高鐵隧道施工安全步距分析與調(diào)整

劉 柳， 姜 函， 高桂鳳， 韓 冰， 馮衛(wèi)星

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程系，河北 石家莊 050091；3.中鐵二十局集團西延鐵路XYZQ-8項目經(jīng)理部，陜西 洛川 727400)

我國鐵路列車運營速度經(jīng)歷了普速、提速和高速三個發(fā)展階段，相應(yīng)階段上的鐵路隧道施工技術(shù)和要求也在發(fā)展，其中隧道施工中的安全步距問題，隨著鄭萬高鐵、鄭西高鐵、銀西高鐵、西延高鐵、西康高鐵和西十高鐵等工程的相繼建設(shè)，近幾年受到管理、建設(shè)和施工單位的高度關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者和技術(shù)人員對隧道施工安全步距做過一些研究：胡晶等[1]結(jié)合桃花峪隧道工程實踐,從安全和進度兩個方面對大跨徑隧道黃土適宜的施工方法和施工步距進行分析討論,尤其是針對中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步距提出了具體要求。王海周[2]以隧道施工安全步距為關(guān)注焦點,推導(dǎo)了同時考慮圍巖參數(shù)及支護參數(shù)的安全步距計算公式,探求不同圍巖及支護條件下的安全步距理論值。王齊[3]采用FLAC3D有限差分軟件,對深埋隧道Ⅳ級圍巖安全步距進行數(shù)值模擬分析,并與實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)印證和作為參考,探求Ⅳ圍巖及支護條件下的安全步距理論值。雷平等[4]針對我國高速公路隧道施工過程中塌方和大變形等問題,進行了施工安全步距控制基準研究,闡述了隧道施工安全步距的定義、基本理論及現(xiàn)場控制基準,同時根據(jù)施工經(jīng)驗擬定各級圍巖的施工安全步距,最后通過金洞隧道施工案例分析,提出了金洞隧道相應(yīng)的施工安全步距基準。黃維科等[5]針對龍昌隧道在Ⅳ級圍巖公路隧道采用大型機械化施工需要,考慮機械操作性和施工安全性,對安全步距進行了動態(tài)優(yōu)化，結(jié)果表明：龍昌隧道地質(zhì)條件下,采用SN錨桿符合隧道施工初期支護要求,安全步距為80 m時滿足機械施工要求。但總體上對高鐵隧道施工安全步距的研究還不多，本文根據(jù)工程實踐，對高鐵隧道施工安全步距調(diào)整，做了調(diào)研分析和歸納總結(jié)。

1 安全步距由來

關(guān)于隧道施工安全步距的由來，鐵路系統(tǒng)的權(quán)威專家在不同場合做過解釋，國外也有類似隧道施工安全步距的說法，西南交通大學(xué)關(guān)寶樹教授和已故中國工程院王夢恕院士也有過表述。我國鐵路自六次提速之后，高速鐵路建設(shè)進入高潮，出現(xiàn)了大量的隧道工程，項目多、工程多，出現(xiàn)的問題也就多，隧道塌方時有發(fā)生。2009年前后國內(nèi)高鐵隧道施工中出現(xiàn)了不少塌方事故，造成了較為嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，原鐵道部針對當(dāng)時我國高鐵建設(shè)項目較多和隧道施工現(xiàn)場實際狀況(諸如一線施工隊伍現(xiàn)場操作水平不高、機械裝備配備不全、施工管理經(jīng)驗不足、施工質(zhì)量有缺陷等等)，為遏止高鐵隧道施工塌方的不斷發(fā)生，于2010年7月27日下發(fā)了《關(guān)于進一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》(鐵建設(shè)[2010]120號，以下簡稱120號文件)，文件對隧道開挖、初期支護和二次襯砌的施工安全步距做出了明確要求：①軟弱圍巖Ⅳ、V、Ⅵ級地段臺階法施工，上臺階每循環(huán)開挖支護進尺V、Ⅵ級圍巖不應(yīng)大于1榀鋼架間距，Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距，邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2榀鋼架間距；②仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環(huán)開挖進尺不得大于3 m；③隧道開挖后初期支護應(yīng)及時施作并封閉成環(huán)，Ⅳ、V、Ⅵ級圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35 m；④軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道的二次襯砌應(yīng)及時施作，二次襯砌距掌子面的距離，Ⅳ級圍巖不得大于90 m，V、Ⅵ級圍巖不得大于70 m。

2 現(xiàn)場施工組織分析

120號文件下發(fā)后起到了非常好的作用，各高鐵建設(shè)管理部門、各施工企業(yè)和各監(jiān)理單位認真執(zhí)行文件要求，在隨后幾年的高鐵建設(shè)中隧道塌方事故逐漸減少。但隨著時間的推移、管理水平的提升、施工企業(yè)經(jīng)驗的積累、質(zhì)量意識的提高、施工裝備的不斷更新和增加、機械化施工程度的提高，加上中國鐵路總公司工程管理中心《關(guān)于推廣鐵路隧道襯砌施工成套技術(shù)的通知》(工管質(zhì)安函[2016]233號文件，以下簡稱233號文件)的要求，漸漸出現(xiàn)了120號文件規(guī)定的安全施工步距在實際隧道施工中執(zhí)行難的問題，最大困難是施工作業(yè)工序時間太緊促、機械布置困難、交叉干擾嚴重，難以發(fā)揮先進施工裝備的效率，施工進度緩慢。下面分析幾個工程例子：

2.1 彬縣隧道

銀西鐵路彬縣隧道全長14.25 km，設(shè)計時速350 km/h，斷面開挖方量147.02～161.64 m3/m，隧道包含Ⅳ、Ⅴ級圍巖，主要開挖工法為三臺階法及三臺階預(yù)留核心土法，由進口、1號斜井、2號斜井、3號斜井、出口共8個掌子面組織施工，施工中配置了仰拱輕便弧形腹模、定型組合鋼端模、防水板鋪設(shè)臺車等機械化配套設(shè)備。若按120號文件要求(Ⅳ級圍巖二次襯砌距掌子面不大于90 m，仰拱初期支護封閉距掌子面不大于35 m)，則仰拱成環(huán)端頭至二次襯砌端頭只有55 m作為機械化配套工裝配備空間。而自行式液壓棧橋長37 m，防水板掛布臺車8 m，現(xiàn)場工裝設(shè)備空間較為緊張，同時不能滿足超前2板掛設(shè)防水板、超前1板安裝二次襯砌鋼筋的要求。由于作業(yè)空間受限，在安裝鋼筋時，對掌子面出渣、混凝土澆筑等運輸車輛干擾較大，存在較大安全隱患，不能實現(xiàn)全面均衡同步生產(chǎn)；由于空間緊促，出渣車每次只能在二次襯砌臺車后面以倒車的方式進入掌子面作業(yè)。倒車方式一是需經(jīng)過二次襯砌臺車、鋼筋臺車，對車輛行使安全不利；二是倒車行使，每車渣延長時間約2 min，每個循環(huán)出渣工序時間耽誤45 min以上，降低了施工工效。

彬縣隧道主要為石質(zhì)隧道，Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用爆破法進行開挖，如果按仰拱初支成環(huán)端頭距掌子面35 m安全步距控制，現(xiàn)場施工存在兩方面的問題：一是進行爆破作業(yè)時，由于爆破作業(yè)面距離仰拱棧橋及仰拱端頭矮邊墻較近，即使現(xiàn)場采用木板遮擋等措施，爆破沖擊及飛石仍然對自行式液壓棧橋構(gòu)件、矮邊墻防水板等造成一定程度破壞；二是出渣過程中下臺階挖掘機2臺，出渣車1臺，裝載機2臺，挖掘機占用空間8 m，裝載機活動及出渣車占用空間10 m，下臺階現(xiàn)場空間較小，只允許1臺出渣車在現(xiàn)場，另一臺出渣車在二次襯砌臺車后等待，待裝渣車走后，第二臺出渣車從二次襯砌臺車后面倒車至下臺階，倒車與現(xiàn)場仰拱、二次襯砌施工有交叉作業(yè)，安全風(fēng)險高，同時降低了施工工效。

2.2 新永壽梁隧道

銀西鐵路新永壽梁隧道長10 796.74 m，設(shè)輔助坑道2座，其中1號斜井1 687.51 m， 2號斜井1 350.75 m，根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場施工需要，共計有6個工作面開展施工。隧道除進、出口洞口部分為黃土外，其余均為巖石，主要巖性為三疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，屬弱富水區(qū)。隧道整體圍巖級別劃分及長度為：Ⅲ級圍巖1 945 m，占18.0%；Ⅳ級圍巖7 355 m，占68.1%；Ⅴ級圍巖1 474 m，占13.7%；進出口及洞門22.74 m。

根據(jù)站后“四電”接觸網(wǎng)槽道工程設(shè)計要求，管段范圍內(nèi)臺車長度應(yīng)為12 m，有效長度11.9 m，按照國鐵集團西成公司《西成、寶蘭客專隧道工程關(guān)鍵工序施工工藝控制指導(dǎo)意見》文件要求，仰拱施作采用整體式弧形模板，并且一次性施工長度必須與二次襯砌一致，所以施工中仰拱、襯砌一次施工長度均為11.9 m。執(zhí)行233號文件，現(xiàn)場配備仰拱輕便弧形腹模、防水板鋪設(shè)臺車、二次襯砌臺車定型鋼端模、長大仰拱棧橋等施工裝備。為了滿足設(shè)計及施工要求，保證仰拱及填充施工工序分層澆筑，避免工序干擾，現(xiàn)場需要有足夠的作業(yè)空間。

現(xiàn)場采用三臺階法開挖施工(見圖1)，為了滿足設(shè)計要求的“下一臺階的開挖應(yīng)在上一臺階噴射混凝土達到設(shè)計強度的70%以上時再進行”，在工序安排比較緊湊的情況下，采用上臺階長6 m，中臺階長為8 m，下臺階3 m，施工過程中占用3 m，臺階合計總長20 m；裝載機出渣作業(yè)區(qū)20 m；出渣車調(diào)頭區(qū)15 m，仰拱棧橋搭板及開挖臺階占用5 m，合計20 m；仰拱開挖支護及棧橋后搭板占用約33.4 m；棧橋總長38.4 m(與仰拱施工占用空間重合)；防水板掛布臺車長8～12 m，考慮掛布臺車前后作業(yè)空間各1 m；二次襯砌臺車12 m。

圖1 新永壽梁隧道現(xiàn)場施工組織(單位：cm)

現(xiàn)場施工作業(yè)空間總長度約為：[20+20+20+33.4+(8～12)+2+12]m = 115.4～119.4 m。

2.3 新延安隧道

西延鐵路新延安隧道位于延安市甘泉縣至寶塔區(qū)之間黃土梁茆溝壑區(qū)，起訖里程DK273+756—DK289+756。隧道進口位于甘泉縣勞山鄉(xiāng)豐足村，出口位于寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn)楊家灣村。隧道全長16 km，設(shè)4座斜井、2座疏散通道。隧道主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，Ⅳ級圍巖采用三臺階法、Ⅴ級圍巖深埋段采用三臺階預(yù)留核心土法、Ⅴ級圍巖淺埋段采用三臺階設(shè)臨時仰拱法施工。

同樣，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，施工現(xiàn)場需有襯砌臺車、長大仰拱棧橋、輕便弧形腹模、防水板鋪設(shè)臺車等施工裝備，現(xiàn)場施工裝備配備方案如圖2所示。挖機、裝載機、出渣車裝渣作業(yè)區(qū)18 m，出渣車掉頭、等待區(qū)16 m，棧橋總長41.5 m(含引橋)，防水板臺架至棧橋間4 m范圍作為仰拱鋼筋運送、調(diào)度空間，防水板臺車長12 m，防水板至二襯臺車間5 m范圍作為二襯鋼筋運送、調(diào)度空間，二襯臺車12 m。

圖2 新延安隧道施工各工序裝備配備方案(單位：cm)

襯砌作業(yè)空間總長度：[(8+8+3) +18+16+41.5+4+12+5+12]m =127.5 m。

仰拱初支封閉作業(yè)空間總長度為：[(8+8+3) +18+16+6.8+3]m =62.8 m。

2.4 新尚家溝隧道

西延高鐵新尚家溝隧道位于延安市寶塔區(qū)，屬南川河右岸黃土梁茆溝壑區(qū)，走向與南川河走向基本一致，隧道起訖里程DK290+390—DK291+840，長1 450 m，為單洞雙線高鐵隧道，最大埋深約130 m，最淺處拱部出露于地表。隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)填筑土、沖積砂質(zhì)黃土、細角礫土、粗圓礫土，上更新統(tǒng)風(fēng)積砂黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，下伏侏羅系下統(tǒng)頁巖夾砂巖，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅳ級圍巖1 005 m、Ⅴ級圍巖445 m。隧道進口方向采用機械開挖施工，開挖采用懸臂掘進機施工，錨噴支護采用濕噴機械手施工，拱架安裝采用半自動多功能臺架，仰拱施工采用“橋～模”一體自行式仰拱棧橋，防排水施工采用自行式防水板臺架，拱墻襯砌施工采用框架式襯砌模板臺車，自動噴淋養(yǎng)護臺車，整體式溝槽模板臺車。120號文件規(guī)定的施工安全步距不能滿足機械配套工裝施工要求。

2.5 西延高鐵銅川至延安段

西延高鐵銅川站(不含)至延安段正線線路長度208.616 km，其中新建線路長度203.547 km，利用既有包西線5.069 km，還建既有包西線線路長6.428 km。正線新建隧道長度161.394 km/43座，占新建線路長度的79.2%。

隧道主要以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，其中，Ⅲ級圍巖占13.5%，Ⅳ級圍巖約占58.9%，Ⅴ級圍巖約占26.9%，Ⅵ級圍巖約占 0.7%，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級合計占比達 86.5%。

全線隧道掌子面圍巖等級Ⅵ的地層主要為嚴重濕陷性黃土地段。

全線隧道掌子面圍巖等級Ⅴ的地層主要分五類：①第四系覆蓋層或第三系泥巖淺埋地段；②軟塑狀黃土地段；③巖層淺埋地段；④巖性分界(土層與巖層分界、不同時代巖層分界)地段；⑤斷裂分布地段。

全線隧道掌子面圍巖等級Ⅳ級情況下，地層主要分四類：①黃土深埋地段；②第三系泥巖深埋地段；③弱風(fēng)化巖層(砂、頁巖互層、夾層)深埋地段；④Ⅲ級、Ⅴ級圍巖過渡地段。

全線隧道掌子面圍巖等級Ⅲ的地層主要為弱風(fēng)化厚層砂巖或灰?guī)r深埋地段。

根據(jù)圍巖情況，全線隧道施工分為一般機械化作業(yè)和大型機械化作業(yè)兩大類。

Ⅴ級圍巖采用一般機械化作業(yè)，其作業(yè)空間要求為：①采用三臺階法開挖，在工序安排比較緊湊的情況下，上臺階長5 m，中臺階長為5 m，下臺階5 m，臺階合計總長15 m；②出渣及車輛調(diào)頭作業(yè)區(qū)20 m；③仰拱開挖支護及棧橋前后搭板占用約42 m；④防水板掛布臺車6 m、襯砌鋼筋臺車6 m，中間間距考慮3 m，防水板臺車與仰拱棧橋之間應(yīng)保留一定的距離(5 m)，共計20 m；⑤考慮到防水板的鋪設(shè)應(yīng)超前二次襯砌混凝土施工1～2個襯砌長度(12～24 m)。計算作業(yè)空間長度：(15+20+42+20+12)m =109 m，見圖3。

圖3 隧道一般機械化作業(yè)空間布局

Ⅳ級圍巖采用大型機械化作業(yè)，其作業(yè)空間要求為：①懸臂掘進機開挖上臺階長度為53 m、下臺階長度為30 m，共83 m(含裝渣作業(yè)區(qū)長度)；②棧橋總長41.5 m(含引橋)；③防水板臺架至棧橋間12 m范圍作為仰拱鋼筋運送、調(diào)度空間；④防水板臺車作業(yè)長度14 m；⑤二襯臺車作業(yè)長度14 m。襯砌作業(yè)空間總長度：(53+30+7+30+12+14+14)m =160 m；仰拱初支封閉作業(yè)空間總長度：(53+30+7)m =90 m，如圖4所示。

圖4 隧道大型機械化作業(yè)空間布局

2.6 西康鐵路

西安至安康高速鐵路位于陜西省南部，北接西安至延安高鐵，南接安康至重慶高鐵。新建線路全長178.118 km(含西安東站西康高速場及延伸段7.192 km)，其中西安市境內(nèi)39.627 km，商洛市境內(nèi)83.645 km，安康市境內(nèi)54.846 km。西康鐵路中隧道工程總計141.911 km/20座，占線路總長度的83.1%，秦嶺太興山隧道進口為兩座單洞單線隧道，出口為單洞雙線隧道；其余隧道均按單洞雙線隧道設(shè)計。沿線各施工標段隧道地質(zhì)概況見表1所示。

表1 西康高鐵沿線隧道地質(zhì)概況

實行機械化配套施工的隧道有秦嶺太興山隧道、秦嶺九天山隧道、林家山隧道和華家山隧道，所用主要機具為三臂鑿巖臺車、濕噴混凝土機械手、液壓自行式仰拱棧橋、防水板作業(yè)臺車、二次襯砌鋼筋臺車和智能化襯砌臺車等，一般機械化作業(yè)如圖5所示，大型機械化作業(yè)現(xiàn)場布置同圖4。

圖5 一般機械化作業(yè)現(xiàn)場布設(shè)(單位：cm)

3 安全步距調(diào)整案例

根據(jù)隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和現(xiàn)場的實際施工組織情況，本著實事求是、既要保安全質(zhì)量又要保工期進度，同時兼顧企業(yè)經(jīng)濟效益的原則，經(jīng)設(shè)計院、施工企業(yè)、監(jiān)理單位和建設(shè)方認真討論，以及專家反復(fù)論證，部分高鐵隧道的施工安全步距做了調(diào)整(具體如表2～表8所示)，并付諸實施，效果良好，可供今后工程實踐參考。步距調(diào)整真正體現(xiàn)了“動態(tài)設(shè)計、動態(tài)調(diào)整、動態(tài)施工”的隧道施工理念。

表2 Ⅵ級圍巖施工安全步距調(diào)整實例

表3 Ⅴ級圍巖施工安全步距調(diào)整實例

表4 Ⅳ級圍巖施工安全步距調(diào)整實例

表5 Ⅲ級圍巖施工安全步距調(diào)整實例

表6 Ⅱ級圍巖施工安全步距調(diào)整實例

表7 輔助坑道施工安全步距調(diào)整實例

表8 附加說明

4 結(jié)束語

與地面房屋、橋梁等明結(jié)構(gòu)不同，隧道和地下工程是暗結(jié)構(gòu)，屬于灰色系統(tǒng)，很多因素是模糊的、不確定的，每座隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和工程環(huán)境都不一樣。修建高鐵隧道的目的是為高速列車提供安全穩(wěn)定的通道，從這個意義上講，不管采用哪種建造方法，只要能提供安全穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)就應(yīng)該是正確的。新奧法的原理是隧道開挖后及時施作一層與圍巖密貼的柔性錨噴支護，使支護與圍巖共同組成承載環(huán)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，支護與圍巖共同承載、共同變形(有限變形)，通過監(jiān)控量測，判定洞室的穩(wěn)定性，洞室穩(wěn)定后施作二次襯砌。所以，隧道施工安全步距，本質(zhì)上是隧道開挖后初期支護封閉成環(huán)越早越好(即及時施作)，二次襯砌施作應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果來確定。但因種種原因，現(xiàn)實中的施工質(zhì)量和監(jiān)控量測與反饋還存在著一些問題，使得理論與實際在現(xiàn)實情況下不一定能完全一致，所以要制定一些規(guī)定、提出一些措施，強制性地使實際接近理論，實現(xiàn)安全施工，這也是原鐵道部出臺120號文件的緣由。經(jīng)過近幾年的工程實踐，高速鐵路隧道機械化施工安全步距大致上是這樣的范圍：Ⅳ級圍巖仰拱初期支護封閉成環(huán)距掌子面距離60～90 m，Ⅴ級圍巖仰拱初期支護封閉成環(huán)距掌子面距離35～50 m，二次襯砌距掌子面距離約為初期支護安全步距+80 m。也就是說，120號文件的精神在現(xiàn)實高鐵隧道的設(shè)計和施工中仍有指導(dǎo)意義，不同的隧道根據(jù)其不同的工程和水文地質(zhì)條件，其安全施工步距，通過借鑒成功案例，經(jīng)建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理多方會商和專家論證，可以做適當(dāng)調(diào)整。