蒙华铁路隧道工程施工技术要点及机械化配套

韩贺庚， 申志军， 皮 圣

(蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073)

蒙华铁路隧道工程施工技术要点及机械化配套

韩贺庚， 申志军， 皮 圣*

(蒙西华中铁路股份有限公司， 北京 100073)

目前我国隧道钻爆法施工存在整体机械化程度较低、施工环境恶劣、工人劳动强度大的问题。以蒙华铁路隧道工程实践为依托，从建立监控量测信息化平台、大断面开挖及初期支护早封闭施工、提高硬岩地段隧道光面爆破水平、确保隧道支护结构质量等方面总结蒙华铁路隧道工程施工技术要点，即“一强化(强化量测)、二紧跟(钢架紧贴掌子面、仰拱紧跟下台阶)、三超前(超前预报、超前加固、超前支护)、四到位(工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌质量到位)”；并重点介绍隧道施工机械化配套情况，包括湿喷机械手、自行式仰拱长栈桥、新型二次衬砌台车工装、马蹄形盾构、预切槽设备、悬臂式掘进机等的应用和创新；为全面统筹全线路隧道施工技术管理及提高隧道施工机械化水平形成示范效应并提供技术支撑。

蒙华铁路隧道； 隧道施工； 机械化配套； 湿喷机械手； 自行式仰拱长栈桥； 二次衬砌台车； 马蹄形盾构； 预切槽机； 悬臂式掘进机

0 引言

随着我国经济发展及综合国力的提高，客货共线、高速铁路建设得到了空前发展，近年在建及今后几年将要建设的铁路隧道长达5 000 km以上[1]。由于隧道内使用的大型机械设备造价较高，初期成本投入大，受经济发展水平、投资管理体系、施工资源组织等因素的影响，目前国内山岭隧道施工仍广泛采用人工及简易机械配套[2]。

文献[3-4]对长大隧道施工机械化配套进行了较系统的阐述；文献[5]对长大隧道采用钢拱架安装机设备架设钢拱架的优势及应用前景进行了论述；文献[6]对长大隧道采用混凝土机械手湿喷技术解决隧道粉尘量、提高工程实体质量等方面的优势进行了阐述；文献[7-8]对长大隧道采用机械化施工的工程经济性进行了分析，得出施工机械化配套的综合效益显著。现有研究多以长大隧道单工点为研究对象，尚未从全线路隧道施工角度展开相关研究。

蒙西至华中地区铁路(蒙华铁路)货运通道作为国内一次建成的最长重载货运铁路，自开建以来，一直致力于推广和提高全线隧道施工的大型机械化配套技术水平，全面推进隧道建设新理念、新工艺、新技术的应用。本文主要从全线路施工角度介绍蒙华铁路隧道工程施工技术要点及机械化配套的推广应用情况。

1 工程概况

蒙华铁路正线全长1 814.5 km，正线隧道共计228座、长468 km(含左、右线长529 km)，占正线总长的25.8%。其中：l≥10 km的隧道有10座，总长149.6 km，最长隧道——崤山隧道长达22．751 km；6 km≤l<10 km的隧道有11座，总长86.6 km；1 km≤l<6 km的隧道有78座，总长176.8 km；l<1 km的隧道有129座，总长55 km。

全线隧道断面根据单线和双线、有砟和无砟、岩石和土质共分6种断面形式，图1和图2分别为单、双线(无砟轨道、岩石)隧道标准内轮廓图。

线路由北至南跨越区域广、沿线地质条件复杂、隧道重难点工程多。部分隧道穿越新黄土、粉细砂层、软岩、第三系富水砂层、长大断层破碎带、岩溶、煤层瓦斯、膨胀岩土、软土及松软土、高地温、有害气体、高地应力等地层。

2 国内钻爆法施工现状

隧道钻爆法施工因其投资小、地质适应能力强，一直是国内山岭隧道的主要施工方法。

图1 单线隧道内轮廓(单位： cm)

图2 双线隧道内轮廓(单位： cm)

2.1 开挖工艺工法

开挖钻孔主要采用风动凿岩机(如YT28)、液压钻和简易的钻孔台架，个别长大隧道采用液压凿岩台车及多功能台车。围岩较好地段以机械开挖为主，采用全断面、台阶法施工；围岩较差地段以人工开挖配合小型机械设备为主，采用小断面分部开挖(如CD法、CRD法、双侧壁导坑法等)[9]。

2.2 初期支护及设备

锚杆施作较多采用人工手持风钻打孔，施工劳动强度大，施工工效较低且施作质量较难控制；个别长大隧道采用凿岩台车进行锚杆的快速施作，但受技术、资金以及后期设备的维养等影响推广度较低。喷混作业一般采用干喷机、潮喷机以及小型湿喷机，施工效率较低、工程实体质量较难控制且施工现场环境比较恶劣，目前仅在较少的长大隧道内使用湿喷机械手。

2.3 仰拱施工及设备

仰拱施工一般采用简易仰拱栈桥，栈桥有效作业长度通常为6～12 m，仰拱一次掏底为6～12 m，简易栈桥移动通过装载机实现。仰拱浇筑模板采用标准钢模板或自行研制的弧形钢模板，仰拱纵向一次浇筑长度较短，施工接缝较多。

2.4 防排水及二次衬砌浇筑

防水板铺设采用自制的简易台架，人工需求量大且耗时较长，铺设质量较差时易形成拱部脱空或造成防水板拉断导致浇筑过程中二次衬砌混凝土隔离分层，而较少采用防水板铺设台车和防水板自动爬行焊机。衬砌台车采用全断面液压钢模板衬砌台车，钢模开口数量少、开孔尺寸较小，混凝土单窗集中供料、竖向跳窗供料及振捣不到位的现象突出，极易造成集料窝。二次养护未配备养护台车或其他养护设备，衬砌表面常出现麻面蜂窝、龟裂等表观缺陷。

总体而言，目前国内山岭隧道钻爆法施工的整体机械化程度仍较低，工人劳动强度大，施工环境较恶劣，隧道实体工程质量及施工机械化配套水平仍有待提高。

3 蒙华铁路隧道工程技术要点

3.1 建立监控量测信息化平台

建立隧道监控量测信息化平台，将全线隧道的监控量测数据统一纳入信息管理平台，同时明确施工单位是监控量测的责任主体，并将监控量测纳入施工工序管理。

将全站仪测得的监控量测原始数据上传至数据存储中心，再通过数据交换平台建立全线信息共享的公共基础平台，保证建设、施工、设计、监理单位均能通过移动智能设备(如手机)及时全面掌握隧道支护结构变形情况。现场三台阶法施工隧道的监控量测点布置效果如图3所示。

图3 隧道监控量测点布置效果

自建立隧道监控量测信息化平台以来，取得了以下成效：

1)通过信息化监测数据，建立可靠的预警机制，实时掌握隧道初期支护的变形情况，确保施工人员及设备的安全。自2016年3月开工至2017年4月30日，全线537个作业面、27 442个监测断面共发生1 979次变形预警，均及时采取了措施，保证了施工安全。

2)实时掌握全线隧道各级围岩的实际变形量，为隧道各级围岩的预留变形量值提供科学依据，在一定程度上减少了隧道出现的过度超挖和侵界现象，节约了工程成本。

3)通过对监控量测成果的运用，为优化隧道结构支护参数提供了依据，真正实现隧道结构支护参数的动态设计，保证隧道支护结构参数满足现场实际要求。

3.2 大断面开挖及初期支护早封闭施工

为全面推行机械化施工，隧道开挖优先采用全断面法，其次采用台阶法；软弱破碎围岩及软土隧道通过超前预支护或掌子面预加固等措施提高围岩自稳能力，创造大断面开挖的施工条件；采用其他工法(如CD法、CRD法、双侧壁导坑法等)须报建设单位批准。

强调初期支护封闭的及时性，初期支护钢架紧贴掌子面，初期支护仰拱及时封闭成环，紧跟下台阶。软弱围岩隧道采用两台阶法施工时初期支护仰拱封闭成环距掌子面距离按1倍洞跨控制，采用三台阶法施工时初期支护仰拱封闭成环距掌子面距离按不大于2倍洞跨控制。现场台阶法开挖施工步距控制如图4所示。

图4 现场台阶法施工

3.3 提高硬岩地段隧道光面爆破水平

为控制隧道超欠挖，解决现有隧道超挖量过大的问题，在全线范围内鼓励施工单位开展爆破设计研究，优化爆破参数及爆破工艺，召开全线隧道光面爆破技术交流会，推广光面爆破成果，提高硬岩地段隧道光面爆破水平。桐木隧道光面爆破效果如图5所示。

图5 桐木隧道光面爆破效果

3.4 确保隧道支护结构质量

明确初期支护是隧道的主要承载结构，提出初期支护应确保施工期间围岩稳定及自身结构的安全，是施工安全最关键、最重要的保障。1)要求全线隧道初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺，必须采用湿喷机械手并保证喷射混凝土的早期强度； 2)优化初期支护结构参数，全线推广使用“8”字结格栅钢拱架，按照围岩级别和断面形式的不同，形成H130、H150、H180、H230系列标准化钢架体系，采用工厂化加工并统一配送，确保钢架质量。

提倡仰拱长段落施作，一般地段隧道仰拱一次清底不小于24 m，仰拱及填充长段落施作，保证基底结构的整体性；为提高仰拱填充整体刚度，取消隧道中央排水沟，充分利用两侧边沟排水。二次衬砌浇筑采用滑槽逐窗入模工艺和拱顶带模注浆工艺，保证二次衬砌混凝土浇筑质量并解决衬砌拱顶脱空问题；采用喷淋养护台车等进行衬砌养护，确保混凝土的强度和密实度。

4 蒙华铁路隧道施工机械化配套

为保证蒙华铁路隧道施工质量及安全，减小工人劳动强度，提高隧道施工工效，全面提升隧道施工机械化水平，鼓励施工单位联合设备厂商研发、试验和推广应用隧道施工专业机械设备。

4.1 隧道施工机械化设备推广应用

4.1.1 湿喷机械手

为全面贯彻新奥法施工理念，确保围岩和隧道初期支护结构作为承载主体，全面提高隧道初期支护结构的强度，要求全线隧道初期支护采用湿喷工艺，必须使用湿喷机械手，湿喷机喷射能力不小于15 m3/h。

为此，全线各参建单位对喷浆设备进行了采购，现场累计投入300多台施工效率较高的喷浆设备，如铁建重工HPS系列、湖南五新CHP30C型、长沙科达KC30型、意大利CIFA-CSS-3型、德国PM500型等，绝大多数喷射机械手喷射能力达30 m3/h。现场初期支护混凝土芯样如图6所示。

图6 初期支护混凝土芯样

现场采用湿喷工艺结合喷射机械手作业具有如下优点：

1)采用湿喷工艺，极大地改善了混凝土的品质，初期支护混凝土的密实度、抗压和抗剪强度、抗渗性能得到充分保证；同时，避免了传统人工喷射时空洞和强度不达标等问题的发生，大幅度减少隧道后期出现的质量缺陷和病害。

2)相对于传统人工干喷或潮喷作业，采用喷射机械手极大地减少了粉尘量；同时，施工人员远离喷射面遥控作业，为施工人员提供了一个相对良好的作业环境，降低了施工风险。

3)现场喷射机械手作业平均工效为20 m3/h，而传统人工喷射作业平均工效为4 m3/h，施工工效得到了极大的提高，同时降低了工人的劳动强度。

4)采用湿喷机械手作业，虽然前期投资大，但是由于人员需求少、施工效率高，施工综合成本要低于干喷机和小型湿喷机。

4.1.2 自行式仰拱长栈桥

为减少隧道仰拱及填充层的施工接缝，保证隧道仰拱及填充层混凝土结构的施工质量及整体性，要求一般情况下全线隧道仰拱一次性捡底不小于24 m，仰拱及填充层浇筑长度根据模筑衬砌台车的长度进行分段浇筑，一次浇筑长度为9～12 m。针对这一要求，自行式仰拱长栈桥设备得到了广泛的推广，全线累计投入329座。庙坪隧道所使用的自行式仰拱长栈桥设备如图7所示。

图7 自行式仰拱长栈桥

相对于简易仰拱栈桥，自行式仰拱长栈桥具有如下优点：

1)能保证仰拱开挖及支护、二次衬砌钢筋绑扎及混凝土浇筑、隧道出渣等各项工序的同步作业，提高了施工工效，降低了施工人员的劳动强度，在一定程度上节约了生产成本。

2)隧道基底一次捡底长度长，捡底质量能得到有效保证(以往短仰拱单次捡底周期短，现场捡底质量控制较难做到位)，一定程度上减少了营运期间隧道基底出现的渗水、基底掏空等各类病害。

3)仰拱及填充混凝土一次浇筑长度较长，减少了混凝土环向接缝数量，提高了隧道底部混凝土结构的整体性。

4.1.3 二次衬砌台车工装设备

4.1.3.1 二次衬砌浇筑分流槽布料设备

为解决隧道二次衬砌混凝土浇筑过程中存在的施工工效低、换管过程繁琐、二次衬砌施工冷缝等问题，同时提高混凝土浇筑品质，提倡二次衬砌浇筑采用分流槽布料(见图8)，混凝土滑槽逐窗入模。

图8 分流槽布料

二次衬砌浇筑采用分流槽布料设备具有如下优点：

1)通过拱顶大分流槽及分料筒实现了同层窗口的全部利用，克服了传统跳层浇筑和集中布料导致的混凝土离析。

2)省去传统浇筑时存在的导管多次组装和拆解等工序，降低堵管风险，实现混凝土连续浇筑，避免了出现施工冷缝，有效提高了二次衬砌混凝土浇筑质量。

4.1.3.2 混凝土灌注窗口优化调整

传统二次衬砌台车每层窗口间距一般为2 m左右，净空尺寸为45 cm×45 cm，布设4个。受窗口数量和尺寸的限制，现场实际二次衬砌混凝土浇筑很难做到振捣密实，混凝土缺振、少振现象较突出。

针对这种现象，在既有二次衬砌台车设备的基础上，通过现场调研及厂家试验，二次衬砌台车纵向长度按照9 m设计，将窗口尺寸调整为100 cm×45 cm(长×宽)，窗口间距为0.5 m，每层布设6个。

4.1.3.3 拱顶带模注浆设备

为解决二次衬砌拱顶脱空问题，提倡对二次衬砌台车进行工装改造，台车顶部布设注浆孔(见图9)，在二次衬砌混凝土初凝后及时进行拱顶带模注浆。

图9 台车注浆孔布设

采用拱顶带模注浆工艺具有如下优点：

1)带模及时注浆，避免了传统衬砌注浆液与衬砌“两层皮”的现象，使注浆材料与二次衬砌混凝土形成良好的受力整体。

2)避免了传统注浆不当导致的隧道防排水系统堵塞所造成的后期运营隐患。

3)工艺操作便捷且可靠，在衬砌施工工序间隙注浆，不影响其他施工工序。

4.2 隧道施工机械化设备创新

4.2.1 马蹄形盾构

白城隧道全长3 345 m，最大埋深约81 m；隧道主要穿越地层以粉砂、细砂、砂质新黄土为主，围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级，其中Ⅴ级围岩地段长2 730 m，Ⅵ级围岩地段长305 m[10]。围岩整体稳定性较差，采用传统矿山法施工难度大且施工工期长。为充分发挥机械化施工的高效性及安全性，经过各方充分论证，现场采用马蹄形盾构(见图10)施工，盾构断面尺寸为11.476 5 m×11.360 m，开挖面积达105.6 m2，是铁路山岭隧道软土地质领域的首次运用。

白城隧道采用马蹄形盾构施工具有如下优势：

1)马蹄形盾构掘进速度一般能达到40 mm/min(拟最大推速60 mm/min)，正常情况下掘进速度维持在10 m/d；2017年3月，马蹄形盾构创造了单月掘进308.8 m的记录，单日最高掘进10环(16 m)；而采用传统矿山法施工，相同地质条件下Ⅴ级围岩月进度仅为35～50 m[7]，Ⅵ级围岩月进度仅为20～25 m。相比矿山法，盾构法施工工效得到极大提高。

2)采用盾构法施工极大地降低了工人的劳动强度，改善了工作环境，为更加安全高效施工提供了保障；采用预制管片拼装及同步注浆工艺，极大地提高了隧道施工质量，保证了隧道支护结构的强度，降低了运营期间的维护成本。

3)与传统盾构(圆形截面)相比，马蹄形盾构极大地提高了隧道空间利用率，较圆形截面减少了10%～15%的开挖面积。

4)白城隧道采用原矿山法施工每延米造价约12.0万元，采用盾构法施工每延米造价约13.95万元，直接费用总计增加约6 545.2万元，费用增幅达16.32%；但施工工期的缩短及施工质量的有效保证可以创造良好的经济效益和社会效益，综合效益显著。

4.2.2 预切槽设备

预切槽法是介于浅埋暗挖法和盾构法之间的一种新工法，通过沿拱圈切割一条宽数十cm、深数m的切槽，再浇筑混凝土，形成连续且具备一定强度的混凝土壳体，再在混凝土预支护下采用施工机械进行大断面开挖，是一种适用于软土隧道施工的新工法[11]。

为提高软土隧道施工的机械化水平，保障软土隧道施工安全，在郝窑科隧道Ⅳ级黄土地段设置科研试验段，开展预切槽法施工试验。该施工方法在我国系首次采用。现场预切槽机的试验情况如图11所示。

图11 预切槽机械

郝窑科隧道采用预切槽法共计施工12环(长29 m)切槽和喷灌预支护。通过对切槽预支护施工关键技术的研究和试验，取得了切槽深度和宽度、分块数量、搭接长度、喷灌混凝土和开挖支护等主要施工工艺参数；预切槽机械设备研发取得了阶段性成果。同时，现有研发设备尚未实现切灌同步，混凝土浇筑质量较难保证，设备行走及切灌定位耗时较长，施工工效较低等问题尚需进一步研究解决。

4.2.3 悬臂式掘进机

银山1#隧道浅埋段近距离侧穿采油厂及下穿屈家畔村庄[12]，采用传统钻爆法施工需对邻近采油厂区域采取必要的防护措施以及对屈家畔村庄进行整体搬迁。考虑工程施工环境复杂，征拆难度大且费用高，同时该段隧道穿越地质主要为白垩系砂岩(岩石单轴饱和抗压强度为5.24～5.92 MPa)，属软岩，经过各方充分论证，该段隧道采用悬臂式掘进机开挖施工。

悬臂掘进机开挖在软岩隧道施工中具有如下优势：

1)针对非爆破开挖环境，悬臂掘进机开挖能最大程度地降低工人劳动强度，同时尽可能地提高开挖速率。

2)相对传统钻爆法施工，能减少对周边围岩的扰动，较好地控制地表沉降量及隧道超欠挖量。

5 结论与建议

蒙华铁路在我国隧道施工、建设管理等方面进行了有益探索和实践，隧道施工技术要点可以概括为“一强化(强化量测)、二紧跟(钢架紧贴掌子面，仰拱紧跟下台阶)、三超前(超前预报、超前加固、超前支护)、四到位(工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌质量到位)”，并大力推广湿喷机械手、自行式仰拱长栈桥、新型台车工装、新型开挖设备(马蹄形盾构、预切槽设备、悬臂式掘进机等)等施工机械化配套的应用和创新，可为全面统筹全线路隧道施工技术管理以及提高隧道施工机械化水平形成示范效应并提供技术支撑。建议如下：

1)运用管理、技术于一体的综合措施是确保隧道工程质量合格、施工安全的有效手段。

2)提升隧道施工机械化水平，是改善施工作业环境、降低工人劳动强度、确保工程实体质量的有力支撑。

3)选用新型机械设备或改进现有工装设备，需设计、建设、施工等单位积极配合，共同探索，必要时需联合设备厂商进行研发、试验和推广应用。

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蒙华铁路全线控制性工程——崤山隧道5号斜井与出口左线提前顺利贯通

2017年12月6日上午9点，蒙(西)华(中)铁路全线控制性工程——崤山隧道5号斜井与出口左线经过930 d的鏖战，提前90 d顺利贯通，该施工节点的成功突破为全线如期贯通打下了坚实基础。

崤山隧道分左线和右线2座单线隧道，隧道左线全长22 751 m，右线全长22 771 m，隧道最大埋深约为500 m，隧道地质构造及水文条件极为复杂，属一级高风险隧道。中国铁建十六局五公司承建崤山隧道4号斜井至出口段的施工，正线全长23.018 km，其中线路左线全长11 536 m，线路右线全长11 482 m; 包括辅助坑道2座，分别为前场(4号)斜井2 646 m和蔓草窝(5号)斜井1 790 m。此次贯通的5号斜井至出口间施工长度为6 500 m(含斜井1 790 m)，期间经历黄土、破碎围岩、富水及多处断层施工，施工环境恶劣，安全质量控制难度大。

崤山隧道地质构造及水文地质条件复杂、难度大、工期紧。为了保证5号斜井与出口左线的顺利贯通，施工方多次制定详细的技术、安全、质量及施工组织措施，并大力落实班组长质量责任制，严把安全质量关。施工期间采取新工艺、新型隧道施工设备，开展科技攻关，优化施工组织、工艺方案，提高施工效率。

(摘自 人民网 http://henan.people.com.cn/n2/2017/1206/c380476-31001883.html)

TechnicalKeyPointsandMechanizationMatchingofMenghuaRailwayTunnelConstruction

HAN Hegeng, SHEN Zhijun, PI Sheng*

(Mengxi-HuazhongRailwayCo.,Ltd.,Beijing100073,China)

The tunnel constructed by drilling and blasting method has many disadvantages, such as low overall mechanization degree, poor construction environment and high labor intensity. The technical key points of Menghua Railway Tunnel construction, i.e. measurement strengthening, steel frame closes to working face and lower bench followed by inverted arch, advance geological prediction, advance reinforcement and advance support, and proper construction method, rational support method, quick closure and good lining quality, are summarized in terms of establishment of the monitoring information platform, large cross-section excavation and early closure construction of primary support, improvement of smooth blasting level of hard rock tunnel and support structure quality. And then the construction mechanization matching of the tunnel, including the application and innovation of wet spraying manipulator, self-propelled inverted arch long trestle, new-type of fixtures of secondary lining trolley, horseshoe-shaped shield, pre-cutting machine and boom-type roadheader, etc, is emphatically introduced, so as to provide technical support for management of the tunnel construction and improvement of mechanization level.

Menghua Railway Tunnel; tunnel construction; mechanization matching; wet spraying manipulator; self-propelled inverted arch long trestle; secondary lining trolley; horseshoe-shaped shield; pre-cutting machine; boom-type roadheader

2017-07-12;

2017-10-18

韩贺庚(1962—)，男，北京人，1983年毕业于西南交通大学，隧道与地下工程专业，本科，高级工程师，主要从事铁路工程建设技术管理工作。E-mail： HANHEGENG@mxhz.com.cn。*通信作者： 皮圣， E-mail： 1078206964@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.009

U 455

B

2096-4498(2017)12-1564-07