小斷面、水環境對關山隧道工效影響及控制措施

高 焱，丁云飛，陶 琦

(1. 淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 223001；2.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，石家莊 050043；3.南京工業大學 交通運輸工程學院，南京 211816；4.中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028)

新建鐵路天平至平涼線關山隧道長16 719 m，該隧道是控制全線工期的重點工程，關山隧道單線小斷面特長隧道，地質條件復雜，自然環境艱苦。關山隧道施工過程中多次出現掌子面突水，嚴重影響了隧道的施工進度。因此，開展小斷面及水環境對關山隧道工效影響及控制措施具有一定的工程指導意義。

國內外學者針對小斷面涌水隧道主要研究成果有：包德勇[1]為解決青云山隧道F9高壓富水斷層破碎帶突涌水問題，建議采用超前地質預測預報、全斷面超前預注漿、超前大管棚、加強型抗水壓襯砌及全包防水等綜合工程措施。周宗青[2]為解決巖溶隧道突水涌泥風險問題，通過對典型隧道進行系統整理，采用層次分析法構造判斷矩陣，并以雞公嶺隧道進行驗證分析，為評價分析巖溶隧道突水涌泥提供新方法。蔣國云等[3]為解決深埋隧道突水問題，對隧道突水災害風險因子進行識別，建立評價模型，并以馬鹿箐隧道工程為實例，證明模型的有效性。許振浩[4]為解決隧道突水突泥問題，認為不良地質、超前地質預報、地層巖性、地下水位是突水突泥風險是主控因素。魏星[5]在研究富水軟巖地層中遇到突水和突泥問題時，研究結果發現：涌水是造成隧道塌方的主要原因，有效的排水措施至關重要。何進[6]為解決小斷面隧道涌水塌方問題，結合龍開口12號隧道，提出固結灌漿、超前支護處理技術，自進式錨桿高效固結作用和短開挖、強支護方法。李生杰[7]為解決烏鞘嶺隧道F4斷層破碎帶發生的涌水塌方事故，研究斷層破碎帶圍巖、地下水、地質構造之間的聯系，并提出控制措施。張民慶[8]以宜萬鐵路別巖槽隧道F3斷層圍巖為研究對象，提出采用徑向注漿的方法可有效解決圍巖涌水問題。張健儒[9]研究了山嶺隧道斷層破碎帶隧道施工問題，提出采用超前預注漿技術有助于解決隧道漏水問題。薛翊國[10]以青島膠州灣海底隧道F4-4涌水斷層為研究對象，開展了圍巖注漿效果驗證現場試驗，研究結果發現：注漿后其變形模量提高19.1%，密度提高3.6%，泊松比下降7.1%，縱波波速VP增長0.8%，縱橫波比VP/VS減小7.1%。張民慶[11]結合大量工程案例，對注漿技術進行了系統評定，并對注漿效果進行探討。瞿竹等[12]研發一套鉆孔超前地質預報設備，建立了石英砂巖不同圍巖等級巖石地質數據庫。李術才等[13]提出三種鉆爆法隧道超前地質預報方法，形成了四階段超前預報體系，可為同類工程借鑒。陶鐵軍等[14]提出水壓爆破—懸臂式掘進機聯合開挖技術解決小斷面隧道掘進速度緩慢的問題。郭坤等[15]為解決小斷面隧道施工中測量精度要求高的問題，采用了錨碇施工技術。

以上工程案例并未涉及小斷面涌水隧道，此種情況下，工效降低較為明顯。針對關山隧道開挖斷面小、施工工區長和洞內發生大規模突水突泥的實際情況，通過收集測定小斷面高風險特長隧道施工現場數據，分別對小斷面和作業面涌水對工效的影響進行分析，同時分析了作業面涌水對開挖的影響、作業面涌水對初支的影響、作業面涌水對出碴的影響和洞內水環境對施工的影響，并給出控制措施。

1 工程概況

關山隧道長16 714 m，最大埋深720 m，除進口端582 m為雙線隧道作為車站，其余16 132 m為單線隧道(斷面尺寸5.56×6.71 m)，單面下坡，采用無軌運輸施工方式，為全線第一特長隧道。由于隧道斷面狹小，施工工區長，機械、車輛在洞內無法會車和掉頭，裝載機與出碴車輛無法并排裝碴，洞內材料運輸車輛與出碴車輛相互避讓等待時間長，影響施工效率。關山隧道線路分布如圖1。

圖1 關山隧道線路分布

關山隧道多次掌子面突水，長時間反坡淹洞最長達1 550 m；大水量反坡排水淹沒運輸路面25 cm以上，隧道長期處于水環境作業。關山隧道3#斜井涌水、積水照片如圖2所示。

圖2 關山隧道3#斜井涌水

2 工效影響分析

2.1 小斷面對工效影響分析

2.1.1小斷面特長隧道影響

關山隧道具有斷面小、斜井長、地質情況復雜等特點；受地形限制，輔助坑道設置不均勻，斜井加開挖正洞單口掘進距離均在3～4 km以上。因正洞斷面小，初期支護完成后斷面寬度僅為5.6～5.8 m，機械、車輛無法會車和調頭，為減少工程量，調頭、會車點依據大避車洞間距進行布置，每間隔210 m設置一處調頭會車道；裝載機與出碴車無法并排裝碴，裝載機只能往返倒車裝碴卸碴，嚴重影響施工功效。

在設置會車道后，所有施工車輛不必在三角區等待會車和自三角區就開始倒車進往掌子面附近作業區，第一臺出碴車在距離掌子面最近的會車道調頭后等待裝碴，第二臺出碴車在自掌子面倒數的第二個會車道等待，待第一車裝完正向行駛過第二個會車道后，第二臺出碴車倒往距離掌子面最近的會車道等待裝碴。第三個會車道作為挖機和輸送泵的放置空間。其余所有的會讓車輛都必須在第三個會車道以外的會車調頭點和三角區附近等待避讓。且每個調頭、會車點的開挖對進度也有很大的影響(會車道要放置挖機和砼輸送泵)，因此每個掉頭會車點的尺寸不得小于深度9 m，寬度7 m。裝碴會車示意圖和關山隧道斜井平面布置圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 關山隧道裝碴會車示意圖

圖4 關山隧道斜井平面布置圖

為適應特長隧道施工中運輸、通風、排水的需要，加大加長斜井斷面是十分必要的，斜井設計參數如表1所示。

表1 斜井設計參數表

關山隧道施工斷面小、掘進距離長、地質情況復雜等情況是影響小斷面特長隧道施工工效的根本原因。斷面尺寸小導致機械、車輛無法會車、掉頭，車輛之間相互避讓等待，是導致小斷面特長隧道施工工效低的主要原因。結合避車洞設置會車道、加大加長斜井斷面是提高小斷面特長隧道施工工效的有效措施。

2.1.2小斷面工效影響分析

根據實測的關山隧道正常情況和在其基礎上扣除利用會車道出碴及會車影響后的工班產量指標，對比分析單線小斷面隧道利用會車道出碴及會車情況下的降效系數。

式中：η為單線小斷面隧道利用會車道出碴及會車情況下降效系數；A1為實測關山隧道正常情況工班產量指標；A0為扣除利用會車道出碴及會車影響后的工班產量指標；W1為實測關山隧道正常情況下每循環開挖量；t1實測關山隧道正常情況下開挖循環時間；t0扣除利用會車道出碴及會車影響后的開挖循環時間。

由表2知，圍巖質量是影響小斷面施工工效的因素之一，圍巖質量越差所需開挖循環時間越長、循環產量越少、產量指標越低；利用會車道出碴及會車能有效提高工效，圍巖質量越低小斷面施工工效提升越大，利用會車道出碴及會車施工工效最高可提升110%。

表2 小斷面隧道利用會車道出碴及會車工效降效系數

2.1.3進度指標分析

根據實測的關山隧道正常情況和在其基礎上扣除利用會車道出碴及會車影響后的進度指標，對比分析單線小斷面隧道利用會車道出碴及會車情況下的進度指標調整系數。

式中：μ為單線小斷面隧道利用會車道出碴及會車情況下進度指標調整系數；B1為實測關山隧道正常環境下的進度指標；B0為扣除利用會車道出碴及會車影響后的進度指標。

由表3知，隨著圍巖質量變差，小斷面對工效和進度的影響減小，現場施工可結合避車洞，每210 m設置一處調頭會車道且尺寸不小于長度9 m，寬度7 m，緩解對施工工效和進度的影響。

表3 小斷面隧道利用會車道出碴及會車進度指標分析

2.2 作業面涌水對工效影響分析

2.2.1作業面涌水對施工影響分析

(1)作業面涌水對隧道開挖的影響

隧道開挖前，要先做防水、排水工作，直到隧道開挖掌子面附近的水清理干凈后再進行后續施工。測量、臺架就位等受涌水環境影響作業難度加大、作業時間延長。

涌水環境下，炸藥受涌水影響極難進鉆爆孔中，裝藥連線困難，特別是鉆爆孔涌水和底部鉆爆孔隨水帶入砂礫的情況下，裝藥極為困難，增加裝藥爆破時間。

(2)作業面涌水對初支的影響

初支施工過程中，人員、設備受到作業面涌水影響較大，尤其焊接工序受影響尤為嚴重；噴射混凝土同樣也受到掌子面涌水的影響，操作困難、作業時間增加，同時混凝土回彈量增大，消耗量增加。因此初支前及初支過程中需不斷排水。

(3)作業面涌水對出碴的影響

掌子面積水會影響出碴人員、設備和運輸車輛的工作效率，因此先抽排積水后再進行出碴作業。

水環境下挖機、裝載機易出故障，功效降低。運輸過程中，受水環境影響，運輸車輛速度較慢。且反坡開挖一個循環的出碴，中途要抽2～4次水，才能完成。

(4)洞內水環境對施工的影響

水環境中無軌洞內運輸降效：由于涌水量大，流水面水位深20～40 cm，匯水高50 cm左右、重大突泥突水后匯水高達60 cm。水中運輸限速、機械使用降效，造成洞內出碴運輸降效嚴重。

作業面人工、機械的降效：由于洞內長期涌水，且水量大，使作業人員到各個作業面的時間比正常情況多出近一倍。

開挖循環時間延長：受運輸限速等影響造成洞內出碴、混凝土運輸降效嚴重，開挖循環時間延長。

仰拱施工增加改排和抽水：仰拱鋪底開挖完后，基坑內匯集大量積水，特別是突泥突水后平均每天涌水量高達萬方以上，如此大的水量，仰拱施工僅靠改排是無法實現的，施工中采用了改排與抽水相結合的辦法來完成仰拱的施作，費用增大，施工時間延長。仰拱施工排水方法如圖5所示。

圖5 仰拱施工排水方法

2.2.2作業面涌水對工效影響分析

根據實測的關山隧道一般情況和洞內水環境情況下的工班產量指標，對比分析水環境下的降低系數。

式中：γ為關山隧道洞內水環境降效系數；C1為實測關山隧道作業面水環境下工班產量指標；C0為實測關山隧道正常情況工班產量指標；W2為實測關山隧道正常情況下每循環開挖量；t2為實測關山隧道正常情況下開挖循環時間。不同洞內水環境下，實測工效降低系數見表4～表7所示。

表4 洞內水環境700～2000 m3·d-1較正常情況工效降低系數

由表4和表5可知，洞內水環境是影響施工工效的因素之一。隧道作業面涌水會降低圍巖及襯砌承載力，圍巖質量較差地段甚至會導致襯砌開裂，影響隧道結構的耐久性；隧道路面長期積水，極易導致隧道施工設備、車輛等相關儀器的腐蝕，甚至發生隧道內線路短路故障；積水地段長期得不到及時排出，裝載車、出渣車等車輛反復行駛中容易造成路基和路面不均勻沉降，對施工人員安全產生威脅；同時隨著洞內作業面涌水量的增大，施工工效隨之降低。

表5 洞內水環境2000～5000 m3·d-1較正常情況工效降低系數

2.2.3作業面涌水對進度指標影響分析

根據關山隧道一般情況和洞內水環境下實測進度指標，對比分析進度指標調整系數。

式中：φ為關山隧道洞內水環境進度指標調整系數；B3為實測關山隧道洞內水環境下的進度指標；B2為實測關山隧道正常環境下的進度指標。

不同洞內水環境下，實測調整系數見表6、表7所示。

表6 洞內水環境700～2000 m3·d-1較正常情況進度降效系數

表7 洞內水環境2000～5000m3·d-1較正常情況進度降效系數

由表6、表7可知，隨著圍巖質量變差以及洞內涌水量的增加，工效降低系數受到作業面涌水的影響增大，現場施工需加強超前地質預報和監控量測的準確度，盡可能提供前方圍巖情況，現場施工時初支前及初支過程中需不斷排水，仰拱施工增加改排和抽水等措施，緩解作業面涌水對施工工效和進度的影響。

3 結論

(1)小斷面和作業面涌水對關山隧道的施工工效和工期影響較大，最大可達17%，為適應特長隧道施工中運輸、通風、排水的需要，加大加長斜井斷面是十分必要的。

(2)現場施工可結合避車洞，每210 m設置一處調頭會車道且尺寸不得小于長度9 m，寬度7 m，緩解小斷面對施工工效和進度的影響。

(3)現場施工需加強超前地質預報和監控量測的準確度，盡可能提供前方圍巖情況，現場施工時初支前及初支過程中需不斷排水，仰拱施工增加改排和抽水、重視反坡排水工作等措施，緩解作業面涌水對施工工效和進度的影響。