單線隧道復(fù)雜軟弱地層微臺階快速施工技術(shù)應(yīng)用研究

明雪

（中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300308）

1 研究背景

隧道工程具有以下主要特點：隱蔽未知性強(qiáng)，地勘工作不能全覆蓋，揭示地質(zhì)與設(shè)計地質(zhì)存在不一致；工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)工序多，與作業(yè)空間狹窄存在矛盾；專用機(jī)械設(shè)備少，機(jī)械化程度不高，勞力投入大，施工效率低。受以上因素制約，工程施工安全風(fēng)險高[1]。

目前中國每年設(shè)計、建設(shè)、運營的隧道數(shù)量都在成倍增長，預(yù)計到2020年中國投入運營的鐵路隧道總量達(dá)到1.7萬座，總長度突破2萬km，中國已成為隧道超級大國[2]。但從另一個角度來看，中國隧道施工技術(shù)水平還不高，大多數(shù)是靠大量的勞力來實現(xiàn)高效率；工藝工法更迭速度慢，墨守成規(guī)。因此在蒙華鐵路隧道施工過程中，汲取以往施工經(jīng)驗，對隧道開挖支護(hù)、仰拱、二襯等各道工序進(jìn)行了較大的技術(shù)創(chuàng)新完善，并成功運用到實踐中。以蒙華鐵路中條山隧道為例，對軟弱地層單線隧道微臺階機(jī)械化快速開挖支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行回顧總結(jié)，為同行提供有益的借鑒。

2 工程概況

中條山隧道設(shè)計為雙洞單線隧道，穿越中條山脈，隧道左線長度18 405 m，右線長度18 410 m。隧道埋深一般大于400 m，最大埋深約840 m。隧道設(shè)置5座斜井和1座平導(dǎo)輔助施工（4#斜井在工程前期優(yōu)化中取消），其中1#、2#、3#斜井長度全部大于2 km，2#斜井最長為2 429 m。中條山隧道為高風(fēng)險隧道，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)極為復(fù)雜，是蒙華鐵路全線頭號控制性工程，按照Ⅰ級風(fēng)險隧道管理。隧道穿過的地層主要為太古界變質(zhì)巖（巖性為片麻巖、斜長角閃巖、淺粒巖），震旦系和寒武系沉積巖（巖性主要有灰?guī)r、白云巖、泥巖、頁巖），第三系半成巖卵石、礫石夾黏土層，第四系新、老黃土層。主要不良地質(zhì)包括：①斷層發(fā)育，隧道穿越段共有11條斷裂帶；②隧道5#、6#斜井承擔(dān)施工段通過第三系N2洪積扇地層，設(shè)計有2 3 5 0 m為富水高承壓含水層，正常涌水量達(dá)36 500 m3/d，施工風(fēng)險極大。

3 總體施工原理及方案

3.1 總體施工原理

結(jié)合鐵路單線隧道斷面特點，充分利用時間和空間效應(yīng)，合理選擇“鉆、挖、裝、運、支”機(jī)具設(shè)備，運用信息化手段，實現(xiàn)“快挖、快支、早強(qiáng)、早封閉”，確保隧道質(zhì)量安全。

上臺階鋼架架設(shè)緊貼掌子面，仰拱初支鋼架緊跟下臺階，初支結(jié)構(gòu)快速封閉成環(huán)，盡早整體受力，保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全。選用大型混凝土濕噴機(jī)械手（大于15 m3/h），提高混凝土施工質(zhì)量和施工工效[3]。選用分離式作業(yè)臺架、小型挖掘機(jī)及裝載機(jī)，解決作業(yè)空間有限問題。上臺階立拱的同時進(jìn)行下臺階出碴，實行平行作業(yè)[4]，以節(jié)省工序時間。

3.2 總體施工方案

總體施工工藝流程如圖1所示。總體施工方案具體如下。

圖1 施工工藝流程圖

3.2.1 操作要點與設(shè)備選型

隧道軟弱圍巖地層施工要點為“一強(qiáng)化、二緊跟、三超前、四到位”[5]。一強(qiáng)化即強(qiáng)化監(jiān)控量測；二緊跟即鋼架緊貼掌子面，初支仰拱封閉成環(huán)緊跟下臺階；三超前即超前預(yù)報、超前加固、超前支護(hù)；四到位即工法選擇到位，支護(hù)措施到位，快速封閉到位，襯砌質(zhì)量到位。

施工采用微臺階法施工，機(jī)具設(shè)備選型是關(guān)鍵[6]。選用雙拼作業(yè)臺架、小型140挖掘機(jī)和ZL40裝載機(jī)，體積小、機(jī)動靈活；隧道噴射混凝土均采用濕噴機(jī)械手，質(zhì)量穩(wěn)定，工效高，環(huán)境好。

3.2.2 臺階尺寸與臺架選型

3.2.2.1 臺階開挖高度和長度

合理選擇臺階開挖高度和長度。上臺階高度設(shè)置需考慮到臺架高度及相應(yīng)的作業(yè)空間問題，下臺階及仰拱高度考慮在無機(jī)械配合前提下人工作業(yè)的便捷性，臺階長度綜合考慮保證挖機(jī)等機(jī)械的有效作業(yè)半徑和施工作業(yè)空間。

單線隧道臺階長5～6 m，上臺階高5～6.5 m，下臺階（含仰拱）高3～4.5 m；每循環(huán)開挖長度根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況確定，一般Ⅳ、Ⅴ級圍巖段不大于2榀拱架。臺階橫斷面如圖2所示，縱斷面如圖3所示。

圖2 單線隧道微臺階橫斷面示意圖

圖3 單線隧道微臺階縱剖面示意圖

3.2.2.2 作業(yè)臺架

單線隧道斷面狹小，考慮臺架搬運的便捷性和存放位置錯車需要的寬度，上臺階作業(yè)臺架采用2個分離式臺架現(xiàn)場拼裝，單個臺架長約4 m，寬約2 m，高約3 m。下臺階（含仰拱）采用爬梯輔助作業(yè)。作業(yè)臺架設(shè)置如圖4所示。

圖4 單線隧道作業(yè)臺架設(shè)置示意圖

3.2.3 機(jī)械配套與施工組織

3.2.3.1 施工準(zhǔn)備

分析超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測信息；通風(fēng)照明狀況良好，作業(yè)人員到位，組裝開挖作業(yè)臺架，接通風(fēng)水管線，檢查設(shè)備機(jī)具。如圍巖無法自穩(wěn)，則需進(jìn)行超前預(yù)加固[7]后進(jìn)行開挖作業(yè)。

3.2.3.2 上、下臺階（含仰拱）鉆眼及爆破

測量放樣及布孔：工班長根據(jù)測量組放樣開挖輪廓線按照爆破設(shè)計進(jìn)行布孔，技術(shù)員進(jìn)行確認(rèn)檢查。

鉆孔：定人定鉆，工人根據(jù)所分配的鉆眼范圍，采用YT-28風(fēng)鉆濕式鉆眼，鉆孔采用Φ42 mm鉆釬，炮眼位置應(yīng)先搗平，開眼時先低速運轉(zhuǎn)，待鉆進(jìn)一定深度后再全速鉆進(jìn)。

清孔：將帶有閥門專用吹管插入孔內(nèi)，利用高壓風(fēng)將雜物吹出。

驗孔：檢查有無堵孔、塌孔、串孔。并根據(jù)爆破設(shè)計檢查布眼形式，有無漏打情況。

裝藥：清孔完畢，裝藥由持證爆破員操作，每2人一組，按照鉆爆設(shè)計圖自上而下進(jìn)行裝藥。裝藥量、雷管段別以及裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥方式嚴(yán)格按照爆破設(shè)計參數(shù)進(jìn)行，完成后用炮泥堵塞密實。

連線：網(wǎng)絡(luò)連接按爆破設(shè)計將規(guī)定數(shù)目非電毫秒雷管腳線捆綁成束，由工作面向起爆點逐段進(jìn)行連接，同時必須保證起爆的可靠性和準(zhǔn)確性。

起爆：起爆前，所有人員撤離至安全地點，距離掌子面不小于300 m且不受有害氣體、振動及飛石傷害的安全地點；起爆由爆破員操作，安全員監(jiān)督。

通風(fēng)排煙：風(fēng)管口距掌子面約30 m，通風(fēng)15 min后確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量良好，由原裝藥爆破員進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場查看，檢查有無盲炮、有無殘存的爆破器材。

3.2.3.3 扒碴及上臺階作業(yè)臺架就位

排煙結(jié)束后，現(xiàn)場領(lǐng)工員指揮挖掘機(jī)扒碴，處理掌子面范圍松動巖石，上臺階碴土平整完成后將后方分離式臺架移至掌子面，臺架安放必須保證穩(wěn)固牢靠，作業(yè)人員到場后安排專人手持鋼釬再次找頂，必要時對掌子面采取初噴混凝土等處理措施加固。

3.2.3.4 出碴

挖掘機(jī)扒碴，裝載機(jī)配合裝碴，自卸汽車運至棄碴場。下臺階出碴前將上臺階初支所需材料轉(zhuǎn)至上臺階。

3.2.3.5 拱架安裝及超期支護(hù)施作

上臺階安裝拱架、施作鎖腳錨管、網(wǎng)片、連接筋與超前支護(hù)（超前支護(hù)采用Φ42 mm無縫鋼管加工，單根長度為2倍循環(huán)進(jìn)尺并嚴(yán)格控制安裝角度），并同步進(jìn)行下臺階出碴，采用ZL40裝載機(jī)裝碴，自卸汽車運碴。出碴結(jié)束后開始下臺階立拱、施作鎖腳錨管、連接筋及鋼筋網(wǎng)片施工，同時人工配合挖機(jī)進(jìn)行仰拱扒碴及清碴，該部分洞碴預(yù)留用作仰拱回填使用，仰拱扒碴結(jié)束后開始仰拱部位立拱與掛網(wǎng)施工。

出碴過程中將通風(fēng)管接至距離掌子面30 m處，并且后方仰拱棧橋不得移動，以保證出碴汽車與運送材料的車輛通行。

3.2.3.6 噴射混凝土

下臺階及仰拱拱架、連接筋等施作完成后，進(jìn)行噴射混凝土施工。混凝土罐車運輸初支混凝土至現(xiàn)場后采用濕噴機(jī)械手噴射，先仰拱后下臺階，完成后采用挖機(jī)對下臺階和仰拱部位進(jìn)行回填洞碴至中臺階部位，形成坡道，然后采用挖機(jī)退出上臺階臺架，之后進(jìn)行上臺階噴射混凝土，如圖5所示。

圖5 上臺階噴射混凝土

3.2.4 信息化施工

3.2.4.1 超前地質(zhì)預(yù)報

由專業(yè)人員主要運用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)素描技術(shù)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，特殊地質(zhì)增加超前地質(zhì)鉆探，根據(jù)預(yù)報結(jié)果及時分析，反饋指導(dǎo)施工。

3.2.4.2 監(jiān)控量測

制定監(jiān)控量測管理辦法，細(xì)化方案，建立監(jiān)控量測信息自動預(yù)警管理信息化平臺，明確各圍巖級別的預(yù)警管理值，將監(jiān)控量測納入工序管理。根據(jù)量測信息，動態(tài)優(yōu)化施工進(jìn)尺和支護(hù)參數(shù)。發(fā)生預(yù)警時，按管理責(zé)任及時采取相應(yīng)處置措施。對于大變形地段，加強(qiáng)監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，必要時進(jìn)行實時監(jiān)控。

3.2.5 質(zhì)量、安全控制要點

仰拱緊跟下臺階，特殊情況仰拱距掌子面極限距離：兩臺階法施工時按1倍洞徑控制；三臺階法施工時按1.5倍洞徑控制[8]。

隧道內(nèi)施工必須設(shè)專人24 h值守，負(fù)責(zé)各施工工序間的組織銜接以及人、料、機(jī)的準(zhǔn)備工作。

洞內(nèi)機(jī)械設(shè)備多，同步開展的工序多，要做好各工序間的安全防護(hù)和日常管理，加強(qiáng)工序間交接和交通安全管理。

堅持每循環(huán)放樣、斷面檢查，準(zhǔn)確測設(shè)開挖輪廓線，技術(shù)人員從炮眼位置、外插角、炮眼深度、裝藥到起爆各環(huán)節(jié)進(jìn)行全程監(jiān)控。

上下臺階初支鋼架必須緊貼掌子面[9]，同時拱腳部位采用輕硬質(zhì)墊塊墊實；拱架各單元連接板以螺栓連接牢固；每榀鋼架拱部、拱腳處，打設(shè)鎖腳錨管錨固，與鋼架在同一平面內(nèi)，水平朝下30°～45°，使用鎖腳錨固筋將鎖腳和拱架雙面焊接，確保連接牢固；鎖腳打設(shè)完畢后，注水泥砂漿。為確保上下臺階連接部位初支施工質(zhì)量，噴射混凝土?xí)r，上臺階拱腳必須設(shè)置鋼隔板。

軟弱地層隧道施工，必須把超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測納入施工工序管理[10]，未進(jìn)行監(jiān)控量測或量測預(yù)警未消除不允許施工人員進(jìn)入現(xiàn)場作業(yè)。將監(jiān)控量測納入統(tǒng)一的信息管理平臺，認(rèn)真做好超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測信息分析，及時進(jìn)行動態(tài)管理與信息反饋，防止隧道塌方造成人員傷亡。

4 機(jī)具設(shè)備及勞動力組織

單個工作面需要配置的機(jī)具設(shè)備如表1所示。單個工作面需要配備的勞動力如表2所示。

表1 機(jī)具設(shè)備配置表

表2 勞動力組織配備表

5 應(yīng)用成果

中條山隧道地質(zhì)情況差，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比大，工期緊，如采用傳統(tǒng)臺階法施工，不利于安全和工期控制，因此Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用了微臺階機(jī)械化快速施工技術(shù)。

根據(jù)施工技術(shù)指標(biāo)，采用傳統(tǒng)臺階法施工，Ⅳ級圍巖地段進(jìn)度指標(biāo)為70 m/月，Ⅴ級圍巖地段為50 m/月。采取微臺階機(jī)械化快速施工技術(shù)后，Ⅳ級圍巖實際月平均進(jìn)尺為90 m，Ⅴ級圍巖為75 m。Ⅳ、Ⅴ級循環(huán)時間表如表3所示。隧道歷時1 304 d，提前6個月安全貫通，未發(fā)生隧道塌方及人身傷亡事故。

表3 中條山隧道Ⅳ、Ⅴ級循環(huán)時間表

通過改進(jìn)施工技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，噴射混凝土質(zhì)量100%合格，確保了工程質(zhì)量和安全。最重要的是，豐富了單線鐵路軟巖隧道的施工方式，改善了施工作業(yè)條件，推動了隧道開挖施工技術(shù)的發(fā)展，具有巨大的潛在社會效益。

6 結(jié)論

隧道施工是所有鐵路工程建設(shè)質(zhì)量、安全管控的重點，主要原因就在于工程的隱蔽性、地質(zhì)條件的不確定性、工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及作業(yè)空間的受限性。因此在中條山隧道的施工過程中不斷總結(jié)、創(chuàng)新優(yōu)化施工工藝并在蒙華全線進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了社會廣泛的認(rèn)可。但仍有部分工作還有待提高，具體如下：一是隧道施工發(fā)展的出路在于機(jī)械化[11]，但目前中國隧道開挖仍然以人工為主，建議要加強(qiáng)配套的機(jī)械設(shè)備的研究和制造，提高機(jī)械化水平；二是隧道工程應(yīng)實行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[12]，建議加強(qiáng)過程隧道地質(zhì)預(yù)報分析、結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和受力分析工作。