單線鐵路隧道鉆爆法快速施工技術(shù)研究

謝永福 楊方林 趙宗波 解振乙 李洲

第一作者簡(jiǎn)介：謝永福（1987-），男，工程師。研究方向?yàn)樗淼拦こ獭?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.042

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)單線鐵路隧道鉆爆法快速施工，該文以賢昌隧道為工程背景，通過(guò)工程調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，從工裝配套、施工工法和施工交通組織3方面進(jìn)行優(yōu)化探索，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的大幅提高。實(shí)際效果表明，工裝配套設(shè)計(jì)需要從實(shí)際工程特點(diǎn)出發(fā)，適用性好的配套工裝可以大幅提高施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，同時(shí)降低施工成本；在保證施工安全前提下對(duì)施工工法進(jìn)行優(yōu)化，利于專用設(shè)備作業(yè)，同時(shí)保證工序快速銜接；從全局考慮附屬設(shè)施功能需求，可結(jié)合施工階段需求對(duì)洞室進(jìn)行調(diào)整。該文所得研究成果可為后續(xù)類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉€鐵路隧道；鉆爆法施工；快速施工；工法優(yōu)化；施工交通組織

中圖分類號(hào)：TU9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0181-04

Abstract： In order to realize the rapid construction of single-track railway tunnel by drilling and blasting， this paper takes Xianchang tunnel as the engineering background， through engineering investigation and field practice， carries on the optimization exploration from three aspects： tooling， construction method and construction traffic organization. The construction progress has been greatly improved. The actual results show that the matching design of tooling needs to proceed from the characteristics of the actual project， and the matching tooling with good applicability can greatly improve the construction progress， ensure the construction quality and reduce the construction cost at the same time; the optimization of the construction method under the premise of ensuring construction safety is conducive to the operation of special equipment， while ensuring the rapid connection of working procedures; considering the functional requirements of ancillary facilities as a whole， the cavern can be adjusted according to the needs of the construction stage. The research results of this paper can provide reference experience for follow-up similar projects.

Keywords： single-track railway tunnel; drilling and blasting construction; rapid construction; construction method optimization; construction traffic organization

單線鐵路隧道中采用鉆爆法施工時(shí)，既受限于小斷面隧道施工空間對(duì)大型高效施工設(shè)備運(yùn)用的約束，以及施工工序相互干擾大，也受限于鉆爆法本身工藝特征決定的施工過(guò)程中機(jī)械化程度往往相對(duì)較低，人力需求相對(duì)較大，從而導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢，施工效益水平低下。

針對(duì)上述問(wèn)題，在提高單線鐵路隧道鉆爆法施工效率方面，隧道相關(guān)從業(yè)人員在從提高鉆爆法施工機(jī)械化程度，優(yōu)化施工工法和改善施工交通組織方面進(jìn)行了很多針對(duì)性研究[1-5]。在提高鉆爆法施工機(jī)械化程度方面，王飛陽(yáng)等[6]將機(jī)械化配套分為I型、II型和常規(guī)機(jī)械化配套3種類型；王耀等[7]總結(jié)了高海拔隧道施工機(jī)械配套的基本原則；吳夢(mèng)軍等[8]提出山嶺隧道機(jī)械化發(fā)展方向主要為信息化、智能化、成套化和裝配化；王夢(mèng)恕等[9]建立了以四臂門架式鑿巖臺(tái)車、扒裝機(jī)和重軌重載運(yùn)輸為主要方式的快速施工方法；萬(wàn)姜林等[10]提出了鉆爆法施工中的裝運(yùn)、初期支護(hù)和襯砌施作是提高機(jī)械化程度的3個(gè)主要方面。在工法優(yōu)化和施工交通改善方面，劉全貴等[11]以何家灣隧道為背景，對(duì)施工交通組織優(yōu)化和仰拱施作進(jìn)行了研究；謝文清等[12]以連云山隧道為背景，從工裝配套、工藝工法優(yōu)化和改善施工交通組織3方面對(duì)單線隧道快速施工技術(shù)進(jìn)行了研究。上述研究在提高單線鐵路隧道快速施工水平上均做出了卓有成效的成果，但新結(jié)構(gòu)、新裝備和新技術(shù)在不斷發(fā)展，需要在新的技術(shù)基礎(chǔ)背景下對(duì)提高單線鐵路隧道施工效率上進(jìn)行新的探索。

為進(jìn)一步提高單線鐵路隧道施工效率，本文以賢昌隧道為工程背景，通過(guò)工程調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，從工裝配套、施工工法和施工交通組織3方面進(jìn)行優(yōu)化探索，擬為今后類似工況隧道設(shè)計(jì)和施工提供一定參考。

1? 工程概況

1.1? 地質(zhì)概況

賢昌隧道屬翁馬鐵路南北延長(zhǎng)線馬場(chǎng)坪至都勻段，位于黔東南麻江縣賢昌鎮(zhèn)賢昌村附近，全長(zhǎng)5 759 m，隧道最大埋深為250.6 m，為單線鐵路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。隧道穿越地層主要包括灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r、硅質(zhì)巖、頁(yè)巖及煤層等，穿越不良地質(zhì)構(gòu)造主要為斷層帶，包括都勻斷層、平山斷層、馬鞍山斷層、長(zhǎng)坡斷層和大坪斷層，隧道洞身段整體工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

1.2? 總體施工方案

賢昌隧道整體施工依據(jù)“短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的原則，明洞段及洞口段采用明挖法施工，洞身段采用鉆爆法施工，洞身段圍巖包含Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，其中Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法開(kāi)挖，Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法開(kāi)挖，Ⅴ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法配合臨時(shí)仰拱開(kāi)挖。隧道標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)挖斷面寬度約6.5 m，高度約8.0 m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)如圖1所示。隧道施工采用無(wú)軌運(yùn)輸，二次襯砌采用整體模板臺(tái)車。

1.3? 工程重難點(diǎn)

賢昌隧道為典型的單線鐵路隧道，施工斷面小，洞內(nèi)施工作業(yè)空間有限，各工序之間相互干擾大，同時(shí)單向掘進(jìn)距離長(zhǎng)，另外傳統(tǒng)鉆爆法施工機(jī)械化程度低，施工進(jìn)度緩慢，因此，施工組織及運(yùn)輸協(xié)調(diào)是本隧道快速施工的重難點(diǎn)。

2? 工裝配套設(shè)計(jì)

合理的施工裝備配套既可以有效提高施工機(jī)械化程度，進(jìn)而提高施工效率，保證施工質(zhì)量，同時(shí)減少各工序之間的相互干擾，加強(qiáng)洞內(nèi)通行能力，是實(shí)現(xiàn)隧道快速施工的關(guān)鍵。

2.1? 洞身開(kāi)挖工裝配套

采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，掌子面部位長(zhǎng)時(shí)工序主要包括爆前鉆孔和爆后石渣清運(yùn)。

爆前鉆孔常用設(shè)備包括氣動(dòng)鑿巖機(jī)及配套的空壓機(jī)組，其中氣動(dòng)鑿巖機(jī)多為單人或雙人操作，需要一定作業(yè)空間。氣動(dòng)鑿巖機(jī)數(shù)量與開(kāi)挖面大小有關(guān)，當(dāng)采用全斷面開(kāi)挖時(shí)，氣動(dòng)鑿巖機(jī)數(shù)量以15～18臺(tái)為宜，配套空壓機(jī)組需滿足60～80 m3/min出氣量；當(dāng)采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，氣動(dòng)鑿巖機(jī)數(shù)量以10～12臺(tái)為宜，配套空壓機(jī)組需滿足40～60 m3/min出氣量，具體設(shè)備配置見(jiàn)表1。表1? 洞身開(kāi)挖工裝配套

爆后石渣清運(yùn)中，運(yùn)輸載具是關(guān)鍵裝備，需要綜合考慮載具功效及洞內(nèi)交通壓力，根據(jù)賢昌隧道開(kāi)挖斷面面積，采用車輪間距約為3 m的裝載機(jī)及車輪間距約為3 m的自卸車，未采用小斷面隧道專用的小型機(jī)械設(shè)備。

2.2? 初期支護(hù)施工工裝配套

初期支護(hù)施工主要包括錨桿安裝、鋼架鋪裝及噴射混凝土。施工所用設(shè)備及數(shù)量見(jiàn)表2。

錨桿安裝中鉆孔過(guò)程是主要長(zhǎng)時(shí)工序，結(jié)合作業(yè)空間特點(diǎn)，采用手持式氣腿鑿巖機(jī)，以利用其鉆孔速度快、重量輕、搬運(yùn)方便及操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配備空壓機(jī)組。當(dāng)采用全斷面開(kāi)挖時(shí)，手持式氣腿鑿巖機(jī)數(shù)量以8～10臺(tái)為宜，配套空壓機(jī)組需滿足40～50 m3/min出氣量。

鋼架鋪設(shè)過(guò)程，基于小斷面隧道單節(jié)/單段鋼架長(zhǎng)度較小，重量較輕，同時(shí)考慮洞交通壓力，放棄采用鋼架鋪設(shè)專用機(jī)，采用更為靈活的人工鋪設(shè)。

噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手，噴射能力宜大于15 m3/h，相較于干噴機(jī)，濕噴機(jī)施作混凝土質(zhì)量強(qiáng)度離散性低、回彈量較少，整體功效較高。初期支護(hù)施工設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2? 初期支護(hù)施工工裝配套表

2.3? 仰拱及填充層施工工裝配套

仰拱及填充層施工中關(guān)鍵設(shè)備主要為棧橋。目前常見(jiàn)棧橋長(zhǎng)度分別為12 m短棧橋和24 m長(zhǎng)棧橋，長(zhǎng)棧橋相較于短棧橋單次組裝和定位時(shí)間長(zhǎng)，但綜合單次澆筑有效長(zhǎng)度，長(zhǎng)棧橋平均日進(jìn)尺約比短棧橋長(zhǎng)約1～2 m，且配置人數(shù)少1～2人。12 m短棧橋與24 m長(zhǎng)棧橋具體工效對(duì)比見(jiàn)表3，由表3可以看出，24 m長(zhǎng)棧橋綜合工效高于12 m短棧橋，同時(shí)考慮采用棧橋施工時(shí)，棧橋長(zhǎng)度對(duì)洞內(nèi)交通影響區(qū)別不大，因此，本隧道采用24 m長(zhǎng)棧橋施工。

表3? 12 m短棧橋與24 m長(zhǎng)棧橋工效對(duì)比

2.4? 防排水施工工裝配套

防排水施工主要包括基面處理、土工布鋪掛和防水板鋪掛3個(gè)工序，其中基面處理多為人工處理，而土工布鋪掛和防水板鋪掛已有相關(guān)裝備。本項(xiàng)目施工前期采用人工方式進(jìn)行土工布鋪掛和防水板鋪掛，后期采用自動(dòng)鋪掛臺(tái)車。采用自動(dòng)鋪掛臺(tái)車進(jìn)行土工布和防水板鋪掛施工時(shí)間相較于傳統(tǒng)人工方式時(shí)長(zhǎng)縮短3.5 h，縮短近50%時(shí)長(zhǎng)。土工布和防水板鋪掛采用定長(zhǎng)和定寬，綜合考慮鋪掛難度、單次鋪掛長(zhǎng)度、時(shí)間及人員配備人數(shù)，最終確定土工布和防水板定寬為12 m。防排水施工設(shè)備配置見(jiàn)表4。

表4? 防排水施工工裝配套

2.5? 襯砌施工工裝配套

傳統(tǒng)普通襯砌臺(tái)車多是門字型框架結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)在于當(dāng)對(duì)門架進(jìn)行絲杠固定支撐時(shí)，絲杠支撐需在地面上鑿出錨固點(diǎn)，此時(shí)占用內(nèi)部通行空間，因此，在單線鐵路隧道襯砌施工中采用傳統(tǒng)普通襯砌臺(tái)車會(huì)嚴(yán)重占用洞內(nèi)空間，影響洞內(nèi)交通。另外，傳統(tǒng)普通襯砌臺(tái)車安裝和固定過(guò)程中絲杠數(shù)量多，人工作用耗時(shí)費(fèi)力。本項(xiàng)目借鑒和對(duì)比無(wú)門框襯砌臺(tái)車成功案例，認(rèn)為小斷面隧道襯砌施工中采用無(wú)門框臺(tái)車具有明顯優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并使用了新型無(wú)門框臺(tái)車，采用銷軸傳力方式最大程度上減少對(duì)臺(tái)車內(nèi)部交通空間的占用，解決工程車輛通行問(wèn)題。

3? 施工工法優(yōu)化

施工工法的優(yōu)化是指在保證施工安全的前提下對(duì)施工過(guò)程中工序銜接或合并進(jìn)行調(diào)整，減少或簡(jiǎn)化施工過(guò)程，從而達(dá)到快速施工的目的。

3.1? 隧底一次性開(kāi)挖

賢昌隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖工法主要包括全斷面法和臺(tái)階法，為減少開(kāi)挖工序，在工程調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出在全斷面法開(kāi)挖中拱墻和仰拱一次性全開(kāi)挖以及在臺(tái)階法開(kāi)挖中下臺(tái)階與仰拱一次性全開(kāi)挖，統(tǒng)稱為隧底一次性開(kāi)挖。隧底一次性開(kāi)挖既減少了開(kāi)挖工序，同時(shí)避免仰拱爆破開(kāi)挖時(shí)對(duì)上部鋪設(shè)的風(fēng)水管路產(chǎn)生影響。

3.2? 工裝適配臺(tái)階高度和長(zhǎng)度

目前，在臺(tái)階法施工中上臺(tái)階高度無(wú)明確規(guī)范，多以工程類比或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)反分析確定。上臺(tái)階開(kāi)挖高度通常為4.5～5.0 m，同時(shí)單線鐵路隧道上部窄，因此，常見(jiàn)裝載機(jī)或交通車輛無(wú)法在上臺(tái)階快速或順暢通行。為盡可能為交通車輛或施工裝備提供足夠的通行空間，通過(guò)對(duì)前期隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在保證施工安全的基礎(chǔ)上將上臺(tái)階開(kāi)挖高度調(diào)整為7 m。

臺(tái)階長(zhǎng)度的優(yōu)化同樣考慮在保證施工安全的前提下盡可能保證施工設(shè)備的空間需求。過(guò)長(zhǎng)的臺(tái)階長(zhǎng)度導(dǎo)致初期支護(hù)長(zhǎng)期無(wú)法閉合，帶來(lái)施工安全隱患，而過(guò)短的臺(tái)階長(zhǎng)度不滿足施工設(shè)備空間要求。在本項(xiàng)目中采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行初期支護(hù)噴射混凝土施作，需要混凝土攪拌車進(jìn)行配合，此時(shí)對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度需求最大。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)算，當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度大于13 m時(shí)，可滿足濕噴機(jī)械手和混凝土運(yùn)輸車同時(shí)作業(yè)，考慮施工安全，臺(tái)階長(zhǎng)度不宜大于20 m，因此，本項(xiàng)目中臺(tái)階長(zhǎng)度按13～20 m控制。

4? 施工交通組織優(yōu)化

施工交通組織優(yōu)化主要參考浩吉鐵路連云山隧道施工中將避車洞變更為綜合洞室的做法，其本質(zhì)在于增加洞內(nèi)空間，將最大倒車距離縮短至200 m，減少倒車距離和時(shí)間，降低錯(cuò)車難度，從而提高施工效率。本項(xiàng)目原有避車洞變更為大小避車洞沿隧道縱向間隔布置，2個(gè)避車洞之間縮短至25 m，如圖2所示，很大程度上減少了錯(cuò)車和倒車的時(shí)間和難度，便利施工交通，提高施工效率。

5? 結(jié)論

針對(duì)單線鐵路隧道鉆爆法快速施工問(wèn)題，本文通過(guò)工程調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，從工裝配套、工法優(yōu)化和施工交通組織優(yōu)化3個(gè)方面進(jìn)行探索，得到以下結(jié)論和建議。

1）通過(guò)對(duì)配套工裝、施工工法和施工交通組織的優(yōu)化，本項(xiàng)目中III級(jí)圍巖段落中平均每月進(jìn)尺最大可達(dá)160 m，IV級(jí)圍巖段平均每月進(jìn)尺可達(dá)110 m，相較于優(yōu)化前施工進(jìn)度綜合提高約30%。

2）概念上的專用設(shè)備或配套設(shè)備需根據(jù)實(shí)踐或考慮實(shí)際制約因素進(jìn)行適用性驗(yàn)證，如本項(xiàng)目未采用專用小型隧道石渣專用車輛，而是采用常見(jiàn)通用運(yùn)輸車輛；積極采用新型有效的設(shè)備可優(yōu)化施工組織思路和方案，如本項(xiàng)目所提到的土工布和防水板自動(dòng)鋪掛臺(tái)車以及新型無(wú)門框臺(tái)車。

3）在進(jìn)行施工工法優(yōu)化時(shí)，要根據(jù)隧址實(shí)際地層情況以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，不可僅從施工進(jìn)度或工效角度出發(fā)。

4）洞內(nèi)空間是制約洞內(nèi)施工交通和施工效率的控制性因素，因此結(jié)合附屬結(jié)構(gòu)設(shè)置方案和功能要求，對(duì)其進(jìn)行空間位置優(yōu)化以為施工階段的施工交通提供便利，提高施工效率，如項(xiàng)目對(duì)避車洞的變更，為施工交通提供便利。

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