秦东隧道施工的设备配置

2011-07-13戴宇

铁路技术创新 2011年3期

■ 戴宇

1 工程概况

郑西高速铁路秦东隧道全长7 684 m，起讫里程DK333+312—DK340+996，设计为双线隧道。隧道围岩主要为砂质黄土和粉质黏土，其中Ⅳ级围岩段长7 300 m，V级围岩段长384 m，隧道洞身最大埋深200 m。根据围岩条件及隧道埋深情况，隧道不同地段的开挖断面面积在158.3～163.08 m2，衬砌后有效净空断面面积为100 m2，最大开挖宽度15.2 m、开挖高度13.18 m。正洞施工采用双侧壁导坑法、CRD法和三台阶弧形导坑预留核心土法等施工工法。

为满足施工工期要求，设计有3座斜井作为辅助坑道。正洞进口浅埋偏压段（DK333+390—+465）选用双侧壁法开挖；Ⅴ级围岩浅埋段（DK333+465—+520、DK338+620—+670、DK340+840—+977）在超前管棚预支护下采用CRD法开挖。洞内Ⅴ级围岩段在超前小导管预支护下采用CRD法开挖，洞内Ⅳ级围岩段在超前小导管预支护下采用弧形导坑预留核心土法开挖。斜井Ⅳ级围岩段采用正台阶法开挖，Ⅴ级围岩段采用正台阶预留核心土法开挖。初期支护为型钢加喷射混凝土。出渣采用无轨运输，用挖掘机、装载机给自卸汽车装渣。喷射混凝土采用湿喷机施作。仰拱超前拱墙采用移动式栈桥配合自制模板进行施工，墙拱衬砌采用模板台车整体浇筑。二次衬砌采用电子计量搅拌站拌和、混凝土运输罐车运输，混凝土输送泵泵送入模，插入式振捣器配合附着式振捣器振捣。

2 设备配置

隧道施工设备的配置以满足计划工期为目的，合理的设备配置能够提高隧道掘进速度，并节约企业生产成本。结合秦东隧道洞口施工、进（出）口端进入正洞开挖并形成稳定生产状态为条件，分析和计算合理的施工设备配置规格和数量。隧道中间段因设置斜井而增加了工作面和出渣通道，设备配备过程完全相同。

2.1 洞口开挖设备配置

洞口土方包括进口端78 m明挖段、出口端19 m明挖段。采用风镐配合挖掘机、装载机自上而下分层开挖。进口端开挖数量22 500 m3、出口端12 100 m3。进、出口端出渣运距相当，约2 km。

（1）风镐数量及空压机排量确定。洞口土方均为非爆破挖掘，采用挖掘机、风镐开挖。风镐主要进行局部分割和边坡修整，无固定作业数量，可选用适中规格如G8、G10、G15等，进、出口端各按4台配置。初期可配置2台移动式3.0 m3/min的小型电动或内燃空压机，正洞施工时配置10～20 m3/min电动空压机供给高压风。

（2）装载设备及自卸汽车数量确定。根据每班组需要完成的作业量、作业时间、进口端及出口端的计划工期，确定装载设备原则上可选用挖掘机、装载机。秦东隧道设计为无爆破开挖，因此洞口的挖掘、装载宜选择具有挖掘功能的挖掘机。结合进洞后对挖掘机的使用要求，可选用20 t级的挖掘机。自卸汽车规格及数量的确定必须考虑不同开挖工艺（如CRD法）下的通行尺寸，秦东隧道开挖断面较大，为提高出渣速度，选用12 t和15 t自卸汽车做为主要出渣运输设备，进口端和出口端作业区均按4～5台配置。

2.2 正洞开挖设备配置

（1）台阶法开挖设备。秦东隧道主要采用台阶法进行施工，开挖长度为7 300 m，占整座隧道长度的95.0%。因此，秦东隧道以台阶法施工为主进行设备配置，对其他工艺方法下的施工设备则以此为基础进行适当调整。根据《秦东隧道实施性施工组织设计》规定，隧道开挖月进尺55～60 m，每循环≤1.2 m，月完成46～50个循环。每月按25个工作日考虑，则一个作业循环的总时间应控制在12～13 h，其中1/3时间（约4 h）用于挖掘和出渣，其余2/3时间用于初期支护和二次衬砌。

挖掘、装载设备：洞身Ⅳ级围岩段采用正台阶弧形导坑预留核心土方法施工，其中仰拱以上部分分上、中、下3个台阶以预留核心土法开挖，开挖在不能爆破的条件下采用风镐配合挖掘机进行。导坑上（中）部用风镐挖掘，上部台阶翻渣由人工或长臂挖掘机完成。风镐数量上部2个台阶按4～6台配置。下部采用挖掘机挖掘和装渣，作业尺寸不受限制，继续选用洞口施工用的20 t级规格。

运输车辆：选用洞口施工时的15 t自卸汽车运输。出渣时，上部洞渣翻至底部一起装运出洞，每次出渣的数量以全断面开挖进尺≤1.2 m计算。

选用挖掘、运输设备时，按照1个循环的出渣总数量、需要运输的总车次确定自卸汽车台数。

（2）CRD法开挖设备。秦东隧道的进口端55 m、出口端137 m、中间50 m设计为CRD法施工，中间CRD法施工段通过3#斜井工区完成，设备配置方法与进、出口端相同。施工组织设计每循环开挖进尺≤0.8 m，55 m、50 m段用时30 d，137 m段用时70 d，每天须完成2.4个循环。CRD法施工带有中间横隔板，作业断面小。上部用风镐挖掘，洞渣用人力装斗车经过横隔板倒入停放在下方的自卸汽车。风镐数量按左右两侧各3台配置；下部采用挖掘机挖掘，并利用挖掘机装渣，挖掘机的数量按左右两侧各1台配置，选择10 t级小规格。采用CRD法施工的秦东隧道进、出口端的运输车辆均按5台配置。

（3）双侧壁导坑法开挖设备。双侧壁导坑法施工段长度仅为进口端的105 m，设备配置原则上与正洞一致，其数量可根据分部开挖的作业面情况适当增加。导坑上（中）部用风镐挖掘，人工翻渣到（中）下部。风镐数量一个导坑按4台配置。施工没有钻爆环节，3个导坑的上部工序为挖掘和初期支护的相互转换，考虑备用和易损因素，3个导坑共计按10～12台配置。下部采用挖掘机挖掘，并利用挖掘机装渣，装渣数量包括从上（中）部台阶翻下的洞渣。挖掘机数量按10 t级2台配置，3个导坑同时作业时用1台20 t级挖掘机备用。

运输车辆的外形尺寸受导坑断面尺寸、临时水平钢支撑高度限制（4.5 m），选用5～8 t自卸汽车运输。隧道进口端采用双侧壁导坑法施工段长75 m，按5台配置运输车辆。

2.3 初期支护、基底处理及二次衬砌设备

洞口明洞及洞门钢筋混凝土施工时，主要设备与正洞施工相同，包括混凝土设备、钢筋加工设备等。

（1）初期支护设备。正洞洞口Ⅴ级围岩段，设φ108 mm超前管棚进行预支护，洞身Ⅴ级围岩段，设φ42 mm超前小导管注浆进行预支护。同时，在开挖后立即施作锚杆、型钢刚架、挂网、喷射混凝土等形成初期支护系统。主要设备有管棚钻进（水平钻机）、（砂浆）搅拌机、注浆泵、混凝土喷射机、钢筋弯曲机、砂轮切割机、钢架加工采用的LWGJ250型钢架冷弯机。

（2）基底处理设备。基底处理为水泥土挤密桩加夯实，采用的设备有地质钻机、80 kg级内燃冲击夯。

（3）二次衬砌设备。正洞、斜井洞身二次衬砌时，仰拱浇筑利用移动式栈桥维持洞内交通运输的畅通；墙、拱衬砌采用液压模板台车整体浇筑。二次衬砌耐久性混凝土采用自动计量的搅拌站、混凝土输送车运输、混凝土输送泵泵送入模。辅助洞室混凝土衬砌采用特制模板台架、人工立钢模、输送泵泵送入模。主要设备有混凝土搅拌站、混凝土输送车、混凝土输送泵、模板台车等。

2.4 隧道通风、施工用电、高压风及排水

（1）隧道施工通风装备。秦东隧道采用非爆破开挖，施工通风仅考虑施工人员、机械的通风需要，根据施工总体安排的生产需求，进、出口工区及斜井工区均采用压入式通风，其中进、出口工区采用单管路压入式通风，斜井工区正洞施工时采用双管路分头压入式通风。

根据铁路隧道通风要求及参数计算结果，隧道进、出口工区各配备SDF（C）-NO12.5型110 kW通风机1台，风管选用φ1 500 mm PVC软式通风管，可满足洞内通风要求。3个斜井工区各配备SDF（C）-NO12.5型110 kW通风机2台，安设2套通风管路，分别向两端工作面通风，风管均选用φ1 300 mm PVC软式通风管。局扇根据实际需要安装，规格为14～22 kW的射流风机。

（2）施工用电。施工用电主要由地方电网T接后引出10 kV供电线路供电，各工区以柴油发电机组作为备用电源。具体配电情况如下：五个工区各设变电站一处。隧道进口容量800 kVA，出口容量1 000 kVA，3个斜井工区各设容量900 kVA。隧道进、出口工区和3个斜井工区各配备2台250 kW柴油发电机组作为备用电源。

（3）高压风。高压风采取集中供风方式，其中进、出口端工区各配备2台10～20 m3/min电动空压机。风管均采用φ100 mm的无缝钢管，管节利用法兰盘连接。隧道外，供风距离超过800 m后，将洞外2台空压机移至洞内。同时安排高压电源进洞，洞内可安装1台300 kVA变压器。

（4）隧道排水。隧道设计资料显示：隧道内部局部地段存在少量地下水，大部分段落基本无水。为避免自然排水对湿陷性黄土的影响，洞内每隔500 m左右设一个泵站，泵站间布置2条φ150 mm的管路。每个作业面常备2台4～17 kW水泵，遇有积水时及时抽排至附近各泵站，再利用各泵站分级抽排至洞外排水沟。实际施工时发生多起局部出水情况，如在3#斜井与正洞交汇处出现渗水，初期流量4～6 m3/d，采用铁制水箱收集渗水和滴水后，由潜水泵泵入混凝土输送车内运出洞外。