煤建項目特殊斷面隧道風險管控及施工組織

郭洪濤 ，柴相慶 （中鐵四局工程建設分公司，陜西 西安 710100）

1 工程概況

核桃峪煤礦是由華能甘肅能源開發有限公司投資興建的大型煤礦，主井位于慶陽市正寧縣周家鄉一里灣附近。本次新建工程項目為核桃峪主斜井工業場地至米家溝選煤廠帶式輸送機工程，帶式輸送機從主井二號轉載點起，至選煤廠受煤倉上口。具體方案是從核桃峪主斜井工業場地2＃轉載點至米家溝選煤廠受煤倉布置一條直線帶式輸送機。棧橋出主斜井工業場地后，跨過無日天溝溝口和X205道路；進入政平村隧道，出隧道后向西斜跨涇河，利用棧橋跨河后穿越米家坡隧道，在排矸公路護坡臺階下穿出后，利用棧橋接入米家溝選煤廠受煤倉。本工程包含3座棧橋、2條隧道。政平書院段（長度312m）及米家坡段（長度848m）為隧道部分，其余為地面棧橋，線路全長約2417m。

圖1 工程總平面圖（衛星圖）

2 設計概況

本工程隧道成型尺寸4m×3.6m，政平隧道為黃土隧道，埋深4m～35m，米家坡隧道出口段（200m）為黃土隧道，剩余均處于中/弱風化砂質泥巖，其中米家坡隧道出口段為長度14m（坡度28.675%）下坡以圓曲線（半徑801.5m）接0.4%平洞。黃土隧道及中風化砂質泥巖區段初支采用錨網噴射混凝土+11#礦用工字鋼結構，弱風化砂質泥巖區段初支采用錨網噴射混凝土結構。黃土隧道及中風化砂質泥巖段設有350mm～500mm二襯混凝土，其余區段無二次襯砌。

圖2 隧道凈斷面布置圖

圖3 米家坡隧道出口大坡度段縱斷面圖

3 工程重難點分析

由于開挖斷面較小及米家坡隧道出口段坡度較大，本工程施工存在以下重難點：

①隧道成型斷面小，施工組織困難，不具備大型機械的施工條件，施工過程中各工序施工效率低，施工組織難度較大；

②米家坡隧道在出口段200m范圍內為黃土隧道，其余為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，在土石交界隧道的開挖過程中，下部石方開挖對頂部黃土造成擾動，頂部存在坍塌冒頂的風險；

③米家坡隧道出口28.67%的大坡度段，施工二襯時襯砌臺車存在“溜車”、“翹頭”風險；

④米家坡隧道出口段部分隧道埋深小于3倍洞徑，最小處埋深約1倍洞徑，隧道頂部有排矸公路，重載車輛較多，開挖及車輛通行對淺埋覆土擾動較大，施工存在一定的風險；

⑤洞內材料運輸機械行走及出渣機械大坡度段行駛，存在視線不清、遇剎車失靈等情況，如措施不當可能會造成較嚴重的機械傷害事故。

與常見公路鐵路隧道相比，本工程隧道內施工空間有限，地質條件較復雜，坡度變化較大，在施工機械選用、臨時設施布置、材料進出洞運輸等方面需有針對性措施，在施工安全風險識別控制及施工組織方面存在較大的不同，在本項目特殊隧道如何安全、高效地施工，具有很大的研究價值。

4 安全風險評判及控制措施

如下表所示。

5 施工組織分析

5.1 開挖

本工程隧道圍巖主要為黃土狀粉砂土和砂質泥巖，開挖范圍內無地下水，基巖段僅存在少量裂隙水，開挖可不考慮地下水影響。分析勘察資料各地層工程特性，黃土段隧道采用機械開挖，基巖段隧道采用爆破開挖。

黃土隧道開挖綜合考慮圍巖特性及隧道斷面尺寸，開挖機械應滿足具備足夠開挖功率、適當轉動空間及工作高度，經查閱各型號機械工作參數，黃土隧道開挖選用75型反鏟挖掘機，經現場驗證此型號挖掘機可很好滿足開挖要求。黃土狀粉砂土自穩性較差，受外界擾動易產生掉塊，針對此種現象，開挖過程中應減少擾動，首先開挖隧道外輪廓，中間預留核心土對掌子面進行反壓穩定，經現場實踐此方法可有效控制掉塊失穩現象。根據黃土密實程度，每循環開挖進尺宜控制在1.2m～1.6m為宜，開挖進尺不宜過大。

安全風險評判及控制措施

圖4 土石復合地層示意圖

巖石段隧道開挖，需根據不同的巖性調整爆破參數，從而有更好的爆破效果。本工程隧道斷面小，鑿巖機工作空間較小，炮眼角度不易控制，經過多次實驗總結，每循環進尺以2.0m～2.3m最為經濟合理，循環進尺過長，爆破輪廓差，襯砌材料浪費嚴重且噴射混凝土工序時間增加，循環時長延長。

5.2 出渣

圖6 黃土隧道開挖圖

圖5 大坡度段隧道開挖

政平隧道采用單頭掘進，米家坡隧道采用雙頭掘進，每端開挖最大長度約400m，根據隧道斷面尺寸及每循環進尺，每循環出渣量約40m3。因隧道斷面寬度為4m，常用隧道裝渣設備無法掉頭和會車，施工前制定了3種出渣方案，方案1：采用扒渣機+輸送皮帶進行出渣；方案2：采用扒渣機+小型運輸車出渣；方案3：采用50型裝載機出渣。從經濟性、施工組織效率性、實用性3方面綜合比對，一般施工機械不具備在滿載的情況下爬陡坡能力，結合自有機械情況，最終選用50裝載機出渣，經分析對比，此種出渣方式在500m范圍內實用性較強、效率較好，超過500m不經濟，可選用其它方式出渣。

5.3 通風

圖7 爆破進尺參數統計

圖8 各出渣方案耗時及成本分析統計

因隧道寬度和高度限制，成型段隧道在布置完風、水、電管路后，凈空變小，起初隧道通風采用600mm柔性通風帶進行通風，但施工過程中因出渣和材料運輸，風帶經常出現剮蹭破損，修補工做頻繁且風量損失較大，施工效率下降，開挖距離增大后通風量已不能保證掌子面供風需求。經多次試驗，采用300mmPE波紋管進行隧道內通風效果良好，運輸過程中小碰撞不會導致風管破損，安裝較為方便，風量損失小，開挖至400m后，現場采用儀器測量，風量、風速均滿足通風要求。通過使用成本對比分析，采用波紋管通風與常用柔性風帶通風成本投入相當，且波紋管可多次重復使用，使用完畢處置后還可回收部分成本。綜上：小斷面隧道采用此類型通風管道經濟合理，在同類型工程中具有較大推廣使用價值。

5.4 材料運輸

圖9 調車硐室布置示意圖

隧道內主要使用的材料有型鋼拱架、鋼筋網片、連接筋、錨桿、噴混料等，因隧道斷面小，各種機械及運輸車輛無法在洞內會車。因此隧道內每隔200m設置調車硐室一處，調車硐室長度5.0m、凈寬5.0m、凈高4.0m。隨著隧道進尺加長，運輸機具進出洞運距越來越長，設置調車硐室可大大節約每循環時間，提高運輸工作效率，使用完后的工作臺架、小器具等，均可以放置到調車硐室內。

圖10 頂板受力分解示意圖

圖11 迎山角β示意圖

6 大坡度段隧道施工要點分析

6.1 大坡度段鋼架安裝

在傾斜隧道內，隧道頂部壓力主要為上部圍巖重力，受力方向垂直向下。頂部壓力P可分解為2個方向的力，一個是平行于頂板的斜向力P1、另一個是垂直頂板的垂直壓力P2。因此斜向隧道的拱架既要承受垂直壓力，又要承受平行于頂板的推力。因此斜向隧道的拱架不能垂直于底板的方向去架設，須向上迎一個角度β，克服平行于頂板的推力，把柱腿中心線與頂底板法線之間的夾角稱為迎山角，拱架的迎山角是克服拱架向下傾倒重要的措施之一。

迎山角的計算方法：拱架的迎山角β，是通過隧道的傾角α來計算，一般迎山角β取傾斜角的1/6～1/8。即β=α×（1/6～1/8）。在煤礦術語中將迎山角過大稱為過山，迎山角過小稱為退山，過山或退山都將會影響到拱架的支撐效果，是不允許的。

通過以上論述可知，拱架的實際控制角度（拱架與豎直方向夾角）值γ=αβ。

α：第x榀拱架拱腳處里程點切線與水平面的夾角；

β：第x榀拱架拱腳處里程點迎山角。

圖12 現場拱架安裝迎山角控制

6.2 大坡度運輸管理

大坡度段一旦運輸機械出現剎車失靈，將存在溜車的風險，存在較大的安全隱患，因此針對大坡度段運輸制定了各項措施。①隧道洞口頂部安裝紅綠燈，洞內工作面安裝警鈴，紅綠燈與警鈴信號相互串聯。②在裝載機進出洞運輸時，洞外人員不可進洞作業，裝載機進洞前洞外人員可通過對講機通知洞內人員全部撤出只留防護人員，由防護人員確保各項準備工作完善后，操作警示燈開關，隧道內警鈴響及隧道洞口處警示燈亮為綠燈，裝載機方可進洞。防護人員在裝載機進隧道時，在躲避硐室內進行躲避。③裝載機作業完畢后，防護人員開啟警鈴，洞口警示燈變為紅燈，機械嚴禁入內。④隧道內兩側約30m～50m位置提前準備枕木，如遇裝載機剎車失靈時的突發情況，枕木可作為緊急制動設施。⑤裝載機在進場時由專業人員檢查裝載機的狀態及性能，堅決不使用老機器、翻新機器。⑥裝載機進場驗收通過后前輪安裝防滑鏈，增加裝載機的爬坡能力及抗滑移能力。⑦在裝載機進出洞時，做到“行車不行人，行人不行車”。

圖13 隧道洞口警示燈

圖14 裝載機安裝防滑鏈

6.3 大坡度二次襯砌施工

在大坡度二襯施工中，二襯臺車在移動和混凝土澆筑時受臺車、混凝土自重在仰拱方向的分力影響，二襯臺車有向前滑動和翹尾的趨勢，對二襯施工安全十分不利，因此需制定措施保障臺車的穩定。本工程在臺車設計時，針對上述不利工況，從以下幾個方面做出設計加強：①增大臺車行走電機功率，采用斷電自鎖電機，增加臺車移動時自身行走能力和停止時自穩能力；②尾部增加尾梁通過可調整絲杠與上一板混凝土密貼，抵消重力產生的彎轉力矩，并通過尾梁與已澆筑混凝土間的摩擦力抵消部分滑動力；③臺車底部設置地錨裝置，與澆筑仰拱時預埋鋼筋焊接，增加臺車的穩定性；④洞外中線位置處安裝10t卷揚機通過20mm鋼絲繩定滑輪與動滑輪組合使用，牽引臺車移動。

施工過程中為增加安全系數，在臺車行駛至指定位置時，將下置基礎千斤絲桿擰緊壓實，前后行走輪用楔形鐵塊卡住，并使用鋼軌夾夾住，撐地絲桿全部撐牢固，鋼軌固定好，同時在第一板二襯混凝土澆筑時上好抗浮千斤，以確保其襯砌狀態的穩定性。在臺車移動的過程中，全部人員撤離至臺車前端，臺車后端嚴禁站人，以防意外發生。為了確保臺車行走安全，卷揚機需定期保養勤換液壓油，每次使用前檢查卷揚機的狀態是否良好，經常檢查鋼絲繩狀況，并涂潤滑油保養，發現有斷股情況立即更換。

圖15 大坡度二襯臺車示意圖

圖16 三輪攪拌運輸車

二襯混凝土運輸受隧道高度及大坡度制約，常用混凝土運輸車無法至工作面，采用地泵配合三輪攪拌車進行混凝土運輸，采用地泵應合理安排單次澆筑長度和方量，避免中間間隔過長造成堵管以及混凝土浪費。仰拱及仰拱回填每延米約1.5m3，地泵泵管拆卸耗時長、勞動強度大，選用運輸三輪攪拌車可滿足混凝土澆筑需要。由于隧道出口段為28.675%大坡后接半徑為801.5m的圓曲線，為了保證線形，二襯每次澆筑長度不易過長，臺車長度定制為10.5m，仰拱每次澆筑控制在18m內，在圓曲線段澆筑完成后可根據實際情況加大仰拱的澆筑長度。

7 結語

小斷面大坡度隧道施工，在安全管理和施工組織方面與鐵路公路隧道施工存在較多特殊性，通過對風險點有針對性的措施，例如增加隧道內警鈴及隧道口的紅綠警示燈等安全防護設施，襯砌臺車的防滑溜卷揚機、抗浮千斤頂、尾梁、地錨、夾軌器等的附加安全設計，可將施工風險納入可控范圍。針對特殊隧道的工況，有針對性選用適應性較好的機械、設備不僅可加快施工進度，還可有效降低成本投入，再輔以調車硐室、避人洞等措施，可有效縮短每循環的施工時間，極大的提高生產效率。在同類型隧道中本工程一些做法，可推廣借鑒使用。