高海拔鐵路隧道斜井機械化配套與快速施工

李志軍, 于京波, 王金剛, 劉維正, 陳 橋, 李 增

(1. 西南交通大學 隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 3. 中鐵隧道局集團有限公司, 廣東 廣州 511458; 4. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075; 5. 中南大學高速鐵路建造技術國家工程研究中心, 湖南 長沙 410075)

0 引言

全面提升隧道施工的機械化,并推動施工裝備向標準化、自動化、智能化、系統化發展,構建高效快速的施工模式已成為隧道行業發展的必然趨勢。尤其對于地處高海拔高寒地區的隧道工程,具有氣壓低、含氧量低(約為沿海地區的80%)、寒冷、溫差大、氣候干燥等特點,不利于人工作業。在海拔為3 500～4 000 m的地區施工,個體勞動力比平原降低40%～50%[1]。為提高作業效率,針對高海拔隧道工程特點進行機械化配套全工序快速施工,已成為工程實踐中亟需解決的問題。

國內外學者從多個方面對隧道的快速掘進施工進行了研究。趙立財等[2]結合敖包梁隧道,對斜井設計方案進行優化,提高了隧道施工的進度指標與經濟指標; 張召冉等[3]運用魚骨圖分析制約隧道掘進速度的影響因素,并對爆破參數、支護工藝進行優化,技術經濟效益顯著; 吳煒等[4]對軟弱圍巖大斷面機械化施工和普通機械化施工進行對比研究,分析軟弱圍巖大斷面隧道機械化施工的影響因素; 關寶樹[5]闡述了我國隧道建設的現狀,并重點介紹了日本的施工機械; 許先亮等[6]基于排隊論模型,分析研究了機械選型與機械化作業線的最優配合問題; 張志雄等[7]通過膠帶運輸斜井,實現了無軌運輸出渣; 楊森森[8]對影響隧道快速施工的各種因素進行分析,總結出一些適合高海拔地區隧道快速施工的方法; 陳鴻等[9]的研究表明在多個斜井施工時,應優先選擇“八”字形布置斜井。

高海拔隧道施工應盡量采用機械化,李書兵[10]、姜銀周等[11]、李洋等[12]在鄭萬高鐵施工過程中采取多種方法提高了隧道施工的機械化水平,為其他類似工程提供了借鑒; 李琦等[13]從溫度、氧氣濃度和大氣壓力等方面對機械設備效率進行研究,提出高海拔隧道施工機械升效技術; 王志堅[14]以鄭萬高鐵湖北段為例,開展全工序大型機械配套條件下的施工技術、結構設計和信息化管理等一系列探索和創新,形成了一套全斷面機械化施工技術; 王耀等[15]提出高海拔隧道施工機械應配置制氧供氧、內燃機械尾氣減排、施工機械電動化等措施,以減少高海拔環境對施工機械和施工人員的不利影響。

目前,針對隧道大斷面快速掘進已有較多的研究成果,但對于在高海拔、小斷面、施工場地狹小條件下斜井的全工序機械化配套施工研究較少。因此,本文以某高海拔鐵路隧道斜井為基礎,對高海拔小斷面斜井機械化配套快速高效施工技術進行分析研究,提出斜井施工機械化配套原則,選配超前支護、鉆爆、裝運、噴錨支護、襯砌等機械化作業線的成套設備及各工序之間的快速銜接技術,從而實現高海拔小斷面隧道“快挖、快支、主動支、快封閉”,以期為其他類似工程施工提供參考。

1 工程概況

某高海拔鐵路隧道左線長37.965 km,右線長37.954 km,設計為雙洞單線隧道,采用4臺直徑為10.2 m的敞開式TBM+鉆爆法聯合施工。隧道全線設置3座輔助坑道,其中某斜井距進口11.707 km。斜井與正洞隧道位置關系見圖1。斜井縱斷面見圖2。

圖1 斜井與正洞隧道位置關系

圖2 斜井縱斷面圖

斜井位于線路左側,與左線正洞平面夾角為72°,相交于左線DK1229+500處。斜井平距3.543 km,井身綜合坡度8.03%,采用雙車道無軌運輸,輪廓凈空斷面為7.5 m×7.5 m (寬×高)。斜井井身Ⅲ級圍巖一般段采用噴錨襯砌,Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段采用模筑襯砌。斜井底板設置坡度為2%的單面橫坡,低端側設置污水槽,并在兩側邊墻設置側溝。斜井井身斷面見圖3。

圖3 斜井井身斷面(內輪廓)圖(單位: cm)

2 高海拔隧道斜井施工機械化配套技術

2.1 施工機械配套需解決的問題

1)斜井洞口位置高懸,施工場地狹小,需拓寬隧道洞口場地,為機械停放提供條件。2)斜井坡度陡,進洞車輛下坡行駛安全隱患大;每200 m需設置1處平坡段,增設調車洞,減少倒車行駛。3)高海拔地區機械性能降效嚴重。4)反坡排水困難。5)斜井施工進度指標要求高。

2.2 機械化配套原則

根據輔助坑道內通過設備的尺寸,人行道,風、水、電等管路布置及安全間隙要求進行設計,斜井內輪廓采用7.5 m×7.5 m(寬×高)。根據隧道開挖高度、寬度、圍巖等級及高海拔地區特殊環境,斜井開挖施工采用鑿巖臺車鉆孔光面爆破,挖掘機、裝載機配合裝渣,自卸汽車運輸,濕噴臺車噴射混凝土,以此進行機械設備的選型與配套。

2.3 斜井施工機械化配套方案

現場采用大型機械化配套施工,開挖支護采用以全電腦三臂鑿巖臺車、錨桿臺車、濕噴臺車為主的高度機械化配套流水施工作業; 開挖出渣完成后即通過錨桿臺車進行錨桿作業; 錨桿作業完成后,錨桿臺車退出,多功能支護臺架進入掌子面掛網作業; 掛網完成后多功能臺架退出,濕噴臺車到位后進行噴射混凝土作業。以控制圍巖變形為核心,構建一套積極干預加固圍巖、注重早期支護并快速閉合的主動支護體系。各項支護措施安全、快速、高效、高質量施工到位,真正實現高海拔小斷面隧道“快挖、快支、主動支、快封閉”。機械化配套設備見表1。

表1 機械化配套設備

3 高海拔隧道斜井快速施工技術

3.1 快速開挖

3.1.1 鉆眼速度快

經過綜合考慮,斜井開挖采用1臺XJH315-ED三臂鑿巖臺車,配置4人操作三臂鑿巖臺車進行鉆孔作業。Ⅲ級圍巖每循環共開挖160個炮眼,每個炮眼深3.5 m,每個鉆臂打設50～55個炮眼,2 min可完成1個炮眼,而人工手持風鉆速度為0.1 m/min?？梢钥闯?鑿巖臺車的鉆眼效率明顯提高,可以達到25人以上的功效,從而大幅減少掌子面作業人員,每循環耗時約160 min,可有效規避因高海拔地區空氣壓力低、密度低、含氧量低、人員勞動力比平原下降40%～50%的缺點。為提高爆破效果,布置楔形掏槽眼,掏槽眼與掌子面的夾角為73°,以隧道中線為軸對稱布置,孔口間距為240 cm,孔底間距為50 cm,各孔豎向間距為50 cm,共設置2列,每列7個,共計14個,孔深為334 cm。采用全斷面法和微臺階法開挖,三臂鑿巖臺車鉆孔,鑿巖臺車輔助掛籃裝藥。為了降低線性超挖,在鉆孔時可根據經驗有意識地將開眼位置向隧道中線內移,開眼位置適當欠挖,并采用深、淺孔眼相結合的方式降低單炮整體超挖量。鉆眼分布見圖4。

圖4 鉆眼分布(單位: cm)

3.1.2 快速裝藥

采用在三臂鑿巖臺車的3個鉆臂上各安裝1個掛籃進行裝藥作業,節省工序轉換時間,裝藥時按照爆破設計的要求,分類別進行裝藥,周邊眼不耦合裝藥采用竹片或半圓PVC管控制,在鉆孔時提前進行加工,減少工序銜接時間。斜井開挖至富水段時,底板眼易被泥漿堵塞,因此,底板眼鉆設完成后采用直徑為35 mm的PVC管將炮孔堵塞,裝藥時將PVC管抽出,同時填塞藥卷。裝藥作業見圖5。

圖5 裝藥作業

3.1.3 斜井陡坡8%鉆爆開挖全斷面一次爆破成型不留坎(底部不留臺階)

斜井按8%坡度反坡施工,以進尺3 m考慮,每循環標高降低24 cm,開挖施鉆時角度控制最為關鍵。為了控制鉆眼角度,在隧道掌子面用紅油漆標出鉆桿鉆進方向線,作為鉆桿施鉆時坡度控制的依據,力求做到隧道底板順直。同時,為了杜絕底板眼間距過大,增設底板鉆設短眼(短于正常鉆眼50 cm)控制底板欠挖,效果較好,不需補炮(不留坎)。

3.2 通風除塵

3.2.1 通風

斜井井身施工期間采用1臺370 kW軸流風機獨頭壓入式通風。

3.2.2 除塵

采用除塵降溫設備ZS-2000,電氣控制系統采用高海拔型,可適應海拔在3 600 m以下的環境,處理能力為2 000 m3/min,15～20 min即可將隧道的PM2.5降至1 410 μg/m3,滿足施工環保和人員職業健康需求。

3.3 快速裝運

根據隧道的施工方法、開挖及初期支護后斷面寬度、運輸距離、運輸坡度大小、運量等條件進行裝運設備的選型。

在滿足裝載機+自卸汽車寬度與初期支護后邊墻面寬度之間的凈距不小于30 cm的前提下,裝載機選擇斗容較大、動力性好、轉矩儲備大、燃油消耗和機油消耗低的柳工CLG862H側卸機型。斜井井身挖掘機出渣圖見圖6。選擇發動機功率大,車廂箱體鋼板加厚的載重自卸汽車,用于隧道出渣至洞外臨時棄渣場。

圖6 斜井井身挖掘機出渣圖

爆破通風排煙后,挖掘機進入掌子面進行清危作業,裝載機進行收渣作業,將松散的拋擲石渣向掌子面進行收攏,以便于裝運。裝載機與自卸汽車并排布置,利用側卸裝置進行裝渣。當一輛車在掌子面裝渣時,另一輛車在后方等待,其余車輛在調車洞等候。當渣車裝滿離開后,等候的車輛依次行進至前車位置。

3.4 快速支護

采用錨桿臺車打設錨桿并進行注漿,作業臺架人工掛網,濕噴臺車噴射混凝土作業,拌和站配置2臺JS2000攪拌機生產混凝土,使用4臺10 m3混凝土罐車運輸混凝土,保證混凝土供應及時。

3.4.1 超前預加固、錨桿施工

采用玻璃纖維錨桿、小導管進行超前支護,全斷面開挖,爆破后立即進行初噴,封閉圍巖,利用隧道圍巖的時空效應進行支護作業。利用鋼架拼裝臺車可大大降低支護時間,提高工作效率,并及時進行支護。

采用錨桿臺車施工φ25 mm低預應力漲殼式中空錨桿(拱部)、φ22 mm藥卷錨桿(邊墻),成孔不受空間限制,施鉆角度靈活,可確保錨桿垂直于節理面,成孔速度快、安全系數高,較三臂鑿巖臺車鉆眼、人工安裝錨桿注漿節約工序倒換時間,整體施工效率提升明顯。噴射混凝土施工見圖7。

圖7 噴射混凝土施工

3.4.2 掛網施工

鋼筋網片在加工廠提前加工完成,運輸至掌子面,錨桿打設完畢后,開始掛設鋼筋網,搭接1～2個網格,緊貼巖面鋪設。掛網施工見圖8。

圖8 掛網施工

3.4.3 噴射混凝土施工

噴射混凝土作業選用濕噴臺車,混凝土運送采用混凝土攪拌運輸車。分段、分層、分片自下而上進行噴射,分段長度不大于6 m,噴嘴距離巖面0.6～1.2 m。出渣完成后進行噴射混凝土施工,濕噴臺車行進至距掌子面10 m左右,混凝土運輸車倒至濕噴臺車的攪拌料斗處,準備放料。噴射混凝土作業時,由1名操作手持遙控器作業,另有2人在混凝土攪拌運輸車后控制放料工作。

3.4.4 高海拔高寒地區混凝土保溫措施

拌和站料倉搭設保溫棚,料倉底部、隔墻頂布設供暖管路,采用鍋爐進行供暖,同時配置10臺7.5 kW暖風機。冬季原材料應注意貯存與防寒,備用砂石料應提前在保溫料棚內加熱,水泥強度不低于42.5 MPa,骨料和水的加熱溫度不高于55 ℃。嚴格按照施工配合比進行配料,在全部混凝土卸出之前不得再投入拌和料,更不得采取邊出料邊進料的方法。

3.5 反坡快速排水

斜井設計最大涌水量達1.3萬m3/d,施工過程中采取分級抽排的方式,每隔250 m與500 m設1處臨時集水箱(移動循環使用),每1 000 m設置1處泵站,共設置3處,分級接力抽排。斜井建井期間根據設計從掌子面至底板150 m范圍內涌水皆為污水,從掌子面150 m處至洞口段初期支護滲水均為清水。對掌子面后方的滲水及時進行截流抽排,對掌子面積水采用潛水泵進行抽排。

清水通過底板兩側的側溝收集至清污泵站清水倉后由清水管排出洞外。掌子面至洞口方向150 m范圍內污水由掌子面污水泵抽排至掌子面后方污水積水箱,再由污水積水箱抽排至清污泵站通過污水管路抽排至洞外七級沉淀池,由排污PE管路排放至污水處理站處理后排放。清污分流示意見圖9。

圖9 清污分流示意圖

共設置3處斜井泵站,每處泵站2個水倉(清水倉、污水倉)。從洞口起750 m處設置第1處主泵站,后每隔920 m設置1處主泵站,里程分別為X2+771、X1+851、X0+931。主泵站之間根據隧道滲水情況設置清水積水坑。泵站設置示意見圖10。泵站在進洞左側橫向開挖洞室,洞室凈寬為7.7 m,深度為10 m。清污積水倉自底板以下開挖成型,水倉深度為2 m,長為10 m,分3級進行沉淀,靠近水倉內側安設清污抽水泵。

圖10 泵站設置示意圖

3.6 工序快速銜接

1)斜井洞口設置臨時轉渣場,洞內出渣后直接棄渣在轉渣場,節省運渣至棄渣場的時間。洞口設置出渣車輛的停放場地,掌子面爆破后,車輛可快速進入隧道進行出渣。

2)斜井斷面為雙車道,可供車輛進行錯車和停放,并在洞內右側增設橫洞作為調車洞。每2個平坡段設置1處調車洞(間距約400 m),確保車輛調頭高效運輸。調車洞及渣車調頭平面示意見圖11。

(a) 調車洞平面示意圖(單位: m)

3)成立專業的班組定人定機和維保班組,確保各種機械設備機況正常,維保到位。

4)對循環時間進行考核,嚴格做到作業人員等候在開挖面,工序零搭接或負搭接。

5)在三臂鑿巖臺車鉆臂上安裝掛籃進行人工裝藥作業,減少設備進出洞時間。

6)放炮時設備?？吭诙磧劝踩嚯x,不出洞,減少往返時間。

4 實施效果

在施工過程中,以Ⅲ級圍巖開挖施工為代表,對機械化配套施工的人員、設備、安全、質量、進度、環水保、經濟、適用性等方面進行過程記錄,對比分析高度機械化配套施工與普通鉆爆法施工。

4.1 施工工效

4.1.1 開挖進度指標

通過不斷優化調整,開挖時間基本穩定在520 min/循環。單循環開挖時間統計見表2。多個循環開挖時間統計見表3。

表2 單循環開挖時間統計

表3 多個循環開挖時間統計

從斜井大型機械化配套施工進度來看,Ⅲ級圍巖單循環時間可控制在12 h內,日進尺達7 m,周進尺達50 m,最快月進尺為180 m(施工進度統計見表4),與人工鉆爆法施工月進尺為130 m相比提高了近30%。

表4 施工進度統計

4.1.2 工序銜接比人工鉆爆法開挖更緊湊

1)采用三臂鑿巖臺車打孔爆破: ①三臂鑿巖臺車行進至掌子面后可直接鉆眼,無需臺架移進移出; ②工序準備時間短,銜接緊湊; ③單工序作業流水線更流暢; ④只有3個裝藥掛籃,裝藥時間長,且等待三臂鑿巖臺車退出躲炮時間長; ⑤遇100 MPa以上特硬巖鉆進頂推力大,單孔鉆進速度快。

2)采用人工手持風鉆鉆爆法施工: ①進退作業臺架需占用一定時間; ②工序銜接轉換時間快; ③人員上下臺架需占用一定時間; ④裝藥時間短; ⑤遇100 MPa以上特硬巖鉆進頂推力小,單孔鉆進速度慢。

4.1.3 單孔鉆眼速度快

三臂鑿巖臺車單孔鉆眼速度比人工鉆爆法快,但裝藥、放炮時間長。

1)采用三臂鑿巖臺車進行鉆孔,共160個炮眼,每個炮眼深3.5 m,每個鉆臂打設50～55個炮眼,2 min可完成1個炮眼,每循環耗時約160 min。

2)人工鉆爆法開挖,共150個炮眼,每個炮眼深3.5 m,需鉆工15人(3層臺架,每層5人),每人打設10個炮眼,15 min可完成1個炮眼,每循環耗時約150 min; 工效與三臂鑿巖臺車基本相當。

3)三臂鑿巖臺車裝藥、放炮時間長于人工鉆爆法近50%。

4.2 安全環保方面

三臂鑿巖臺車僅需要操作手3人,且均在遠離掌子面9 m的已支護段作業,相比人工鉆爆法開挖(需鉆工10～16人),三臂鑿巖臺車所需人員較少。鉆孔作業在三臂鑿巖臺車主機室內操作,掌子面可實現少人化,安全系數高。

使用三臂鑿巖臺車施工,噪聲、空氣粉塵含量低,隧道內環境良好;自帶操作室,在開挖過程中操作人員處于操作室內,操作環境好,受機械噪聲影響小;采用電力,能減少對環境的污染,不使用高壓風,更適合高海拔環境。

4.3 質量方面

4.3.1 開挖輪廓

采用三臂鑿巖臺車打眼,精確度更高,開挖輪廓更圓順。三臂鑿巖臺車打眼效果見圖12。

圖12 三臂鑿巖臺車打眼效果

4.3.2 超欠挖控制

超欠挖數值統計見圖13。由圖13可以看出,三臂鑿巖臺車機械開挖線性超挖值為6.1～15.1 cm; 而根據施工經驗,人工鉆爆法開挖線性超挖值為6～8 cm。

圖13 超欠挖數值統計

綜合分析圖13,三臂鑿巖臺車線性超挖值高于人工鉆爆法開挖線性超挖值近50%。隧道超欠挖原因分析及對策如下。

1)超挖原因分析。三臂鑿巖臺車上的推進梁頂盤結構導致施鉆時外插角偏大,理論外插角為2.17°,開挖進尺為3.0 m,理論超挖值為0.11 m。

2)現場采取對策。采取三臂鑿巖臺車推進梁頂盤密貼巖面,減小周邊眼的外插角,采取長短眼結合的方式,利用短眼處理長眼爆破后部的欠挖,減少長眼因外插角大造成的超挖,把欠挖處理和本循環開挖合并,減少時間浪費,保證循環進尺不減少,有利于發揮鑿巖臺車鉆眼速度快的優勢;提高爆破殘眼的利用率;周邊眼間隔、不耦合裝藥、使用小藥卷;根據圍巖情況及時優化調整爆破設計參數,嚴格按照爆破設計施工。

4.4 經濟方面

較人工手持風鉆鉆爆法施工,三臂鑿巖臺車在開挖環節節省勞動力資源尤為明顯,普通鉆爆法開挖鉆眼需15人,而三臂鑿巖臺車開挖鉆眼只需4人。每循環(鉆眼)勞動力投入對比分析見表5。

表5 每循環(鉆眼)勞動力投入對比分析

4.5 變形控制

初期支護拱頂沉降、邊墻收斂數值分析曲線見圖14。高度機械化配套施工可以超前預加固圍巖(玻璃纖維錨桿、小導管),盡量減少臺階數量,縮短初期支護封閉成環距離,形成快挖、快支迅速封閉成環,較傳統鉆爆法開挖施工具有變形速率小、回歸曲線平穩等特點。此外,與Ⅲ級和Ⅳ級圍巖相比,Ⅴ級圍巖初期支護的噴射混凝土厚度較厚、錨桿長度較長、鋼筋網直徑較大,如表6所示,因此,沉降和收斂值較小。

表6 斜井支護參數

(a) X3+267(Ⅲ級圍巖)

4.6 支護結構質量

4.6.1 噴射混凝土表面平整度

斜井開挖以Ⅲ級圍巖為主,初期支護結構即為永久襯砌結構,初期支護表面噴漿平整度控制顯得尤為重要。通過采用1 m長水平靠尺檢測平整度小于5 cm,滿足規范中小于1/20的要求。

4.6.2 取芯強度

噴射混凝土設計強度為C30,厚度為12 cm,經取芯驗證強度均大于30 MPa。

4.6.3 回彈量

經不斷試驗,在噴射混凝土中摻加增黏劑,可使噴射混凝土的回彈率控制在20%左右,滿足企業內控要求的26%。噴射混凝土回彈率統計見表7。噴漿回彈現場測量見圖15。

表7 噴射混凝土回彈率統計

圖15 噴漿回彈現場測量

5 結論與討論

針對高海拔高寒地區斜井施工面臨的極端氣候條件和復雜工程地質等問題,對斜井機械化配套與快速施工技術進行研究,主要得出以下結論。

1)要實現斜井高效快速施工,應綜合考慮圍巖等級、斷面大小、海拔高度進行機械設備的選型與配套;以控制圍巖變形為核心,構建一套積極干預加固圍巖、注重早期支護并快速閉合的主動支護體系。

2)基于高度機械化配套,提出了“快挖、快支、主動支、快封閉”的高效施工技術以及各工序快速銜接技術。

3)與普通鉆爆法施工相比,采用高度機械化配套施工具有工序銜接更為緊湊、單孔鉆眼效率高、施工人員少、隧道內粉塵濃度低、作業環境良好、開挖輪廓精確度高、支護變形速率小等優點,使開挖施工進度提高了約30%。

雖然三臂鑿巖臺車的開挖速度快,但不易控制鉆眼角度,全自動臺車鉆孔模式下,相鄰鉆臂發生碰撞時也不會自動停,從而影響鉆眼精度; 周邊眼鉆孔外插角較大而造成線性超挖值較大,楔形掏槽眼與周邊孔鉆眼均需人工干預。相比液壓鑿巖臺車,全電腦臺車傳感器較多,易損壞;進口配件采購周期較長、單價較高;全自動模式下只能使用標配鉆桿(購置費用高);超長超重設備洞內調頭、停放、避炮困難,各工序不能平行作業,從而制約進度等,以上問題有待繼續深入研究。