宜萬鐵路野三關隧道進口段快速施工技術

張新洲

(中鐵隧道集團有限公司,河南洛陽 471009)

1 工程概況

野三關隧道位于湖北省恩施州巴東縣野三關鎮境內,隧道全長13841m,為宜萬鐵路全線最長的隧道,工期緊,任務重,是全線關鍵控制性工程,隧道地質條件非常復雜,為全線 8座Ⅰ級風險隧道之一。其中由中鐵隧道集團承建的進口段Ⅰ線全長為8055m,起訖里程為 DK116+205～DK124+260,在預留Ⅱ線位置設貫通平導。隧道Ⅱ線是由平導擴挖而成。DK116+205～DK116+374段為燕尾式隧道及小間距隧道,其余段為雙洞單線隧道,線間距 30m。隧道最大埋深684m,隧道設計為人字坡,DK124+000前為上坡,后為下坡。隧道進口段1535m處于半徑為1600m的曲線上,其余地段處于直線上。野三關隧道進口段共穿越 2個褶皺(二溪河向斜、石馬壩背斜),3個涌水帶(DK116+205～DK118+000、DK118+375～DK119+700、DK119+700～DK121+050),5條斷層(柳山拐斷裂、堰潭沖斷裂、大坪斷裂 F12、水洞坪斷裂 F16、葉朝灣斷裂 F17),5種不良地質(巖溶及巖溶突水、突泥、斷層破碎帶、高地應力軟巖塑變、煤層瓦斯),最大設計涌水量為23527m3/d。

2 施工方法及時效

2.1 隧道快速施工方法

全隧采用鉆爆法施工,利用超前平導經橫通道進入Ⅰ線增加工作面,從而實現了長隧短打。Ⅰ線貫通后又經橫通道進入平導進行Ⅱ線隧道的擴挖。

2.2 隧道快速施工的時效情況

隧道施工一直保持在均衡、高效的狀態下進行。

平導(圖1)月完成開挖、初期支護 150m以上和250m以上的月份分別占施工月份的 92%和 60%,月完成最高值為 410m。

圖1 平導開挖進度時效圖

Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖,初期支護月完成 100m以上和200m以上的月份分別占施工月份的 94.11%和66.67%,月開挖最高達到 712m。如圖2所示。

Ⅰ、Ⅱ線襯砌月完成 100m以上和 200m以上的月份分別占施工月份的 90.19%和 84.31%,月完成最高 756m。如圖3所示。

3 施工方案及組織管理

3.1 開挖支護

圖2 Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖進度時效圖

圖3 Ⅰ、Ⅱ線襯砌進度時效圖

隧道根據不同圍巖級別及周邊環境選擇相應工法,Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用光面爆破施工技術,斜眼掏槽,全斷面開挖。Ⅳ、Ⅴ級圍巖的施工按臺階法施工,首先開挖上半斷面,待開挖至相關規范的長度后,錯開馬口開挖下半斷面,上下半斷面分三步同時并進的施工方法。開挖后及時加強支護,保證掌子面 2～3臺噴漿機,施工作業時確保 2臺能正常作業,盡量縮短支護時間,保證開挖、支護工序連續。在施工過程中不斷總結經驗,優化工藝,有效控制項目的責任成本,加強正洞的超欠挖控制,提高隧道爆破的成型質量。同時根據隧道設計情況,加強超前地質預測、預報,圍巖監控量測管理。根據量測結果,及時申請設計變更調整預留變形量及支護參數。

3.2 隧道襯砌施工

二次襯砌是隧道工程永久性承力結構的一部分,對提高隧道使用壽命和外觀質量具有重要的作用。本隧道二次襯砌采用全斷面液壓模板臺車襯砌,混凝土由洞外自動計量拌和站拌制,混凝土運至輸送泵,泵送入模,附著式振搗器振搗。拱墻襯砌澆筑采用 12m軌行式襯砌模板臺車施工。為保證隧道二次襯砌成型要求,臺車模板每次澆筑完后必須打磨光滑,除銹、涂刷脫模劑,并保證模板臺車無變形和破損。二次襯砌的成型很大程度上取決于混凝土的質量,因此在混凝土入模前嚴格控制其質量,同時也是保證襯砌質量的重要因素之一,混凝土嚴格控制計量、運輸過程監控、入模溫度、脫模強度、養護的多個方面進行控制,避免浪費;既降低工程成本,又提高工程質量。

3.3 施工運輸組織及管理

野三關隧道在施工高峰時開挖掌子面共有 8個,4個襯砌工作面,4個撿鋪底面同時施工,有軌運輸機械主要承擔各斷面出砟運輸、初支拱架和噴漿料運輸、二次襯砌以及撿鋪底混凝土運輸任務,運輸任務十分繁重。能否有效組織和合理配置機械,對施工進度至關重要。

有軌運輸在實際使用過程中對線路要求比較嚴格,能否有效合理地鋪設軌線,對運輸效率和行車安全有著至關重要的影響,所以在鋪設線路時要遵循有關的技術要求和運輸量的需求進行設置。洞口設總調度室,對所有車輛進行統一調度,安排進洞材料的規格、數量、運達時間和位置,出砟車排空后及時進洞待命。根據施工的不同階段,選擇最佳位置設洞內調度值班室,向進洞待命的砟車下達運輸的任務,明確到達的地點,運輸的內容,進入和返回的路線等。每輛車配備電瓶車司機 1人,車輛引導員 1人,車輛引導員始終位于車輛前進方向的前端,依據調度命令引導車輛運行和會讓。

設備的管理,設備物資部主要對設備進行選型和配套工作,設備到達后制定相應的管理制度并監督實施。在日常工作中除保證運行材料、配件等能滿足行車要求外,制定了詳細的維修保養計劃并監督機械隊、運輸隊對機、礦車維修、保養落實情況,保證設備利用率和完好率。

安全管理:針對長隧獨頭掘進,作業面多,運輸管理戰線長的實際,針對運輸隊勞務工多,司機、調車員工作特殊性,管理難度大,安全隱患多,工區加強運輸系統的組織管理,重視運輸保障工作。把運輸安全放在首位;堅持從提高隊伍素質入手,加強員工運輸安全教育,嚴格交接班和司機、調車員安全操作規范,加強操作人員的安全技能培訓,做到會操作、會保養。對車輛運輸實行了“三工制”管理。即:工前安全行車檢查、工中運行情況跟蹤、工后嚴格車況交接。堅持工作總結分析制度,對運輸中有阻礙施工生產的重大問題,生產副經理及時組織相關人員召開專題會進行討論,分析原因、找出問題、制定解決方案,確保施工運輸正常運行。

3.4 施工通風管理

3.4.1 施工通風的難點及解決對策

野三關隧道進口段長8055m,中間沒有設置斜豎井,新風的進入和污風的排出均要經隧道進口實現。針對通風距離長,開挖工作面多,施工通風困難大的特點。在施工過程中根據不同的施工階段采用巷道式通風 +局部壓入式通風相結合的方式解決長大隧道的通風問題。

3.4.2 施工通風現場的實施

第一階段通風布置和實施。

開工后,洞口燕尾段隧道施工期間,平導施工進入Ⅰ線施工時的通風方式,如圖4所示。

圖4 野三關隧道進口段第一階段通風布置示意

第二階段通風布置和實施。

燕尾段隧道施工完成以后,隨著Ⅰ線與洞口貫通的掌子面的前移,具備利用巷道通風條件時,采用如圖5所示的通風方式。新風從平導進入,污風經橫通道由Ⅰ線正洞排出。隨著施工的進展,風機位置逐段前移。

圖5 野三關隧道進口段第二階段通風布置示意

第三階段通風布置和實施。

Ⅱ線擴挖階段的通風及施工后期,由于新增工程量部分,采用 I、Ⅱ線同時掘進,利用Ⅰ線做進風通道,Ⅰ線布置射流風機引射新風,利用平導和擴挖中的Ⅱ線排出污風,Ⅱ線設置射流風機引導污風,在每一個擴挖掌子面配備 1臺挖掘機,爆破后及時清通封堵平導口,保證污風的及時排出。如圖6所示,

圖6 野三關隧道進口段第三階段通風布置示意

4 高效、均衡生產的組織管理

4.1 人員機構管理

首先,從隊伍的架構上組織專業協作,選擇具有良好施工業績的隧道公司為工區的主體;由中鐵隧道設計院工勘分院組織了強有力的超前地質預報預測隊伍,負責地質補勘、超前探測、地質資料的綜合分析及超前地質的預報工作,承擔與深孔鉆探有關的作業(如:大管棚、帷幕注漿、錨索的施工等);由中鐵隧道集團科研所通風組負責洞內通風方案的設計、研究完善和通風管理;由中鐵隧道集團物資中心宜萬材料廠負責工地所需甲供料、甲控料、火工品、油料、木材等大宗料的集中采購。分工協作,各負其責,無縫對接,高效運轉。

其次,工區作業層形成分工明確,界面清楚,相互配合的多個生產單元流水作業,在以生產經理為中心的生產調度的統一指揮下,根據各作業面的輕重緩急,按照合理、高效的原則,組織各生產單元有序的開展工作。

4.2 設備選型考慮的因素

(1)施工方案。機械設備的選型、配套和施工方案密切相關。根據地質條件、工期要求,通過比選,確定總體施工方案為:采用傳統的鉆爆法施工,以機械化施工為主,洞內為有軌運輸,開挖以全斷面為主,局部軟弱圍巖采用短臺階。襯砌采用整體液壓鋼模襯砌臺車。洞內的有軌運輸方式,選擇的機械設備要和方案配套。

(2)工期要求。工期要求緊,機械設備的型號和數量必需滿足工期要求。盡量選擇性能好、效率高的設備,但防止出現大馬拉小車的現象,造成部分設備生產能力得不到充分發揮。

(3)隧道的形狀和尺寸。隧道屬地下工程,洞內空間有限,設備選型除了考慮性能和配套以外,還要考慮結構尺寸、工作半徑等。如果選型不當,則設備無法在洞內正常工作或相互之間干擾,野三關隧道進口為電化隧道,平導超前,正洞斷面形狀為馬蹄形曲墻斷面和直墻斷面,開挖斷面積 52.35～79.12m2,主要考慮的是設備的裝砟半徑,太小影響進度,太大則設備能力得不到發揮。同時所有的洞內進出設備都要滿足襯砌臺車的凈空要求。

(4)環境要求。洞內的空氣污染主要來自爆破后有害氣體及設備產生的廢氣。對于長大隧道,洞內通風距離長,排煙難度大,因此盡量選用電動設備,選用大功率的通風設備,少用或不用內燃設備,以減少洞內的污染源。

(5)企業形象要求。好的機械設備,可以樹立企業形象,同時也促進企業進步。當然這要結合企業現有的經濟能力、設備狀況和技術水平等因素綜合考慮。

4.3 機械配套

4.3.1 開挖設備配套

正洞及平導均采用鉆爆法施工。利用多功能臺鑿巖臺架配 YT28型風動鑿巖機實施斷面開挖,平導開挖工作面 1個,正洞開挖工作面由前向工作面和利用超前的平導通過橫洞進入正線的工作面組成,一般情況下有 3～4個。開挖設備的動力為壓縮空氣,由洞口的空壓站及洞內的移動空壓機向其供應。

4.3.2 裝運設備配套

野三關隧道進口洞內采用有軌運輸方式,鋪設 38 kg/m鋼軌的軌道,軌距為 762mm。開挖出砟及各種材料的運送均由電瓶機車牽引梭式礦車來完成。正洞全斷面開挖或擴挖掌子面的裝砟由輪式裝載機進行,正洞導坑開挖和平導開挖掌子面的裝砟由 WZ160型挖裝機進行。洞外棄砟的二次倒運由輪式裝載機配大型自卸汽車實施。

電瓶車和梭礦的數量確認:根據進度要求,隧道掘進每個循環要求出砟 240min,考慮到供電、清砟等輔助工作,必須保證在 200min內為正常的出砟時間,而每循環進尺 3.5m,以掘進4000m時為例,每循環需出砟車數:(75×1.65×3.5)/(16×0.8)=35(車),式中:1.65為砟堆的松散系數;0.8為裝砟時梭礦的容積系數。

每車的平均時間要求為:T1=200/35=5.7min

每一車從裝卸到往返的總時間計算:

T=2L/V+T′+T″

式中,T′為每個梭礦的裝車時間,取平均時間 5 min;T″為洞口調車及卸砟時間,經驗數據為 8min;V是電瓶車的運行速度,取 15km/h。

所以在4km內:T=45min,需列車數:N=45/5.7=7.89輛。

根據計算,一個作業面需配備 10臺電瓶車,相應配備 12臺梭礦。考慮到施工高峰時有 3個工作面同時進行出砟作業,應配備 30臺電瓶車,相應配備 35臺梭礦。此配套施工的運行效果:每循環出砟 35車,最快出砟時間 200min,一般情況下210～230min就可完成一個循環的出砟。

4.3.3 隧道襯砌設備配套

野三關隧道仰拱鋪底和襯砌用混凝土由洞外混凝土攪拌站進行生產,由混凝土攪拌輸送車向洞內運送,再由混凝土輸送泵一次將混凝土泵送到位,其襯砌模具根據不同的襯砌類型設計,分別采用不同的模板臺車,形成了混凝土襯砌施工機械化作業線。

4.3.4 隧道注漿設備配套

野三關隧道進口地段地質復雜,部分地段圍巖破碎、且正線還要穿過部分高壓富水充填性溶洞,開挖前必須進行全斷面帷幕注漿和頂水注漿,以改善和加固開挖圍巖的施工條件,并堵截大部分壓力水從洞內排出,以形成安全、良好的施工環境。其注漿設備由MK-5坑道和 7～30MPa的單、雙液注漿泵組成。

4.3.5 隧道通風設備配套

野三關隧道施工采用巷道式通風和局部壓入式通風相結合的通風方式,由射流風機 22～55kW和 74～110kW軸流式通風機以不同的組合方式來完成隧道施工不同階段的通風工作。

5 結語

野三關隧道進口之所以取得了較好的成績,是重點抓了“地質為綱、專業協作、平導超前、均衡高產”4個方面的工作。簡述如下,希望能對今后長大隧道的施工組織和管理有所幫助。

5.1 地質為綱

在長大隧道的施工組織設計中,施工方案的確定,施工進度的安排,施工機械,人員的配置都是建立在對地質條件的充分認知的基礎上的。施工過程中各掌子面的進度安排、施工方案的調整都是在超前地質預報測預工作的基礎上進行的。應當說,一座長大隧道的施工能否安全、高效、有序地展開是與組織管理人員對施工地質工作的重視程度和對地質環境的了解程度有直接關系的。從某種意義上講,施工地質工作就是長大隧道施工的綱,只要抓住了這個綱,就會對所施工區域的地質條件了如指掌,安排工作就會有針對性,將起到事半功倍的效果。我們充分認識到了這一點,在工程的策劃階段,邀請中鐵隧道設計院工勘分院組織了強有力的超前地質預報預測隊伍駐場作業,參與施工方案的編制、施工進度的安排、配合隧道開挖的全過程。有效地保證了野三關隧道進口段施工生產安全、高效、有序的推進。

5.2 專業協作

組織專業協作,發揮各自優勢,是長大隧道施工行之有效的方式,野三關隧道進口從兩個層面上組織專業協作,取得了良好的效果。

5.3 平導超前

平導超前是長大隧道快速施工的必備條件。長大隧道快速施工首先要解決的是工作面不足問題,只有平導始終超前正洞開挖面最前面的通道口 2～3個橫通道長度,才有可能給開挖工作提供足夠的工作面。

5.4 均衡高產

均衡高產是充分利用作業空間、機械設備和人力資源的綜合反映,是組織能力和生產調度能力的綜合體現,是長大隧道快速施工的有力保證。

[1] 鐵道第四勘察設計院.新建鐵路宜昌至萬州段長大復雜隧道施工地質匯報材料[Z].武漢:2004.

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