關于時速140km鐵路單線長大隧道快速施工的思考

閆優YAN You；楊華YANG Hua

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710000）

0 引言

近幾年，新建的蒙華鐵路[1-3]、衢寧鐵路、大臨鐵路[4]、玉墨鐵路和大瑞鐵路均有很多的長大單線鐵路，設計時速160km的單線鐵路隧道軌面寬度6m，設計時速140km的單線鐵路隧道軌面寬度只有4.4m。單線鐵路隧道斷面小，獨頭掘進距離長，施工相互干擾大、不能有效實現工序間的平行作業，能有效配套的機械設備較少，施工功效非常低，施工工期不可控，容錯率非常低，對大多施工企業形成了巨大的經濟壓力。隨著我國交通基礎設施的逐漸完善，鐵路、公路交通建設重心逐漸向西南邊陲地區轉移。為解決滇西南地區復雜地質條件下的特殊小斷面單線長大隧道快速施工的難題，本文依托大瑞鐵路老紅坡隧道工程，采用常規的鉆爆法施工，通過對隧道施工工法的合理優化、調車洞的合理設置、施工機械設備的合理配置、施工組織的高效管理等方面進行了分析和對比，較好地解決了小斷面隧道快速施工技術的難題并提出了高效的管理思路，有效的提高了單線隧道的施工功效，可為后續類似工程施工提供參考。

1 工程概況

新建大瑞鐵路老紅坡隧道全長9851m，洞身最大埋深486m。隧道除進口538m、出口613m為雙線隧道，其余段落均為單線隧道（內軌頂面最大凈寬4.4m），全隧Ⅱ級圍巖400m，占4.1%，Ⅲ級圍巖1600m，占16.2%，Ⅳ級圍巖4095m，占41.6%，Ⅴ級圍巖3756m，占38.1%。

老紅坡隧道地處云貴高原西部邊緣橫斷山脈南段，為我國著名的滇西縱谷地帶，峰巒重疊，河谷深切，地形陡峻，穿越瀾滄江深大斷裂與保山褶皺及騰沖褶皺帶，地質構造極為復雜，具有“三高”（高地熱、高地應力、高地震烈度）、“四活躍”（活躍的新構造運動、活躍的地熱水環境、活躍的外動力地質條件、活躍的岸坡淺表改造過程）特點。隧道穿越的主要不良地質構造有觀音山背斜、張家莊斷層、背后山斷層、水塘子平移斷層、新房子斷裂、吳家莊斷層。

隧道分進口和1、2、3號橫洞四個作業工區組織施工，輔助橫洞最長達1450m，單口獨頭掘進最長達3700m。

2 單線鐵路隧道的施工特點和需解決的主要矛盾

2.1 單線鐵路隧道的施工特點

①單線鐵路隧道斷面小、作業空間有限，全斷面作業不能使用裝載機并行快速出渣作業。見圖1。

圖1 單線隧道斷面尺寸

②隧道獨頭掘進長、洞內溫度高，作業環境惡劣。

③隧道相適應的配套設備少、作業工序間相互制約。

④隧道內施工交通組織難、相互干擾制約問題突出。

⑤隧道內無法錯車、無法調頭、仰拱及襯砌砼澆筑作業時隧道內交通中斷。

2.2 單線隧道快速施工要解決的主要矛盾

通過大瑞鐵路（時速140km）隧道的施工實踐，快速施工需要解決如下主要矛盾：

①掌子面作業空間狹窄，相適應的配套設備少，挖機、裝載機、運輸車輛難以配套。

②各工序間相互干擾、制約，地質頻繁交替變化，開挖工法的正確應用和轉換對施工進度制約較大。

③作業機械和運輸車輛相互干擾、制約，洞內調頭和相互錯車嚴重影響作業功效。

④單線隧道斷面小，無法實現裝載機并行出渣，中型挖機出渣功效不高。

⑤單線隧道對現場施工組織管理水平要求特別高，現場管理者不能科學合理解決各機械設備之間的相互干擾問題，機械設備故障癱瘓通道等，導致隧道整體施工功效不能達到最佳狀況。

3 單線隧道快速施工關鍵技術

3.1 選擇正確的開挖工法，確保施工安全、高效和工法間快速轉換

通過不同地質對開挖工法不斷的優化，最終固化了單線隧道三臺階、兩臺階和全斷面開挖工法，各臺階的劃分高度充分考慮了噴漿機械手、運輸車輛通行、作業功效，地質復雜多變，開挖工法的相互快速轉化是快速施工的基本保證。

①三臺階開挖工法：地質遇到強風化的玄武巖夾泥巖和白云巖充填泥質物的Ⅴ級圍巖鋼架支護段落，質軟、非常破碎、地下水發育、自穩能力差的Ⅴ級圍巖鋼架支護段落。臺階高度劃分：上臺階高度3.9～4.1m，中臺階高度2.8～3.0m，下臺階高度2～2.2m；臺階長度控制：上臺階長度5~7.5m，中臺階長度5~7.5m；上臺階加工兩個長方體形狀且能快速移動、擺放的簡易臺架，建議尺寸為：3.5m（長）×1.5m（寬）×2m（高）。軟弱破碎圍巖仰拱封閉成環作業與下臺階開挖同步作業，仰拱封閉成環步距不大于35m。

②兩臺階開挖工法：地質遇到中風化的泥質砂巖、玄武巖夾生物灰巖和白云質灰巖，巖石較硬、節理裂隙較發育、自穩能力較好的Ⅳ級圍巖鋼架支護段落。臺階高度劃分：上臺階高度6.8～7.0m，下臺階高度2～2.2m，上臺階加工制作能移動方便的整體作業臺架，臺架下可以通過所有的作業機械；臺階長度控制：上臺階長度10～15m，上、下臺階同步開挖，仰拱填充步距不大于55m。

③全斷面開挖工法：地質遇到弱風化的玄武巖、白云質灰巖，巖石堅硬、整體性好、自穩能力強的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖錨網噴支護段落，能保障光面爆破質量。全斷面作業高度8.25～8.75m，加工制作能滿足全斷面施工且移動方便的整體臺架；仰拱填充步距不大于55m，底板步距不大于90m，二襯步距均不大于120m。

單線隧道選擇工法的原則：依據地質情況，在確保安全的前提下，以減少工序為原則，優先選擇全斷面法、其次選擇臺階法、最后選擇三臺階法。

3.2 調車洞的合理布設是單線隧道有序施工的保證

單線隧道內使用的所有機械設備均無法錯車、調頭，各設備在掌子面區域不能同時作業、停留，單個機械退出后另一個機械才可進入作業范圍，機械進出耽誤時間非常多。在單線隧道洞內擴挖梯車洞或小避車洞（設計無過軌管的洞室）形成機械設備的調車洞，有效解決了挖機、裝載機、砼運輸罐車、機械手[8]、出渣車等設備作業過程的錯車、調頭和停放，以減少挖掘機進入和退出作業區通行時間為主線。

單線隧道設計的梯車洞尺寸為6m（凈深）×6m（凈寬）×5m（凈高），左右側交替間距為500m。單線隧道內如實現配套機械快速調頭的調車洞尺寸為8m（凈深）×8.5m（凈寬）×5.8m（凈高），調車洞可以利用擴挖梯車洞實現。（圖2）

圖2 大瑞鐵路4標單線隧道調車洞設計斷面圖

經現場施工統計得出，單線隧道出渣工序與調車洞的距離關系如圖3。

如圖3所示計算，按500m距離設置調車洞，出渣距離在250～500m區間范圍時出渣工序增加12～15d時間，單個調車洞開挖支護時間為7d，即：按500m距離設置調車洞比按250距離設置調車洞可直接增加出渣工序時間為5～8d。考慮施工過程其他車輛會車時間影響，調車洞距離按250m設置一處為宜。

圖3 單線隧道出渣工序時間消耗和調車洞設置距離對應關系圖

3.3 隧道洞身曲墻變直墻可實現裝載機并行出渣作業

單線隧道設計空間只能滿足挖機裝渣作業，如將隧道開挖斷面的邊墻曲少量優化調為直墻，可實現裝載機與出渣車的并行出渣，出渣工序的快速施工效果明顯，裝載機并行出渣較挖機出渣每循環可節約1.5~2h。

為保證隧道結構受力安全，建議對全斷面法施工的Ⅲ、Ⅳ級圍巖斷面進行優化，月進尺可增加10～15m。Ⅲ級圍巖斷面優化后每延米增加開挖量和襯砌同級混凝土回填量為1.18方；Ⅳa級圍巖斷面優化后每延米增加開挖量和襯砌同級混凝土回填方量均0.97方。

3.4 單線隧道快速施工要素配置

3.4.1 基本要素配置（表1）

3.4.2 濕噴機械手與小型濕噴機的功效對比分析

①濕噴機械手作業：臺階法和全斷面法施工的掌子面，濕噴機械手較小型噴漿機作業快速施工的效果非常明顯，噴射混凝土強度和平整度容易保證，噴砼工序時間較小型濕噴機作業每循環可減少2～3h。

②小型濕噴機作業：兩臺階法立鋼架掌子面噴砼作業必須使用整體臺架，受臺架對噴射作業角度的影響，邊墻噴砼平整度較難控制，需二次補噴作業；全斷面法錨網噴掌子面噴砼作業不宜使用整體臺架，爆破后可利用渣體形成錨網噴作業平臺，邊墻噴砼平整度不受整體臺架的制約，噴砼強度和平整度容易保證，需要每循環及時噴漿，光爆段落不能實現多循環一次噴漿的條件。

表1單線隧道單個掌子面不同工法實現快速施工的要素配置

4 單線隧道快速施工組織管理措施

4.1 合理的工序指標考核是實現快速施工的關鍵手段

快速施工就是要以“零耽擱、負交接”為目標，以“誰誤事、誰負責、強考核”為手段，工序組織是實現快速施工的基礎，要充分考慮各工序之間的關系，通過分解工序時間，強化現場組織管理來實現快速施工。

①時速140km的單線隧道在不同開挖工法和支護類型的循環工序時間分解如表2~表4；②單線隧道快速施工的考核指標（考慮仰拱、二襯砼澆筑對掌子面進度的耽誤）：1）Ⅴ級圍巖三臺階法施工：每循環開挖支護2榀鋼架，開挖進尺為1.2m、1.6m、1.8m，每循環16小時，每月進度考核指標對應為45m、60m、75m。2）Ⅳ級圍巖兩臺階法施工：每循環開挖支護2榀鋼架，開挖進尺為2.4m，每循環18小時，每月進度考核指標為80m。3）Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖全斷面法施工：錨網噴支護，平均開挖進尺為3m，按兩循環錨噴28小時，每月進度考核指標為120m。

表2 V級圍巖三臺階法開挖工序循環時間表

表3Ⅳ級圍巖臺階法開挖工序循環時間表

表4Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖全斷面法開挖工序循環時間表

4.2 技術管理、服務和工序組織管理要精準到位

①技術管理與服務必須精準到位，包括技術測量服務、拌合站混凝土供應、火工品供應、支護材料的儲備等，必須確保技術管理與服務、物資材料供應“零耽擱”。②加強施工工序組織管理，包括進出掌子面機械設備的調度、調車洞的合理使用，橫洞與正洞三岔口的通行調度，仰拱填充及襯砌混凝土的澆筑時機，出渣車輛的運輸調度等，必須強化各工班的銜接與施工組織的“負交接”。③引入BIM技術和相關信息管理平臺，對施工進行動態模擬，更有利于優化施工組織。

4.3 強抓光面爆破作業，提高單線隧道施工效率

光面爆破效果是快速施工的關鍵，較好的光爆效果不僅消除了掌子面掉塊的安全隱患，而且有效的控制隧道超、欠挖，節約了施工成本，還減少了噴射混凝土工序作業時間，施工功效明顯提高。搞好光面爆破才能保障隧道工程質量，才能規避隧道質量缺陷。項目部要根據不同巖性和工法對各掌子面進行專項爆破設計，不斷優化爆破參數，制定嚴格的考核兌現制度，使光面爆破效果達到最佳。

4.4 單線隧道快速施工的安全、質量保障措施

①軟弱圍巖必須堅持“短進尺、強支護、快封閉、勤量測、嚴步距”的基本原則，杜絕隧道發生大變形和塌方等災害。②高度重視超前地質預報工作，必須將超前地質預報工作納入隧道施工的工序管理，未經超前地質預報檢測的掌子面不得施工。超前地質預報工作堅持“內外兼顧，內為重；物鉆并用，鉆為重；長短結合，短為重；異常部位，加密鉆探”的原則。③加大培訓力度，提高技術管理人員對圍巖地質的辨識能力，利用QQ及微信平臺及時傳輸各掌子面地質信息和施工狀態，面對特殊不良地質災害時能快速動態調整施工工法和啟動應急措施。④研究制定與單線隧道相適應的配套設備及技術辦法，嚴格執行標準化工藝工法，確保隧道施工質量。

5 結論與建議

①通過采用合理的施工工法、調車洞的位置及實用有效的技術措施，達到了快速施工的目的，各級圍巖的施工進度均有明顯提高。其中，Ⅲ級圍巖平均月進度為130m，最高達156m；Ⅳ級圍巖平均月進度為85m，最高達100m；Ⅴ級圍巖平均月進度為60m，最高達75m。②單線隧道實現快速施工的建議：采取加大鋼架型號的辦法，適當增加拱架間距。如：Ⅴc級圍巖在固定循環進尺2榀的前提下，0.6m與0.8m拱架間距循環時間基本相同，但日進度相差0.6m/天，月進度能夠從45m/月提高至60m/月。③單線隧道快速施工需要積極發揮參建者的主觀能動性，對特殊的軟巖大變形段落采取寧強勿弱、加大預留變形量的措施杜絕隧道變形侵限而拆換拱作業。