單線隧道微臺階開挖施工工法

王彪

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400700)

1 概述

傳統的隧道施工工法,采用臺階法施工,都很難滿足《公路施工安全技術規范》(JTG F90-2015)的安全步距的強制性規定；采用長臺階法施工時,安全步距無法足規范要求；采用短臺階法施工時,雖然能滿足安全步距的要求,但工序間相互干擾,機械設備的使用效率低下,掌子面循環進尺緩慢,如何提高掌子面開挖的循環進尺效率是一個亟需解決的問題。[1]

2 工程概況

2.1 線路概況

玉溪至磨憨線新建正線全長約509km。正線新建橋梁正線橋梁133 座,橋長合計約47km,新建隧道91 座共計約404km,正線橋隧總長約451km,橋隧比約89%。玉溪至西雙版納為雙線；西雙版納至磨憨為單線。

曼么隧道位于橄欖壩～曼么區間,按旅客列車最高時速160km/h 標準設計,全長3023m,最大埋深430m。隧道洞內線路坡度為單面上坡,線路坡度按里程從小到大分別為10.5‰、3‰。

2.2 地質構造

隧道位于瀾滄江北面,屬侵蝕、溶蝕南北向中低山地貌區。隧道內不良地質體為巖堆、危巖落石、滑坡、巖溶、順層、有害氣體,特殊巖土為膨脹土。圍巖類別Ⅲ級圍巖320 米,Ⅳ級圍巖1678 米,Ⅴ級圍巖1006 米。其中單線有砟、無砟軌道V 級圍巖襯砌斷面詳見圖1、圖2 所示。

圖1 有砟軌道V 級圍巖襯砌斷面示意圖

圖2 無砟軌道V 級圍巖襯砌斷面示意圖

3 工法原理

隧道微臺階開挖工法是由全斷面和短臺階開挖工法衍變而來,細化作業方法和工序組織,制定工序管控要求,掌子面實行精細化管理,確保各工序銜接緊湊步調一致,形成有機體,做到有序高效。合理利用上、下臺階的作業空間,做到上臺階立架和下臺階出渣平行作業、下臺階立架和上臺階噴射混凝土平行作業,縮短循環時間。[3]

微臺階開挖工法的實施要點:工法是關鍵,平行交叉作業是核心,激勵考核是抓手。微臺階開挖工法相較于常規的開挖工法的主要區別在于施工組織方式不同。合理的工序安排與平行作業大大縮短了循環時間,是微臺階開挖工法的最核心部分。除施工組織方式不同外,微臺階開挖工法的另一個核心要求是工序銜接緊湊,在工序銜接方面實現負銜接,實現“零耽擱、負交接”。[3]

4 工法管理

4.1 工法選擇

結合隧道巖石強度、圍巖穩定性、斷面尺寸、支護參數及設備性能選擇工法并進行工法設計,施工中根據圍巖變化情況進行優化調整。初期支護設有鋼架的斷面一般采用微臺階法施工,微臺階法通用性強,有利于實現快挖、快支、快封閉,一方面有利于控制圍巖變形確保施工安全,另一方面有利于提高施工效率。單線鐵路隧道軟弱圍巖段一般采用兩臺階法。當圍巖巖石強度較低時采用三臺階法施工。

4.2 參數選擇

重要的3 個參數:臺階高度、長度及循環進尺,分別從地質、設備、作業方面比選,綜合確定。具體詳見表1。

表1 開挖參數選擇因素表

依據工法參數選擇原則,單線隧道兩臺階法設計上臺階高度5.39m,長度控制在3-5m,下臺階高度3.74m,左右側至少控制在2 榀拱架距離,掌子面距離仰拱控制在30m 以內,每循環進尺不超過2 榀拱架,洞身采用微臺階開挖施工方法。兩臺階工法以及兩臺階開挖臺架詳見圖3、圖4。

圖3 兩臺階工法圖

圖4 兩臺階開挖臺架圖

5 工序管理

5.1 施工工藝

微臺階開挖工法上下臺階同時鉆爆,并且出渣連續,噴砼與立架、出渣同時進行,縮短了循環作業時間。詳細作業流程如圖5 所示。

圖5 兩臺階法施工作業流程圖

5.2 施工方法

5.2.1 清理上臺階掌子面

清理上一循環噴射砼回彈料,平整上臺階場地,為作業臺架就位以及下一循環鉆孔創造條件。采用人工配合挖掘機進行。

5.2.2 臺架就位

利用挖掘機臂將作業臺架托送到上臺階。單線隧道為分離式臺架,兩側部位應可以折疊,作業臺架應采用輕制桿件制作,單個體臺架整體重量不超2t,臺架上放置部分風鉆、鉆桿等設備后也不應超過2.5t。

5.2.3 測量放樣、清理仰拱洞渣

技術測量人員采用全站儀嚴格按照技術交底進行現場測量放樣,標注開挖線及炮眼位置,挖掘機清理仰拱洞渣。[6]

5.2.4 鉆孔、裝藥

各臺階(含仰拱)采用人工手持風鉆同時鉆孔作業,同時完成裝藥。上臺階采用光面爆破方式布置炮孔,楔形掏槽,掏槽眼數量一般布置4 對左右,炮孔底部間距20-30cm,相鄰兩對炮孔間距控制為50-90cm,周邊眼間距不大于40cm。

5.2.5 退臺架、爆破、通風、排險

上臺階裝藥結束,用挖掘機將作業臺架拖移至掌子面外。

將上下臺階連線,同時起爆。掌子面響炮后,通風機開至高檔位排煙20min,裝載機、出渣車提前就位,人工配合挖機、裝載機進行排險。立架班組做好支護材料運輸至掌子面等各項準備工作。

5.2.6 上臺階扒渣

挖掘機將上臺階石渣直接扒至下臺階同時修整一條方便挖掘機上行至上臺階的道路,為運送作業臺架以及立架等相關材料做好準備。

5.2.7 臺架就位、運送支護材料

采用挖掘機將作業臺架托送到上臺階。上臺階立架用的鋼拱架、錨桿、小導管以及鋼筋網片等物資優先采用挖掘機運送至上臺階,在確保作業安全的前提下也可以采用裝載機。

5.2.8 出渣、上臺階支護

下臺階出渣采用輪式側卸裝載機裝渣,自卸汽車轉運至洞外。出渣的同時,上臺階進行立架、錨桿以及超前支護施工。

5.2.9 仰拱開挖支護及下臺階支護

上、下臺階出渣結束后,進行仰拱石渣開挖。開挖后將其堆放于后方一側,待后續仰拱回填使用。仰拱支護及下臺階支護作業宜同時進行,下臺階支護不得超過仰拱支護3 榀拱架。

5.2.10 仰拱、下臺階噴混凝土

先仰拱噴砼,后下臺階噴砼,自下而上的噴射混凝土。

5.2.11 仰拱回填及上臺階噴混凝土

將之前開挖仰拱時的石渣回填仰拱部位。上臺階噴混凝土作業時將噴射砼機械設備緊靠下臺階。噴混凝土的回彈料應及時清理,同時做好下循環開挖作業施工準備。

5.3 施工控制關鍵要點

5.3.1 施工前,根據工法特點等進行工序設計,細化作業方法和工序組織,制定工序管控要求和安全注意事項。

5.3.2 上臺階立架和下臺階出渣平行作業,是軟弱圍巖隧道快速施工組織的核心,掌子面要實行精細化管理,確保各工序銜接緊湊步調一致,形成有機體,做到有序高效。

5.3.3 作業臺架的進退是制約工序快速銜接轉換的關鍵,應合理設置臺階高度,科學設計作業臺架,滿足挖掘機托運或人工搬運的要求。

5.3.4 嚴格控制臺階長度,各臺階同步跟進,必要可將下臺階掌子面凹進,確保噴射混凝土機械手能夠正常作業。

5.3.5 作業臺架選型。臺架宜選擇輕型材料制作。

5.3.6 洞內建立領工員或調度員協調機制。洞內單作業面設3 個值班領工員或調度員,24 小時輪班作業,負責協調開挖支護、仰拱、拱墻襯砌所有工序班組的銜接工作,同時對工序銜接情況進行寫實。

5.3.7 洞外建立調度指揮中心。一般設在洞口調度值班室,負責洞外生產要素部門(拌和站、運輸班、加工廠和維修班等)與洞內作業工點的銜接和調配,根據作業工點需求與進展情況,統一調配洞外生產資源。洞內對接領工員與洞外對接各生產輔助部門,要形成集樞紐、調度、指揮于一體的部門。特別要加強噴射混凝土的調度管理,確保混凝土的連續供應,保證作業循環時間達標。

6 考核制度

微臺階開挖快速施工工序循環考核獎勵辦法如表2 所示。

表2 開挖參數選擇因素表

7 施工效果評價

7.1 安全步距得到有效控制

采用微臺階施工方法后,二襯及仰拱施工能夠及時跟進掌子面,始終滿足紅線規定安全步距要求,杜絕了施工過程中因圍巖較差所發生的坍塌事故,提高了施工人員在現場施工的安全系數。

7.2 施工工效顯著提高

采用常規臺階法施工時,每循環作業時間18-21h,每月平均開挖進尺30-50m,采用微臺階法施工,每循環縮短為12-15h,每月進尺提高到70-90m。通過采用微臺階法開挖,大大提升了工作效率,并且縮短了工期,也為項目取得了良好的經濟效益。[4]

8 結論

玉磨鐵路曼么一號隧道采用微臺階開挖工法,不僅提升了工作效率,縮短了施工工期,還為后續仰拱施工提供了充足的作業空間,二襯及仰拱施工能夠及時跟進掌子面,始終滿足紅線規定安全步距要求,極大提高了隧道施工安全與質量,同時也達到了成本控制的目的,實現了經濟效益與社會效益相統一的目標。[2]