黃土隧道綜合機械化快速施工技術(shù)應(yīng)用

穆偉強/MU Wei-qiang

（中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710000）

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步開展，西北地區(qū)的公路、鐵路、地鐵等交通工程迅速增加。黃土廣泛分布于西北地區(qū)，其濕陷性是困擾黃土地區(qū)各類巖土工程項目的主要因素，其中黃土地區(qū)隧道的快速施工是其中的難點之一。李建偉對黃土地區(qū)機械化快速施工技術(shù)進行了系統(tǒng)論述[1]。杜強進行了淺埋富水黃土隧道快速施工技術(shù)相關(guān)研究[2]。王新東探討了淺埋大斷面黃土隧道安全快速施工方案[3]。劉建友等對軟弱圍巖下的隧道快速施工進行了研究[4]。范森對黃土隧道微臺階法快速施工技術(shù)進行了總結(jié)[5]。黃土隧道綜合機械化快速施工技術(shù)是建立在合理的機械配置、科學(xué)的施工管理基礎(chǔ)上的一種高效施工方法。

依托新喬隧道工程，結(jié)合工程實踐，總結(jié)分析了成套化機械設(shè)備和工法配合施工組織技術(shù)，在此基礎(chǔ)上分析了隧道安全快速施工的原則及方法。

1 工程概況

蒙華鐵路新喬隧道位于橋頭村，隧道進口里程DIIK647+734.32，出口里程DIIK648+757，隧道全長1 022.68m，為單洞雙線隧道，最大埋深100m。隧道進口左線DIIK647+734.32～DIIK648+195.01位于R=1 200m的右偏曲線上，DIIK648+325.5～DIIK648+752.01位于R=1 200m的左偏曲線上，其余段位于直線上。線間距4.00～5.01m。隧道縱坡為上坡，坡度、坡長依次為2.5‰/900m、5‰/1550m。隧道進口與下穿隴海線框構(gòu)中橋?qū)樱瑯蛄号_尾里程DIIK647+734.30，隧道洞口里程DIIK647+734.32。

新喬隧道位于黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大。隧址區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Qeol3）砂質(zhì)新黃土，中更新統(tǒng)洪積（Qpl2）砂質(zhì)老黃土、黏質(zhì)老黃土。隧道洞身地層：砂質(zhì)新黃土（褐紅色，密實，稍濕，含少量白色菌絲及姜石，具濕陷性，濕陷系數(shù)δs=0.016～0.191，呈松軟結(jié)構(gòu)）、砂質(zhì)老黃土（褐紅色，密實，稍濕，土質(zhì)較均，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，呈松軟結(jié)構(gòu)）、黏質(zhì)老黃土（褐紅色，硬塑～堅硬，土質(zhì)較均，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，呈松軟結(jié)構(gòu)），隧道全段無地下水及地表水。

2 隧道施工方法及工藝

2.1 隧道開挖方法

隧道全段為Ⅴ級圍巖，結(jié)合隧道地質(zhì)實際情況和隧道施工方法的確定原則[6]，確立了以下施工方案：隧道通過超前小導(dǎo)管預(yù)加固支護加固圍巖后，采用三臺法施工，人工配合挖掘機挖土，挖掘機配合裝載機裝碴，自卸汽車無軌運輸。三臺階施工實現(xiàn)了快挖、快支、快封閉以及機械化施工。

2.1.1 隧道三臺階法施工工序

三臺階法施工工序示意圖見圖1，三臺階法施工工藝流程圖見圖2。

圖1 三臺階法施工工序示意圖

圖2 三臺階法施工工藝流程圖

2.1.2 隧道三臺階法施工步驟

三臺階法隧道開挖支護施工步驟：

第一步：挖掘機開挖1部（上臺階），人工配合整修周邊斷面。

第二步：挖掘機開挖3部（中臺階），人工配合整修周邊斷面。上臺階安裝鋼架及鋼筋網(wǎng)片、連接筋、鎖腳錨管等。

第三步：挖掘機開挖5部（下臺階及仰拱），人工配合整修周邊斷面。中臺階安裝鋼架及鋼筋網(wǎng)片、連接筋、鎖腳錨管等。上臺階鋼架安裝完成后在需要施作超前小導(dǎo)管位置結(jié)合鋼架施作拱部超前小導(dǎo)管。

第四步：下臺階及仰拱安裝鋼架及鋼筋網(wǎng)片、連接筋、鎖腳錨管等。

第五步：濕噴機噴射混凝土作業(yè)。

2.2 初期支護施工

隧道全段采用格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成的聯(lián)合支護體系。格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)、連接筋、鎖腳錨管等在鋼結(jié)構(gòu)加工廠集中加工制作，汽車運至工作面，機械配合人工架立。噴射混凝土采用濕噴機械手進行濕噴工藝作業(yè)。須在開挖后4h以內(nèi)完成噴射混凝土，以防黃土失水風(fēng)化而造成收斂變形過大。

2.2.1 支護參數(shù)

隧道初期支護主要由鋼筋網(wǎng)片、L型連接筋、鎖腳錨管、縱向連接筋、定位系筋、格柵鋼架、噴射混凝土等組成。新喬隧道初期支護參數(shù)見表1。

2.2.2 初期支護施工順序

1）安裝格柵鋼架 鋼架安裝要快速。隧道開挖斷面成形經(jīng)斷面檢查滿足要求后立即放線，緊跟著以人工安裝鋼架。鋼架節(jié)間用螺栓連接牢固，拱腳置于牢固的基礎(chǔ)上。

2）掛設(shè)鋼筋網(wǎng) 鋼架安設(shè)后及時進行掛網(wǎng)作業(yè)。人工鋪網(wǎng)片時注意網(wǎng)片搭接寬度，搭接不得小于1個網(wǎng)格，并固定牢固。

3）鋼架定位系筋 沿鋼架環(huán)向左右側(cè)間距1m布置?16定位系筋，并與鋼架焊接牢固。

4）縱向連接筋 相鄰2榀鋼架用縱向連接筋焊接連接，沿鋼架環(huán)向間距1m布置?22連接筋，并與鋼架焊接牢固。

5）鎖腳錨管 在各臺階施工的底腳部位設(shè)置鎖腳錨管，每處2根，錨管角度斜向下45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過L形連接筋焊接連接成整體。

6）噴射C25混凝土 采用濕噴機械手噴射混凝土至設(shè)計厚度。

表1 新喬隧道初期支護參數(shù)表

2.3 防排水施工方法

2.3.1 防排水設(shè)計情況

隧道襯砌采用防水混凝土，抗?jié)B等級P10。初期支護與二次襯砌之間拱墻鋪設(shè)分離式防水層，防水層采用厚度1.5mm的EVA防水板，土工布重量350g/m2。隧道環(huán)向施工縫按8～12m一道設(shè)置，并不小于5m；縱向施工縫邊墻兩側(cè)墻角處設(shè)置，設(shè)置于電纜槽蓋板頂面下30cm處。環(huán)向施工縫采用中埋式橡膠止水帶+背貼式橡膠止水帶防水，并在仰拱環(huán)向施工縫是間預(yù)埋可維護注漿管。縱向施工縫間涂刷兩層水泥基涌透結(jié)晶型防水涂料。雙側(cè)水溝施工縫表面涂刷2層水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料防水，施工完成后在溝槽內(nèi)側(cè)沿接縫周邊兩側(cè)各涂刷20cm寬水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料2層，施工縫避開環(huán)、縱向排水管、拱墻及仰拱施工縫等。

變形縫采用中埋式鋼邊止水帶+背貼式橡膠止水帶防水，變形縫內(nèi)緣以雙組份聚硫密封膠封堵，其余空隙采用聚乙烯泡沫塑料板嵌縫密實。

隧道拱墻襯砌與初支之間設(shè)置縱向盲管和環(huán)向盲管。縱向盲管采用?110/90HDPE雙壁打孔波紋管，雙側(cè)墻設(shè)置于水溝底上方30cm處。環(huán)向盲管每8～12m設(shè)置一環(huán)。盲管均設(shè)置土工布包裹。

2.3.2 結(jié)構(gòu)防排水

EVA防水板鋪設(shè)采用專用臺車且采用熱合器熱融塑料墊圈粘結(jié)固定鋪設(shè)工藝。首先采用帶熱塑性圓墊圈的射釘將土工布平整順直地固定在初期支護表面上。然后自隧道一側(cè)自下而上環(huán)向鋪設(shè)防水板至隧道另一側(cè)，使用熱合器將防水板與固定土工布的帶熱塑性圓墊圈焊接牢固。土工布一般僅設(shè)環(huán)向接縫，幅間搭接寬度5cm。兩環(huán)防水板搭接部分采用雙焊縫、調(diào)溫、調(diào)速熱楔式自動爬行熱合機進行雙焊縫焊接，局部部位采用熱風(fēng)槍手工補焊。防水板搭接寬度為15cm，單條焊縫寬度2cm。分段鋪設(shè)的防水板邊緣部位預(yù)留至少60cm的搭接余量，并對預(yù)留部位進行有效保護。防水板鋪設(shè)要松緊適度，使之能與土工布充分接合并緊貼在噴射混凝土表面。

在混凝土變形縫、施工縫處環(huán)向均設(shè)背貼式止水帶和中埋式止水帶，背貼式止水帶與防水板粘接，止水帶之間接頭采用熱熔對接。混凝土澆筑前將中埋式止水帶采用定型組合鋼端模固定夾具來固定，防止止水帶錯位。

2.3.3 施工排水

隧道全段在施工期間無地下水及地表水，掌子面及周邊圍巖無滲水現(xiàn)象。施工中選用煤電鉆代替風(fēng)鉆后減少了鋼架鎖腳錨管和超前小導(dǎo)管施工期間的施工用水。

2.4 二次襯砌混凝土施工

二次襯砌混凝土采用C45防水鋼筋混凝土，Ⅴ級圍巖依據(jù)襯砌類型及部位來劃分綜合確定襯砌厚度，見表2。

表2 隧道二次襯砌參數(shù)表

二次襯砌按照仰拱襯砌超前拱墻襯砌施作，超前距離保持4倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)長度。

重載鐵路重視隧道軌下基礎(chǔ)質(zhì)量，調(diào)整二次襯砌仰拱與填充界面，仰拱上部澆筑成平面，平面位置為雙側(cè)水溝內(nèi)邊墻與仰拱內(nèi)輪廓交點處。平面以下采用同級標(biāo)號一次澆筑，平面以上采用C20混凝土填充且與平面以下分開澆筑。

為保證軌下結(jié)構(gòu)整體性，雙線隧道不設(shè)置中心水溝（管）。為解決仰拱填充面排水，于隧道仰拱填充面中心位置設(shè)置一處直徑為160mm的排水槽，排水槽縱向坡度同線路，末端引入檢查井。

為保證仰拱整體質(zhì)量，仰拱襯砌采用長棧橋施工，24m長段落澆筑混凝土施做，確保仰拱與拱墻襯砌的接縫在同一個斷面。仰拱澆筑利用棧橋維持洞內(nèi)交通運輸。

拱墻襯砌采用模筑襯砌臺車施工，12m長段落整體澆筑混凝土施做，實現(xiàn)與仰拱施工縫對縫。襯砌鋼筋由汽車運至洞內(nèi)在仰拱填充面作業(yè)區(qū)域進行機械連接，利用防水板及鋼筋綁扎臺車進行安裝。二次襯砌耐久性混凝土采用強制式攪拌機且自動計量的拌和站、攪拌輸送車運輸、混凝土泵送入模的機械化流水作業(yè)線。混凝土澆筑按照“三逐兩孔兩振”要求，即二襯混凝土從下至上利用灌注窗逐窗澆注，逐窗振搗，拱頂逐板帶模注漿；拱頂混凝土采用2個孔澆注；邊墻以下部分，采用插入式振搗為主、附著式振搗為輔，邊墻以上部分，采用附著式振搗為主、插入式振搗為輔。

2.5 隧道控制沉降措施

1）開挖輪廓線拱部120°范圍內(nèi)打設(shè)超前小導(dǎo)管，與鋼架結(jié)合使用，并與鋼架主筋焊接。

2）仰拱緊跟下臺階施工，仰拱與下臺階同步開挖支護，一次到位。特殊情況下仰拱初支距掌子面極限距離按1.5倍洞徑控制。

3）中、下臺階采用左右側(cè)對稱開挖及支護，以減少臺階長度及時封閉成環(huán)。

4）在各臺階底腳以上30cm處，每榀鋼架設(shè)置2根鎖腳錨管，采用?42熱軋無縫鋼管。

5）鋼架安裝前清除接觸面的虛渣及雜物。上臺階和中臺階鋼架底部用預(yù)制塊進行支墊加強底部承載力，保證底部基地硬實。下臺階鋼架底部設(shè)置槽鋼墊板。當(dāng)?shù)撞客凛^松時，需人工夯實后再墊預(yù)制塊或槽板墊板，保證下沉量盡可能小。

6）根據(jù)圍巖實際情況縮短臺階長度（最短臺階長度3m），及早使初期支護封閉成環(huán)。

7）結(jié)合監(jiān)控量測資料，及時進行數(shù)據(jù)分析，為調(diào)整施工方法，指導(dǎo)二襯施作機，進行動態(tài)設(shè)計提供參考。同時結(jié)合監(jiān)控量測資料對預(yù)留變形量實行動態(tài)管理。監(jiān)測頻率見表3。

表3 變形趨于穩(wěn)定時的監(jiān)測頻率

3 快速施工組織措施

3.1 機械配套

分8個作業(yè)線，相應(yīng)的配套施工機械如表4。

3.2 人員配備

實行作業(yè)隊隊長負(fù)責(zé)制，按照專業(yè)班組來組建施工隊伍。工作面人員配備情況詳見表5。

3.3 其他管理措施

表4 作業(yè)線及配套施工機械

1）推行班組長工程質(zhì)量責(zé)任制，經(jīng)培訓(xùn)考核合格的班組長發(fā)揮作用突出，工序一檢通過率基本保持在95%以上。

2）分級管理有效促進了技術(shù)、質(zhì)量管理水平提升。工程技術(shù)、質(zhì)量分級管理獲得A級認(rèn)可，授權(quán)范圍內(nèi)的自主變更和自檢驗收，使得工作效率均大大提升，施工安全得到保證。

3）積極開展勞動競賽活動，大力調(diào)動參戰(zhàn)人員積極性。在施工過程中積極開展勞動競賽活動，采取經(jīng)濟激勵機制。每月按照勞動競賽考核辦法對作業(yè)隊的施工進度、安全質(zhì)量、文明施工、內(nèi)業(yè)資料、成本管理等方面進行考評，獎優(yōu)罰劣。

4）加強班組人員操作技能培訓(xùn)，以工序質(zhì)量確保工程質(zhì)量。大斷面黃土隧道施工經(jīng)驗少，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高等特點，對參戰(zhàn)班組人員進行全方位的培訓(xùn)，以提高職工的操作技能，實行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

表5 作業(yè)隊人員配備（單個工作面）

3.4 快速施工實施效果

通過選擇合理的施工方法和行之有效的控制沉降措施、科學(xué)合理的施工組織，使用511成套機械設(shè)備（“511成套機械設(shè)備”是指五臺車、一棧橋、一濕噴機，即開挖臺車、防排水及鋼筋綁扎臺車、襯砌臺車、噴淋養(yǎng)護臺車、水溝電纜槽臺車、仰拱自行式液壓棧橋、濕噴機械手，簡稱511），該隧道施工月進度均超過設(shè)計圖紙確定的施工進度指標(biāo)。14.9個月實現(xiàn)隧道貫通，比設(shè)計要求的20.1個月提前了5.2個月，綜合進度指標(biāo)達到70m/月。

4 總 結(jié)

1）隧道施工方法的選擇受多種因素影響，但宗旨都是要保證施工安全。現(xiàn)場采取超前支護加固、加強初期支護、控制臺階長度、“兩緊跟”、仰拱初支及時封閉成環(huán)的措施，運用靈活、安全可靠。

2）通過新喬隧道大斷面黃土隧道施工實踐，可以得出黃土隧道實現(xiàn)快速施工的關(guān)鍵是安全可靠的施工方法，前提是科學(xué)合理的511成套機械設(shè)備配套，保證是熟練先進的施工工藝，途徑是精細嚴(yán)密的施工管理。

3）蒙華鐵路黃土隧道511成套機械設(shè)備和工法配合施工組織技術(shù)提高了工作效率，降低了施工成本，可節(jié)省建設(shè)投資；同時降低了工人勞動強度，有利于保護施工人員安全，具有顯著的經(jīng)濟性和社會效益，可為類似工程施工組織提供借鑒，具有較高的推廣及應(yīng)用價值。