因此，施工組織及運輸協(xié)調是本隧道快速施工的重難點。

2? 工裝配套設計

合理的施工裝備配套既可以有效提高施工機械化程度，進而提高施工效率，保證施工質量，同時減少各工序之間的相互干擾，加強洞內通行能力，是實現(xiàn)隧道快速施工的關鍵。

2.1? 洞身開挖工裝配套

采用鉆爆法開挖時，掌子面部位長時工序主要包括爆前鉆孔和爆后石渣清運。

爆前鉆孔常用設備包括氣動鑿巖機及配套的空壓機組，其中氣動鑿巖機多為單人或雙人操作，需要一定作業(yè)空間。氣動鑿巖機數(shù)量與開挖面大小有關，當采用全斷面開挖時，氣動鑿巖機數(shù)量以15～18臺為宜，配套空壓機組需滿足60～80 m3/min出氣量；當采用臺階法開挖時，氣動鑿巖機數(shù)量以10～12臺為宜，配套空壓機組需滿足40～60 m3/min出氣量，具體設備配置見表1。表1? 洞身開挖工裝配套

爆后石渣清運中，運輸載具是關鍵裝備，需要綜合考慮載具功效及洞內交通壓力，根據(jù)賢昌隧道開挖斷面面積，采用車輪間距約為3 m的裝載機及車輪間距約為3 m的自卸車，未采用小斷面隧道專用的小型機械設備。

2.2? 初期支護施工工裝配套

初期支護施工主要包括錨桿安裝、鋼架鋪裝及噴射混凝土。施工所用設備及數(shù)量見表2。

錨桿安裝中鉆孔過程是主要長時工序，結合作業(yè)空間特點，采用手持式氣腿鑿巖機，以利用其鉆孔速度快、重量輕、搬運方便及操作簡單的優(yōu)點，同時配備空壓機組。當采用全斷面開挖時，手持式氣腿鑿巖機數(shù)量以8～10臺為宜，配套空壓機組需滿足40～50 m3/min出氣量。

鋼架鋪設過程，基于小斷面隧道單節(jié)/單段鋼架長度較小，重量較輕，同時考慮洞交通壓力，放棄采用鋼架鋪設專用機，采用更為靈活的人工鋪設。

噴射混凝土采用濕噴機械手，噴射能力宜大于15 m3/h，相較于干噴機，濕噴機施作混凝土質量強度離散性低、回彈量較少，整體功效較高。初期支護施工設備配置見表2。

表2? 初期支護施工工裝配套表

2.3? 仰拱及填充層施工工裝配套

仰拱及填充層施工中關鍵設備主要為棧橋。目前常見棧橋長度分別為12 m短棧橋和24 m長棧橋，長棧橋相較于短棧橋單次組裝和定位時間長，但綜合單次澆筑有效長度，長棧橋平均日進尺約比短棧橋長約1～2 m，且配置人數(shù)少1～2人。12 m短棧橋與24 m長棧橋具體工效對比見表3，由表3可以看出，24 m長棧橋綜合工效高于12 m短棧橋，同時考慮采用棧橋施工時，棧橋長度對洞內交通影響區(qū)別不大，因此，本隧道采用24 m長棧橋施工。

表3? 12 m短棧橋與24 m長棧橋工效對比

2.4? 防排水施工工裝配套

防排水施工主要包括基面處理、土工布鋪掛和防水板鋪掛3個工序，其中基面處理多為人工處理，而土工布鋪掛和防水板鋪掛已有相關裝備。本項目施工前期采用人工方式進行土工布鋪掛和防水板鋪掛，后期采用自動鋪掛臺車。采用自動鋪掛臺車進行土工布和防水板鋪掛施工時間相較于傳統(tǒng)人工方式時長縮短3.5 h，縮短近50%時長。土工布和防水板鋪掛采用定長和定寬，綜合考慮鋪掛難度、單次鋪掛長度、時間及人員配備人數(shù)，最終確定土工布和防水板定寬為12 m。防排水施工設備配置見表4。

表4? 防排水施工工裝配套

2.5? 襯砌施工工裝配套

傳統(tǒng)普通襯砌臺車多是門字型框架結構，其缺點在于當對門架進行絲杠固定支撐時，絲杠支撐需在地面上鑿出錨固點，此時占用內部通行空間，因此，在單線鐵路隧道襯砌施工中采用傳統(tǒng)普通襯砌臺車會嚴重占用洞內空間，影響洞內交通。另外，傳統(tǒng)普通襯砌臺車安裝和固定過程中絲杠數(shù)量多，人工作用耗時費力。本項目借鑒和對比無門框襯砌臺車成功案例，認為小斷面隧道襯砌施工中采用無門框臺車具有明顯優(yōu)勢，本項目設計并使用了新型無門框臺車，采用銷軸傳力方式最大程度上減少對臺車內部交通空間的占用，解決工程車輛通行問題。

3? 施工工法優(yōu)化

施工工法的優(yōu)化是指在保證施工安全的前提下對施工過程中工序銜接或合并進行調整，減少或簡化施工過程，從而達到快速施工的目的。

3.1? 隧底一次性開挖

賢昌隧道設計開挖工法主要包括全斷面法和臺階法，為減少開挖工序，在工程調研和現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析的基礎上提出在全斷面法開挖中拱墻和仰拱一次性全開挖以及在臺階法開挖中下臺階與仰拱一次性全開挖，統(tǒng)稱為隧底一次性開挖。隧底一次性開挖既減少了開挖工序，同時避免仰拱爆破開挖時對上部鋪設的風水管路產生影響。

3.2? 工裝適配臺階高度和長度

目前，在臺階法施工中上臺階高度無明確規(guī)范，多以工程類比或通過現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)反分析確定。上臺階開挖高度通常為4.5～5.0 m，同時單線鐵路隧道上部窄，因此，常見裝載機或交通車輛無法在上臺階快速或順暢通行。為盡可能為交通車輛或施工裝備提供足夠的通行空間，通過對前期隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，在保證施工安全的基礎上將上臺階開挖高度調整為7 m。

臺階長度的優(yōu)化同樣考慮在保證施工安全的前提下盡可能保證施工設備的空間需求。過長的臺階長度導致初期支護長期無法閉合，帶來施工安全隱患，而過短的臺階長度不滿足施工設備空間要求。在本項目中采用濕噴機械手進行初期支護噴射混凝土施作，需要混凝土攪拌車進行配合，此時對臺階長度需求最大。經過現(xiàn)場調研和測算，當臺階長度大于13 m時，可滿足濕噴機械手和混凝土運輸車同時作業(yè)，考慮施工安全，臺階長度不宜大于20 m，因此，本項目中臺階長度按13～20 m控制。

4? 施工交通組織優(yōu)化

施工交通組織優(yōu)化主要參考浩吉鐵路連云山隧道施工中將避車洞變更為綜合洞室的做法，其本質在于增加洞內空間，將最大倒車距離縮短至200 m，減少倒車距離和時間，降低錯車難度，從而提高施工效率。本項目原有避車洞變更為大小避車洞沿隧道縱向間隔布置，2個避車洞之間縮短至25 m，如圖2所示，很大程度上減少了錯車和倒車的時間和難度，便利施工交通，提高施工效率。

5? 結論

針對單線鐵路隧道鉆爆法快速施工問題，本文通過工程調研及現(xiàn)場實踐，從工裝配套、工法優(yōu)化和施工交通組織優(yōu)化3個方面進行探索，得到以下結論和建議。

1）通過對配套工裝、施工工法和施工交通組織的優(yōu)化，本項目中III級圍巖段落中平均每月進尺最大可達160 m，IV級圍巖段平均每月進尺可達110 m，相較于優(yōu)化前施工進度綜合提高約30%。

2）概念上的專用設備或配套設備需根據(jù)實踐或考慮實際制約因素進行適用性驗證，如本項目未采用專用小型隧道石渣專用車輛，而是采用常見通用運輸車輛；積極采用新型有效的設備可優(yōu)化施工組織思路和方案，如本項目所提到的土工布和防水板自動鋪掛臺車以及新型無門框臺車。

3）在進行施工工法優(yōu)化時，要根據(jù)隧址實際地層情況以及現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行驗證，不可僅從施工進度或工效角度出發(fā)。

4）洞內空間是制約洞內施工交通和施工效率的控制性因素，因此結合附屬結構設置方案和功能要求，對其進行空間位置優(yōu)化以為施工階段的施工交通提供便利，提高施工效率，如項目對避車洞的變更，為施工交通提供便利。

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