五尖大山长大隧道快速施工方法

2011-07-13李文刚孙一瑞

铁路技术创新 2011年3期

■ 李文刚孙一瑞

1 工程特点及难点分析

五尖大山隧道为武广高速铁路重点隧道工程SDⅠ标段，全长6 857 m，断面净空有效面积为100 m2；且隧道软弱围岩地段长，不良地质发育。其中：Ⅲ级围岩3 760 m，占全隧54.8%；Ⅳ级围岩2 459 m，占全隧35.9%；V级围岩638 m，占全隧9.3%。隧道洞身岩层多软硬不均，节理发育，岩性较破碎。特别是进口端1 500 m范围内，有断层、浅埋（最小埋深0.2 m），地下水发育，易产生塌顶、坍塌等灾害，施工难度大。隧道进口基岩为白云岩、粉砂质页岩，全-强风化节理很发育，地下水较发育；出口基岩为砂质板岩，节理较发育，一般为紧闭节理，地下水较发育。隧道洞身：岩层软硬不均，节理发育，岩性较破碎，隧道施工可能出现较大变形。隧道通过岩层大多属粘土岩，部分为碎屑岩，基岩导水性差，基岩裂隙水不发育。

该工程为长隧道、大断面，工程地质条件复杂，施工难度大。由于隧道围岩软硬不均，工序转换频繁，工艺复杂，而工期仅36.5个月，计划平均每月施工进度为185 m以上，施工中的信息化管理要求高。施工中采取以下应对措施：

（1）严格按照“抓住重点、攻克难点、快速掘进、均衡生产、技术创新、保证质量、确保工期”的原则组织施工，积极稳妥地采用目前国内外长大隧道施工的最新科技成果和工法，合理配套机械设备，确保项目管理目标的实现。针对施工难度大和工期紧的特点，采用项目管理、信息化管理、网络技术管理、全面质量管理等现代化管理手段，确保动态设计和动态施工的实现。

（2）针对开挖断面大，工程地质条件复杂，施工难度大等特点，精心编制实施性施工组织设计，配备先进的施工机械，选择合理的施工方法，优先施工管理，实施信息化、科学化组织施工。

（3）针对隧道大跨、不良地质地段（如浅埋）等施工重点，采用超前长管棚、预注浆加固围岩、浅眼控制爆破、加强初期支护等措施实现安全生产。按照“先预报、管超前、预注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、快反馈、控沉陷”的施工原则，采用综合地质预报与分析指导施工，并根据工程特点编制工程应急救援预案，以保证施工安全。

2 快速施工方法

五尖大山隧道斜井自2005年8月9日开工，进、出口自2006年1月15日开工。由于地质条件较差，隧道洞身岩层多软硬不均，节理发育，岩性较破碎，有断层、浅埋（最小埋深9 m），且地下水发育，施工难度很大。至2007年3月，单口月开挖84 m，月平均成洞80 m，远不能达到计划工期的任务要求。按照剩余工程量及计划工期计算，要求自2007年4月开始单口月成洞必须达到150 m以上。为加快施工进度，多方面对施工方案开展进一步细致调整与安排，形成一套高速、安全、稳定的施工方法。2007年4—6月，单口月开挖152 m，单口月平均成洞超过150 m。

2.1 调整开挖方法，合理配置施工机械

五尖大山隧道主要采取台阶法施工。上半断面的开挖支护施工速度决定整个隧道的施工进度。因此，在保证安全与质量的前提下，有效提高上半断面的开挖支护进度对整个隧道的施工速度起着关键性作用。

施工初期，由于进度不理想、光面爆破不好，超欠挖现象较严重。主要原因分析如下：

（1）围岩强度较低，节理较发育，造成钻孔速度较慢，钻孔容易塌孔，每钻一孔所需时间为10~20 min，一般每次钻孔需要2.5 h。每次钻孔深度为3.5 m，开挖进尺为3 m，对Ⅲ级围岩而言进尺较短，使得循环次数增加，影响施工进度。

（2）喷浆时采用3台混凝土喷射机同时进行施工，开挖进尺达3 m时，在机械无故障情况下，每次喷混凝土也需6 h左右，严重影响施工进度。

编者按：沈乾若老师毕业于北京大学物理系，后移民国外，长期在加拿大从事中小学教育工作，同时也十分关注中国大陆的教育形势；现为加拿大博雅教育学会会长.她的文章介绍并评述了加拿大小学教育的近况，对长期引进西方教育理念的中国数学教育界会有借鉴，对中学教育亦有借鉴.文章虽仅涉及小学，但鉴于上述，特刊出以引发我们思考.

（3）装药时没有采用竹片固定，造成超、欠挖现象严重，使出渣、找平、喷射混凝土等后序工作时间延长。

（4）上半断面在地质描述、测量及监控量测工作进行时，开挖班进行的掌子面找顶、钻眼准备工作较拖后，如果两项工作可以同时进行就可节约时间。

（5）由于隧道施工已经超过1 000 m，出渣车数量不够，装渣设备经常需等出渣车，造成时间浪费。

自2007年3月，开挖风钻总数从18台调整为22台，作业时用5台空压机供风，保持风钻同时使用，以此提高钻孔速度。同时在出渣上也增加新设备，由原来的7台自卸式出渣车增加为10台，提高了出渣速度。围岩较好时，将钻眼深度增加为4.2 m，开挖进尺增加到4 m，这样虽然增加了每次钻眼的时间，但减少了循环次数，整体上提高了工作效率。由于喷混凝土要占用很长时间，减少喷混凝土时间对减少上半断面施作时间至关重要，因此决定增加1台混凝土喷射机。

调整后不仅将每循环开挖进尺增加到4 m，并且缩短了每次开挖支护时间，装药时采用竹片固定方法使超、欠挖得到很好控制，缩短了后续工作时间。2007年4—6月，隧道上断面共开挖483 m，平均月进尺161 m，实现了连续高产。

2.2 进一步协调上、下半断面及仰拱施工时间

隧道施工由于受到工作面的限制，各工作都处于相互制约与配合之中，因此协调好各工序的工作时间是加快施工进度的重中之重。而很多隧道在施工中只注重上半断面的进度，一切以上半断面为主，因此下半断面和仰拱的施工受到很大限制，反而制约了工程进度。在保证施工安全的前提下，为避免某项工作停滞待工，浪费人力、物力资源，将下半断面和仰拱施工做了统一安排，以进一步加快施工进度。

在上半断面出渣完成，后续工作的人员、设备、材料到位后，下半断面进行爆破开挖。出渣运输方面，原来下半断面每循环出渣运输约为3 h，自2007年4月将原来1台挖掘机负责装渣改为由1台挖掘机和1台装载机配合，每循环出渣时间缩短为2～2.5 h，每次开挖进尺也由原来的3 m增加到4 m。

新的施工方案中还增加了1台出渣车，使出渣时间缩短，由于上半断面出渣完成后，下半断面开始放炮出渣，这样，当下半断面出渣运输完成后，上半断面刚好就要开始放炮出渣，使机械得到最有效的使用。新方案实施后，下半断面施工基本不再出现停滞待工情况，工序衔接紧凑。

五尖大山隧道的仰拱施工要求整体式浇筑，给上、下半断面的运输等工作造成较大影响。同时，为保证下半断面与仰拱的距离不能过远，仰拱施工速度对整个隧道的施工进度有很大限制，为此在仰拱施工中采用简易栈桥方法。当上、下半断面施工进度都加快后，仰拱施工成为制约施工进度的主要环节，因此将原来的2副栈桥同时施工增加到3～4副同时施工。在不延长工作时间的情况下，增加了工作面，提高了工作效率。

2.3 改善通风条件，提高工作效率

随着隧道掘进向纵深推进，通风效果的好坏直接影响洞内施工效率。洞内空气状况很差时，工作人员会感到头晕、恶心，能见度低时会严重影响各工作的施作，使协调工作很难展开。因此，改善洞内通风效果不仅是保证工作人员身心健康的必要措施，也能提高施工进度。

根据相关技术要求，空气中氧气含量按体积计不得小于20%；粉尘容许浓度：空气中含有10%以上游离二氧化硅粉尘不得大于2 mg/m3；空气中含有10%以下游离二氧化硅粉尘不得大于4 mg/m3。有害气体最高容许浓度：一氧化碳为30 mg/m3。在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为100 mg/m3，但工作时间不得大于30 min；二氧化碳按体积计不得大于0.5%；氮氧化物（换算成NO2）为5 mg/m3以下。隧道内施工通风风速在分部开挖的坑道中不应小于0.25 m/s（隧道内气温不超过28 ℃）。经计算，通风系统风压应为6 652 Pa。原来采用串联2台110 kW SDF(C)-NO12.5型压入式风机，由洞口向掌子面进行送风，但是最高风压只有5 355 Pa，当隧道进深增加后无法满足洞内通风要求，因此对通风设备配置进行调整。综合考虑后，决定在斜井与正洞交汇处、正洞中部分别增加1台30 kW和1台37 kW的射流风机。这2台风机安装运行后，洞内空气条件立即得到改善，提高了工作效率，加快了施工进度。