隧道全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖技術(shù)應(yīng)用

【摘 要】以高原鐵路某單線隧道為研究背景，通過(guò)在軟弱圍巖段開(kāi)展全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖技術(shù)研究，節(jié)約了資源，避免了傳統(tǒng)仰拱二次爆破帶來(lái)的諸多問(wèn)題，初支可以盡早封閉成環(huán)，相對(duì)于二次開(kāi)挖仰拱，初支沉降量明顯減?。谎龉笆┕みM(jìn)度加快，安全步距可控，保障了掌子面施工進(jìn)度，安全高效；優(yōu)化了隧道施工工序，縮短了隧道整體工期。為同類(lèi)隧道施工提供了技術(shù)參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道行業(yè)內(nèi)的科技創(chuàng)新起到了借鑒作用，推動(dòng)施工領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】隧道； 全斷面； 仰拱； 一次性開(kāi)挖

【中圖分類(lèi)號(hào)】U455.41+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

目前公路、鐵路隧道全斷面開(kāi)挖過(guò)程中，一般采用仰拱單獨(dú)開(kāi)挖方式，沒(méi)有隨全斷面一次開(kāi)挖成型。掌子面開(kāi)挖一段距離后，單獨(dú)二次開(kāi)挖施工仰拱。初支封閉成環(huán)與掌子面距離較大，尤其在軟弱圍巖隧道中，不利于初支盡早封閉成環(huán)；多次開(kāi)挖，工序繁瑣，火工品單耗增高，影響施工進(jìn)度；高海拔地區(qū)單獨(dú)配備設(shè)備人員，造成資源浪費(fèi)。本文通過(guò)在高海拔軟弱圍巖隧道中，研究全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖施工工藝，對(duì)隧道安全高效施工具有重要意義。

1 工程概況

某高原鐵路項(xiàng)目某隧道2#斜井工區(qū)起訖里程DK983+418-DK989+270，全長(zhǎng)5 852 m，隧道設(shè)計(jì)為兩座單線鐵路隧道，斷面尺寸7.5 m×6.9 m（長(zhǎng)×寬），開(kāi)挖斷面約80 m2（圖1）。

隧道圍巖主要為古近系宗白群砂巖夾泥巖，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較破碎、掌子面存在線狀出水，遇水有軟化現(xiàn)象，圍巖級(jí)別為IV級(jí)，隧道采用全斷面法進(jìn)行施工作業(yè)，大型機(jī)械化配套施工。

隧道前期在采用仰拱以上部分一次開(kāi)挖、仰拱部分二次開(kāi)挖的工藝，但仰拱二次開(kāi)挖不僅會(huì)增加開(kāi)挖工序時(shí)間、仰拱進(jìn)尺緩慢、導(dǎo)致安全步距存在超標(biāo)隱患，也會(huì)影響隧道的整體施工組織。針對(duì)上述問(wèn)題，項(xiàng)目基于大型機(jī)械化配套優(yōu)勢(shì)，針對(duì)IV級(jí)軟弱圍巖開(kāi)展了爆破設(shè)計(jì)、優(yōu)化炮孔設(shè)計(jì)、裝藥參數(shù)等工作，研究了隧道正洞全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖施工工藝。

2 施工工藝

2.1 全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖工藝介紹

全斷面帶仰拱一次型開(kāi)挖采用鐵建重工三臂鑿巖臺(tái)車(chē)爆破鉆孔。鉆孔前掌子面后方7 m長(zhǎng)度范圍仰拱高度需預(yù)留臺(tái)車(chē)鉆臂空間，鑿巖臺(tái)車(chē)支立于距掌子面8 m位置，軌面以上部分與仰拱同時(shí)鉆孔，鉆孔完成后采用裝藥臺(tái)車(chē)進(jìn)行裝藥，整體一次性起爆，全斷面成型，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全斷面開(kāi)挖。出渣同時(shí)預(yù)留7 m長(zhǎng)度臺(tái)車(chē)鉆臂空間，拱墻和仰拱初期支護(hù)同步施作，依次循環(huán)作業(yè)，縮短工序時(shí)間［1-2］，加快施工進(jìn)度。

2.2 全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖工藝流程

2.2.1 場(chǎng)地平整

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)就位前，采用挖掘機(jī)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，確保場(chǎng)地滿足大機(jī)行走以及支腿平穩(wěn)固定， 形成推進(jìn)梁鉆孔的作業(yè)空間。

2.2.2 鑿巖臺(tái)車(chē)定位及鉆孔

現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行初次定位，定位后系統(tǒng)根據(jù)隧道中線及開(kāi)挖輪廓線對(duì)炮孔位置實(shí)現(xiàn)精確定位，鉆孔施工時(shí)，將數(shù)字化爆破設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)，控制中心準(zhǔn)確，嚴(yán)格控制作業(yè)臂鉆孔角度進(jìn)行鉆孔。

2.2.3 裝藥爆破

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)完成鉆孔作業(yè)退出后，裝藥臺(tái)車(chē)就位，組織裝藥作業(yè)，周邊光爆孔采用縱向間隔裝藥，為更好的控制裝藥比例與裝藥距離，在炸藥安裝前，逐孔量測(cè)周邊眼深度，將藥卷綁扎在竹片上保證裝藥間距（圖2、圖3）。

每個(gè)孔內(nèi)采用導(dǎo)爆管進(jìn)行連接，確保完整的起爆網(wǎng)絡(luò)，孔口設(shè)置水袋進(jìn)行堵塞，堵塞長(zhǎng)度不小于50 cm，確保周邊孔良好的爆破效果。

2.2.4 出渣作業(yè)

爆破完成后及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，安全員按照規(guī)定檢查完畢后，采用裝載機(jī)配合自卸車(chē)進(jìn)行出渣作業(yè)，洞渣清理完畢后，再采用挖掘機(jī)進(jìn)行找頂和排險(xiǎn)。

2.2.5 測(cè)量及欠挖處理

測(cè)量人員使用3D掃描儀對(duì)本循環(huán)進(jìn)行全斷面掃描，對(duì)欠挖位置進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)欠挖面積、程度選擇銑挖或補(bǔ)炮進(jìn)行欠挖處理。

2.2.6 隧道初噴作業(yè)

找頂排險(xiǎn)完成后，對(duì)場(chǎng)地再次進(jìn)行平整，清理完成后，采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行初噴作業(yè)。

2.2.7 初支及復(fù)噴作業(yè)

初噴完成后，按照設(shè)計(jì)圖紙支護(hù)參數(shù)要求，進(jìn)行鋼架安裝、錨桿打設(shè)、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片等支護(hù)作業(yè)，最后再采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行復(fù)噴作業(yè)。

2.2.8 仰拱回填及場(chǎng)地平整

復(fù)噴作業(yè)完成后，將已開(kāi)挖仰拱按要求坡度進(jìn)行回填，確保下循環(huán)鑿巖臺(tái)車(chē)、裝藥臺(tái)車(chē)等大型機(jī)械有合適的作業(yè)空間。

2.3 全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)

正洞IV級(jí)圍巖拱架間距1.2 m/榀，一次爆破進(jìn)尺2.4 m，全斷面不帶仰拱一次開(kāi)挖設(shè)計(jì)炮孔數(shù)量166個(gè)（圖4（a）），開(kāi)挖斷面69 m3，炸藥單耗量1.1 kg/m3。全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖設(shè)計(jì)炮孔數(shù)量180個(gè)（圖4（b）），開(kāi)挖斷面77 m3，炸藥單耗量1.02 kg/m3。

3 全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖實(shí)施效果分析

全斷面帶仰拱一次性開(kāi)挖施工工藝已在高原鐵路2#斜井全面推廣（圖5），已累計(jì)施工1 300 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況來(lái)看，單線隧道全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖法實(shí)施效果總體可行，一定程度上減少了仰拱開(kāi)挖工序時(shí)間，且能夠加快仰拱循環(huán)，優(yōu)化整體施工組織。

3.1 工序時(shí)間分析

單線隧道全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖比全斷面不帶仰拱工序時(shí)間減少2.5 h，按照每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺2.4 m計(jì)算，3天可施工4循環(huán)，每3天減少開(kāi)挖時(shí)間10 h，每月可減少100 h，月平均開(kāi)挖進(jìn)尺增加13 m，兩種開(kāi)挖工藝對(duì)比下，全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖對(duì)進(jìn)尺幫助較大［4］，保障了施工工期（表1）。

3.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.2.1 全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖優(yōu)勢(shì)分析

（1）全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖避免了仰拱部位二次爆破對(duì)圍巖、初支的擾動(dòng)，有利于圍巖和初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［5］。

（2）全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖可實(shí)現(xiàn)全斷面機(jī)械化鉆孔，避免了原仰拱單獨(dú)開(kāi)挖需要人工鉆孔的情況，機(jī)械化鉆孔提高了仰拱炮孔精度，提高仰拱開(kāi)挖成形質(zhì)量［5］，并減少了超欠挖情況，線性超挖較人工開(kāi)挖明顯減少。

（3）仰拱二次開(kāi)挖因受場(chǎng)地條件限制只能使用人工鉆爆，而人工鉆爆需從洞外另接風(fēng)管，導(dǎo)致仰拱開(kāi)挖工序時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)不同程度影響掌子面進(jìn)度，同時(shí)仰拱單獨(dú)開(kāi)挖爆破飛石易造成風(fēng)帶以及澆筑后仰拱填充面受損；采用帶仰拱一次全斷面開(kāi)挖法可有效避免上述問(wèn)題。

（4）全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖，將仰拱開(kāi)挖工序前置，避免了在棧橋前進(jìn)行爆破工序，有利于加快仰拱循環(huán)，實(shí)現(xiàn)3～4天施工一模仰拱。

（5）初支可以盡早封閉成環(huán)，相對(duì)于二次開(kāi)挖仰拱，初支沉降量明顯減小。

（6）仰拱施工進(jìn)度加快，安全步距可控，保障了掌子面施工進(jìn)度［3］，安全高效。

3.2.2 全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖的注意事項(xiàng)

（1）由于鉆孔需要預(yù)留仰拱空間，在掌子面形成了低洼“集水坑”，鉆孔用水及圍巖滲水均流入已開(kāi)挖仰拱內(nèi)，易形成仰拱泡水情況，仰拱長(zhǎng)時(shí)間泡水造成基底軟化近而易造成超挖，需要配專人采用水泵進(jìn)行及時(shí)抽排。

（2）拱腳開(kāi)挖需控制好裝藥量，避免出現(xiàn)圍巖因爆破造成超挖，如有超挖拱腳需進(jìn)行效支墊，不得懸空。

（3）仰拱初支完成后，回填保護(hù)，避免機(jī)械擾動(dòng)破壞。

（4）仰拱襯砌施作前，機(jī)械開(kāi)挖應(yīng)留有一定保護(hù)層厚度，人工清渣避免機(jī)械開(kāi)挖破壞仰拱初支。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)2#斜井工區(qū)軟弱圍巖及三臂鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械特點(diǎn)，開(kāi)展全斷面含仰拱一次開(kāi)挖工藝研究，相比較仰拱二次開(kāi)挖工藝，減少了隧道仰拱二次開(kāi)挖的作業(yè)時(shí)間，加快了仰拱施工進(jìn)度，保證了安全步距處于規(guī)定范圍內(nèi)，通過(guò)鑿巖臺(tái)車(chē)光面爆破技術(shù)優(yōu)化，減少了隧道爆破火工品單耗，加快了施工進(jìn)度，安全步距可控，目前2#斜井工區(qū)三個(gè)工作面已全部應(yīng)用此工藝，實(shí)現(xiàn)了每月的計(jì)劃施工目標(biāo)。全斷面帶仰拱一次開(kāi)挖技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化隧道整體工序施工組織，縮短了隧道整體工期，為實(shí)現(xiàn)高原鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展提供技術(shù)參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道行業(yè)內(nèi)的科技創(chuàng)新起到了借鑒作用，推動(dòng)施工領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李航.淺談三臺(tái)階帶仰拱一次開(kāi)挖施工技術(shù)在大斷面高速鐵路軟圍巖隧道中的應(yīng)用［J］.建筑與裝飾， 2018（15）：2.

［2］ 張陽(yáng).軟弱圍巖三臺(tái)階帶臨時(shí)仰拱一次開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.建材與裝飾，2017（47）：249.

［3］ 鮮國(guó).軟巖隧道臺(tái)階法與全斷面（含仰拱）法施工比較研究［J］.隧道建設(shè)2016 ，36（11）： 1302-1309.

［4］ 顏杜民，何平，高紅杰，等.Ⅳ級(jí)圍巖大進(jìn)尺下全斷面開(kāi)挖可行性研究［J］.鐵道建筑2016 ，56（8）： 65-68.

［5］ 張衛(wèi)霞. 鐵路雙線隧道Ⅲ級(jí)圍巖段全斷面（含仰拱）開(kāi)挖法應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2018，58（6）：4.

［作者簡(jiǎn)介］劉方曦（1988—），男， 本科，工程師，研究方向?yàn)樗淼缹I(yè)技術(shù)。