東非地區單線鐵路隧道設備選型及交通組織研究

袁 凱

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州）

引言

隨著現代高速鐵路建設快速發展，單線鐵路隧道越來越少，但在海外項目，考慮到當地交通運輸需求和經濟條件，單線鐵路隧道需求還是比較充足的[1-2]。海外隧道設備資源匱乏，做好施工設備選型和交通組織安排尤為重要。隧洞的設備配置與圍巖類別、開挖方式、作業凈空、工期要求、掘進長度、運輸距離、通風條件等密切相關，其沒有固定模式，應具體分析、綜合考慮、靈活選用，合理設計機械配置、配套，進而減少投入，提高設備綜合利用率，保證施工進度、安全，達到最佳經濟效益[3]。本文以“一帶一路”項目肯尼亞內馬鐵路一期恩貢山隧道施工為例，研究單線隧道施工設備配置和交通組織，以期為海外地區類似項目提供相關經驗和參考。

1 隧道概況

肯尼亞內馬鐵路一期恩貢山隧道起始里程為DK34+826-DK39+324，全長4 498 m，最小埋深2 m，最大埋深100 m，開挖平均斷面面積68.12 m2，為單線復合式襯砌隧道。洞身圍巖以火山灰粗面巖為主，巖體較為破碎，表面氣孔豐富，節理裂隙發育，巖體整體強度較低。詳見圖1。

圖1 肯尼亞恩貢山隧道Ⅵ級圍巖斷面

2 單線隧道設備選型

2.1 開挖設備

隧道開挖常規方法為鑿巖臺車和人工鉆爆。鑿巖臺車優點在于鉆孔作業快，缺點則是成本高，作業空間要求大；人工開挖優點在于施工靈活，成本較低，缺點則是成孔速度慢[4]。恩貢山隧道Ⅲ級和Ⅳ級圍巖占比大，是決定隧道施工進度的關鍵因素。不同開挖方法效率比對見表1，資源配置和經濟效益比對見表2和表3。

表1 液壓鑿巖臺車與人工成孔效率比對

表2 液壓鑿巖臺車與人工開挖資源配置比對

表3 液壓鑿巖臺車與人工開挖經濟效益比對

從表1 可以看出，液壓鑿巖臺車開挖時間主要節省在鉆孔階段，機械成孔、清孔效率明顯較人工高。但在裝藥和爆破階段，液壓鑿巖臺車效率受作業臂和施工人員數量影響，存在一定的劣勢，且隧道開挖面場地平整度較差，臺車相對人工開挖耗時較長。液壓鑿巖臺車在施工超前小導管和徑向錨桿等超前措施時更易操作。開挖效率及安全性上，鑿巖臺車更好。

從表2 和表3 可以看出，液壓鑿巖臺車在施工人員配置和工期上具有優勢；但設備采購和技術服務，人工開挖成本相對較低。在非洲片區，隧道設備技術服務基本可以忽略，除非項目配備專業維護技術人員，否則設備使用率難以保證，可能造成掌子面停工。而人工開挖設備維護簡單，施工培訓相對容易，非洲人工成本相對低，即使工期相對較長，但總成本仍然可控。

2.2 出碴設備

快速出碴的關鍵是合理選擇裝運設備，且運輸機械能力不得低于挖裝機械能力的1.2 倍。掌子面與仰拱安全步距按35 m 考慮，爆破后石碴散落范圍主要集中在掌子面10 m 范圍內，開挖臺架長度為6 m，出碴設備在出碴過程中可活動的范圍約19 m。設備選型應綜合考慮機械寬度和施工性能。

（1） 自卸汽車選型。通過設備尺寸和供應商比選，8 m3和20 m3兩種自卸汽車更適合單線隧道出碴作業。采用全斷面法開挖時，每循環進尺洞碴量在230 m3～277 m3。20 m3自卸車裝碴車數在16～19 車。每車裝車時間約10 min，當運距小于2 km 時，建議選用3 輛20 m3自卸汽車；當運距大于2 km 時，建議選用4 輛20 m3自卸汽車。

采用三臺階預留核心土法開挖時，每臺階進尺洞碴量在18 m3～20 m3。預留核心土法掌子面作業空間狹小，采用8 m3自卸車進行出碴作業，每循環裝運車次為3 車，每車裝車時間約15 min。當運距小于2 km時，建議選用2 輛8 m3自卸汽車；當運距大于2 km時，建議選用3 輛8 m3自卸汽車。

出碴過程中，應根據隧道累計進洞長度和圍巖變化，做好自卸車數量的動態調整，同時預留一定數量自卸車備用，或與路基等其它工序做好聯動，合理利用資源。

（2） 裝載機選型。單線隧道全斷面開挖時宜選用50 型側翻裝載機；臺階法施工時，考慮到預留核心土，40 型裝載機更好。選用1 臺50 型裝載機和1 臺40 型裝載機進行組合，交替使用，不僅可以提高出碴效率，也能滿足洞內物資轉移需求。

（3） 挖掘機選型。單線隧道掌子面開挖高度在9.0 m～9.4 m，開挖寬度在7.3 m～8.1 m，掌子面開挖完成后，如果有欠挖現象，則需要進行破碎處理。小松210 型挖機最大挖掘高度為9.8 m，最大挖掘半徑9.4 m，能滿足洞內相關作業需求。在圍巖強度高時需額外配置1 臺160 型破碎機進行協助，避免頻繁更換破碎頭，降低開挖施工效率。

2.3 初期支護設備

（1） 混凝土濕噴設備。單線隧道全斷面法開挖每循環初支噴射砼量約12 m3，濕噴臺車每小時噴射砼量約20 m3，每循環耗時0.6 h，而臺階法開挖每循環噴射砼耗時僅0.15 h。濕噴臺車相比于普通濕噴機在噴射效率和質量上具有顯著優勢，但大量時間浪費在移機和擺位上，對單線隧道施工作業是一種資源浪費，且還需專業人員維護，不確定風險高；普通濕噴機維修保養簡單，采購成本低，可配置多臺備用，對單線隧道而言更具有優勢。

（2） 注漿設備。噴射砼完成后，需對組合錨桿、鎖腳錨管、超前小導管和其它預加固措施等進行注漿作業，注漿液體一般為水泥凈漿和水泥砂漿等，注漿壓力為0.5 Mpa～2 Mpa。根據設備比選和市場反應情況，耿力GZJB 液壓注漿設備可實現單液或雙液注漿使用，并配備流量計，實時記錄每次注漿數量，滿足單線隧道注漿需求。

2.4 襯砌設備

（1） 仰拱棧橋。單線隧道仰拱鋼棧橋可采用4根I40 型鋼拼接組成，工字鋼中心間距0.4 m，棧橋全長15 m，兩端斜坡長1.5 m，中間主跨12 m。主跨部分每隔1 m 布設一道I40 橫梁加強整體連接，主跨上敷設5 mm 厚鋼板，鋼板上每間隔10 cm 加設一道Φ20 螺紋鋼筋，增大汽車行駛抗滑力。

（2） 仰拱模板及小邊墻模板。仰拱模采用9 m整體弧形鋼模，模板應考慮中埋橡膠止水帶預留槽。仰拱和填充模板應配置2 套，用一留一，方便施工過程中交替使用和維護。

（3） 二次襯砌設備。二襯選擇9.1 m 整體式門架臺車，相鄰二襯澆筑時搭接10 cm。臺車門架通行寬度應能保證開挖支護和混凝土運輸設備等的通行。二襯臺車設計應預留錨段和風機段改裝空間，以便快速施工特殊段落。二襯混凝土澆筑配置1 臺HBT60型地泵，該地泵的理論澆筑量為60 m3/h。

2.5 通風設備

隧道施工通風布置應依據隧道的施工長度、斷面大小、施工方法和設備條件等綜合確定[5]。隧道III 級圍巖一次爆破產生的有毒有害氣體和粉塵量最大，依據《高速鐵路隧道施工技術指南》鐵建設（210）241 號，18.2.3-1 公式計算，排除炮煙所需風量為549.2 m3/min，洞內最大作業人數約45 人，所需風量為216.0 m3/min。采用2 臺110 KW 軸流式變頻通風機的送風量為Q=900～1 500 m3/min，能滿足通風需求。

2.6 逃生布置

軟弱圍巖破碎段應鋪設逃生管道，管道從距離掌子面10 m 位置逐段鋪設至二襯工作面，逃生管道在仰拱段應掛設。逃生管道內預留逃生繩或軟爬梯，在開挖工作面設置應急物資箱，逃生管道上方設置救生管。逃生管道直徑不應小于800 mm，管道連接優先采用套管。設置的逃生管道應做好安全保護措施，嚴禁施工作業中碰撞和隨意拆除。每班作業前必須檢查逃生管道狀態，還應設一處應急搶險救援站，長期儲備應急救援物質。

3 施工交通組織

單線隧道施工空間狹窄，所有工序都集中在洞內掌子面附近，保持隧道內交通運輸通暢，確定嚴格的錯車規則，做到每臺設備有固定停放點和行走路線，施工交通組織規劃和研究尤為重要。避車洞出碴會車示意見圖2。

圖2 避車洞出碴會車示意

3.1 洞內錯車技術措施

隧道設計每間隔150 m 有1 處大避車洞，左右錯開。為降低隧道內錯車時長和安全風險，加快出碴效率，對原設計大避車洞尺寸進行調整，寬度增加2 m，高度增加0.5 m，深度增加3 m，大避車洞前后兩模仰拱矮邊墻、二襯暫不施工，同時利用加寬帶、風機段等地段進行會車。隧道內大避車洞室襯砌待所有二襯施工完成后再返回逐一澆筑。預留錯車洞數量，應滿足混凝土罐車、自卸車等施工車輛的掉頭和錯車，同時滿足裝載機、挖機等施工機械的停放，確保隧道施工作業連續。

3.2 交通組織管理

（1） 出碴作業時，在掌子面裝碴區和避車洞調頭區各配置1 名專職指揮人員，相互協調溝通，確保掌子面不超過2 輛車，1 輛車裝碴，1 輛車等待。掌子面車輛裝碴完成后應及時通知掉頭區指揮人員，要求其他車輛在避車洞內避讓，出碴車離開后及時組織空車倒入掌子面等候，確保出碴連續性。

（2） 掌子面滿足停放兩輛車時，一輛裝碴，一輛停放在裝載機后面等待，縮短倒車時間。

（3） 掌子面噴漿和二襯交叉作業時，根據洞內車輛停放數量及不同工序快慢進行優先放行。

4 結論

（1） 在東非地區，受當地技術生產環境影響，選擇隧道施工設備時不僅要考慮前期投入成本及功效，還需考慮后期的可持續生產條件。

（2） 在隧道設備選擇時，應盡量降低設備功效的富余浪費，對于單線隧道而言，普通濕噴機和人工鉆爆法更為經濟合理。

（3） 依據設計和實際施工條件，合理調整避車洞尺寸，優化工序安排，確立與隧道設備配置相匹配的交通組織設計，可以為隧道快速施工打下良好基礎。

（4） 單線隧道施工作業空間是制約設備選擇的最主要因素，設備尺寸是否符合空間要求，并行施工設備是否會相互影響工作效率，施工工序安排對隧道交通的影響等均是設備配置需要考慮的。