鐵路特長隧道施工機械配套技術

王宏禮，孫建岐

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000;2.中國中鐵一局集團 第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

我國鐵路隧道機械化施工經歷了小型設備鉆爆法施工、大型無軌運輸設備鉆爆法施工和非鉆爆法施工3個階段，從部分機械化作業逐步走上綜合機械化配套的發展過程。從人工開挖到TBM的使用，我國隧道機械化施工的綜合水平與20世紀50年代相比已經發生了質的飛躍。鐵路特長隧道的施工方法主要有鉆爆法和隧道掘進機(TBM)法。我國鐵路隧道施工只在西康線秦嶺隧道、西合線磨溝嶺隧道以及蘭渝線西秦嶺隧道采用TBM配套施工技術和TBM加鉆爆法混合施工技術。目前隧道施工主要還是采用鉆爆法施工。

1 工程概況

新建云桂鐵路石林隧道位于彌勒—石林板橋區間，設計為單洞雙線隧道，全長18 218 m，為全線最長隧道、全國最長單洞雙線隧道、全國最長巖溶隧道、世界上最長采用鉆爆法施工的巖溶隧道。隧道最大埋深約250 m，最小埋深拱頂以上約3 m。石林隧道設置“一平導+兩斜井”的輔助坑道模式。隧道穿越巖性均為灰巖，巖溶強烈發育，部分地段極強烈發育。隧道通過6條斷層和4條斷層破碎帶，不良地質為巖溶、高地應力。富水斷層及巖溶發育地段極易發生突水、突泥等地質災害。隧道中部埋深較大地段可能發生硬巖巖爆與軟巖大變形地質現象，為I級風險隧道。隧道施工高風險源多，施工風險管理難度大，施工安全和工期控制難度大，總工期64個月，為全線重點控制工程。

根據施工管轄段的工程分布情況、工程量的大小及工期要求，隧道施工劃分為四個工區組織，分別為進口工區、1號斜井工區、2號斜井工區及出口工區。每工區按流水作業組織施工，出口工區屬于工期控制性工區。具體各工區施工段劃分見圖1。

2 施工機械設備選型及配套

2.1 機械設備選型原則

1)針對不同的施工工序按專業化組織流水作業，以性能好、效率高、機況良好的大型設備裝配挖裝運、錨噴、襯砌、輔助作業等主要作業線，實現各機械化作業線的有機配合，用機械化程度的提高來實現隧道施工的穩產、高產。

2)開挖能力大于施組能力;裝渣能力大于開挖能力;運輸能力大于裝渣能力。

3)施工機械與施工方法配套，既要考慮圍巖較好時的全斷面法，又要兼顧地質較差時的應變方法。

4)施工機械與人員配套，一方面機械應能保證操縱人員的安全，另一方面先進的施工機械必須配備素質較高的操作人員，才能發揮其應有的作用。

5)設備配置富余系數不宜過大，以避免造成部分設備能力的浪費。

6)設備外形尺寸應與隧道斷面相適應，并根據不同的施工形式優化配置;機械設備的配備要適應特長隧道施工的特點。

7)施工機械要與隧道輔助施工作業配套，如供水、排水、通風、電力、軌道等。

8)同類機械設備盡可能采用同廠家的設備，以便于維修、配件供應和通用互換，確保機械使用率。同時，充分考慮設備國產化。

圖1 各工區施工段劃分示意(單位:m)

2.2 施工機械設備選型及配套

2.2.1 施工機械設備配置方案

石林隧道施工采用噴錨構筑法，本著“科學籌劃、動態控制、嚴控關鍵線路、均衡生產”的原則組織現場施工。施工機械設備本著“技術先進，性能可靠，滿足需求，略有富余”的原則，均按無軌運輸模式配備。形成開挖、裝運、支護及二次襯砌等機械化平行流水作業線，實現隧道施工的快速、連續、均衡生產，全面完成工程各項預定目標。

隧道洞身Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面采用液壓鑿巖臺車或多功能作業臺架配風動鑿巖機鉆孔，Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工段采用多功能作業臺架配風動鑿巖機鉆孔。隧道洞身開挖實施光面爆破，挖掘機配合側卸裝載機裝渣，15 t以上的大型自卸汽車運輸。初期支護采用風鉆或臺車打孔，人工配合多功能臺架安裝錨桿和掛設鋼筋網片，噴射混凝土采用濕噴工藝。

根據施工總體安排，隧道在平導貫通前采用長管路壓入式通風;平導貫通后采用巷道式通風與壓入式通風相結合的方式。反坡排水采用三級泵站接力抽排方式。隧道正常斷面二次襯砌采用仰拱先行，拱墻襯砌采用整體式液壓模板臺車整體澆筑，模板臺車長度為12.2 m。襯砌按照圍巖級別和施工工期要求分段進行施工。

2.2.2 鑿巖機械

隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖施工方法以全斷面為主，Ⅲ級(部分)、Ⅳ級圍巖施工方法以臺階法為主，Ⅴ級一般地段以臺階法加臨時橫撐為主，斷層及物探顯示極破碎、極軟弱地段以四部CD法或三臺階預留核心土法為主。

隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用全斷面法施工，配備多功能臺架配合風鉆進行鉆孔作業，非電毫秒雷管、二號巖石乳化炸藥光面爆破，全斷面一次成型。進口工區平導輔助正洞施工1號工作面，Ⅱ、Ⅲ級圍巖開挖采用鑿巖臺車進行鉆孔作業。Ⅲ級(部分)、Ⅳ級圍巖采用正臺階法施工，分上下臺階施工，采用多功能平臺風鉆打眼，非電毫秒雷管、二號巖石乳化炸藥光面爆破。爆破后，上斷面挖掘機扒渣，下斷面采用挖掘機配合側卸式裝載機裝渣，自卸汽車運輸。

2.2.3 裝運機械

結合隧道每天最大出渣量和最佳循環進尺，并考慮出渣設備和開挖設備的配套，采用隧道自卸式汽車運渣方式，進口工區平導輔助正洞施工1號工作面選用JGMWZ340隧道挖裝機裝渣。該機為履帶式，生產能力為340 m3/h，投入 2臺(使用1臺，備用1臺)。正洞其它工作面各配備1臺1.2 m3以上挖掘機配合3 m3側卸裝載機裝渣。考慮到隧道斷面和施工場地的狹窄，選用外形尺寸合適、經濟實用的國產15 t汽車進行出渣作業。每個工區配備12臺(使用9臺，備用3臺)自卸汽車。為了解決施工過程中出渣車輛會車問題，每420 m設1處會車道。

2.2.4 支護機械

超前管棚采用Z-GP150型管棚鉆機鉆孔并頂進鋼管。管棚采用外徑φ80 mm、長6 m的鋼管加工。根據每組管棚的長度要求，用1 m長的φ40 mm鋼管將φ80 mm的鋼管逐根套接以控制管棚的順直度，再將φ80 mm的鋼管焊接。鋼管沿縱向每30 cm鉆孔一個。孔眼呈梅花形布置。管棚環向間距33 cm，縱向搭接長度為2 m，外插腳控制在 5°～7°。管棚之間采用φ40 mm小導管，水泥—水玻璃雙液注漿泵注漿加固。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖采用小導管超前支護。小導管采用φ42 mm熱軋無縫鋼管，鋼管壁厚3.5 mm，單根長3.5 m，每2.4 m一環。小導管利用風鉆鉆孔，鉆進至設計孔深后利用高壓風吹凈孔眼內的粉塵及巖石碎屑，然后再采用人工錘擊或風鉆釬尾頂入小導管。其余地段均采用自進式錨桿、砂漿錨桿作為系統錨桿和噴射混凝土支護體系。局部地段設格柵或型鋼剛架。φ80 mm長管棚采用Z-GP150型管棚鉆機施工。錨桿采用人工風鉆打孔。注漿泵注漿，TK500濕噴機噴射混凝土。

2.2.5 襯砌機械

襯砌按照“仰拱先行、拱墻整體襯砌”的原則進行施工。襯砌的施作時間依據量測而定，在圍巖及初期支護變形基本穩定后進行;對自穩性很差的圍巖，盡早施作襯砌，以策施工安全。一般仰拱與開挖面保持30～90 m，襯砌與掌子面保持90～200 m。仰拱施工采用架設棧橋，每8～10 m跳段開挖及澆筑混凝土，人工綁扎鋼筋，浮放仰拱架，混凝土灌車運至工作面溜槽入倉，插入式振搗器振搗，人工整平。

襯砌施工與開挖平行進行，每個工作面配備1臺12 m穿行式全斷面液壓鋼模襯砌臺車。液壓模板臺車由現場提供斷面尺寸及功能要求，委托專業的廠家加工，現場組裝。模板臺車具備足夠的強度和剛度，并且立模方便。

每個工區洞外配備1套生產率為90 m3/h自動計量的HZS90型拌合站，混凝土均在洞外自動計量的拌合站集中生產，配備4臺HNJ5253GJBA型混凝土輸送車運輸混凝土。每個工作面配備2臺HBT60A-1406Ⅲ型混凝土輸送泵泵送混凝土入模，插入式搗固棒搗固。

3 施工效果

石林隧道機械設備配備見表1。石林隧道進口于2010年8月30日正式開工進洞，成為云桂鐵路全線第一家開工進洞的單位;1號斜井、2號斜井、出口分別于9月底開工進洞。Z-GP150管棚鉆機、CSS3型混凝土噴射機械手、JGMWZ340型挖裝機、多功能作業臺車等隧道專用設備投入現場使用，保證隧道施工安全快速有序進行。截止11月7日，云桂鐵路石林隧道進口平導累計完成開挖206 m，鋪底70 m;正洞完成開挖130 m，仰拱31 m;1號斜井完成開挖146 m;2號斜井完成開挖147 m，鋪底完成45 m;出口平導完成開挖46 m，正洞開挖完成72 m(其中包括明洞52 m)。進口正洞模板臺車已經組裝完成，11月18日二次襯砌施工進入正式施工階段。2月28日1號斜井安全開挖至交匯點，比施組計劃工期整整提前了一個月的時間。

表1 主要機械設備配備

4 結語

通過石林隧道施工實踐，表明在長管路壓入式通風技術成熟的前提下，長度＜4 000 m的隧道采用無軌運輸模式比較恰當。采用人工風鉆打眼，靈活方便，成本較低。JGMWZ340隧道挖裝機裝渣效率較高。用電做動力環境污染小。運輸車輛應考慮到外形尺寸和隧道凈空相適應。要考慮效率和效益以及環境保護等因素，把開挖、出渣等工序統籌考慮，以確定合理的開挖循環進尺，保證機械設備和時間利用率均較高。石林隧道設備的合理配套是隧道快速施工的前提條件，也為石林隧道施工進度和施工安全提供了保障。

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