浅埋暗挖大断面隧道开挖支护机械化配套技术实践

2020-04-30王世杰

设备管理与维修 2020年8期

王世杰

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

高速公路和高速铁路往偏远山区的延伸修建，隧道工程的施工已成为交通工程中的工程重点和难点。根据相关规定的需要，其策划人员及设计单位会选择使用隧道来减小行车绕行距离及行车坡度。近些年来，浅埋暗挖法在工艺和硬件方面没有取得实质性的进步，施工仍以人工为主，这就需要为工程投入较大的人力资源。随着劳动力成本的不断升高，浅埋暗挖施工作业法的弊端不断表现出来，如：机械化不足，工作效率低的方面的问题，日均进尺1.5～2.0 m；工作环境差，文明施工差；以体力劳动为主，更多的质量和安全风险；增加劳动力成本。下面将以小龙伍苴隧道暗挖工程为例，对浅埋暗挖大断面隧道的机械化改进进行详细分析。

1 工程概况

小龙伍苴隧道进出口接路基，分离式双线隧道。左线里程ZK227+035～ZK227+356，全长321 m，右线里程K227+020～ZK227+322，全长302 m。隧道左线位于半径R=1440 m 的右偏曲线上，右线位于半径R=1420 m 的右偏曲线上。隧道洞内尺寸14.5 m×5.0 m，左线进出口洞门分别为端墙式、偏压端墙式洞门，右线进出口洞门均为偏压端墙式洞门。

1.1 水文地质条件

小龙伍苴隧道址区地表水不发育，未见大的地表水体。隧址区地下水主要有第四系覆盖层中的孔隙水和基岩中的裂隙水。第四系覆盖层中的孔隙水主要赋存于碎石层中，接受大气降水及地表水下渗补给，随季节变化较大，受陡坡地形控制，孔隙水补给、排泄快基岩裂隙水主要赋存于基岩节理裂隙中，主要靠大气降水及孔隙水下渗补给J 中沟等低洼部位以地下径流形式排泄。

1.2 不良地质

小龙伍苴隧道隧址区未见特殊性岩土发育。不良地质主要为强震区。项目区地震基本烈度为VII 度为强震区，对隧道稳定有一定的影响，应采取相应的抗震设计和抗震措施。

小龙伍苴隧道隧址区第囚系覆盖层主要为更新坡积成因碎石，下伏基岩为自里系下统普昌河组砂岩、泥质砂岩等。现将隧址区分布的土岩层由新至老描述如下。

（1）碎石：褐灰色，中密密实，粒径大于20 μm 的颗粒含量约占总质量的70%，粒径一般20～40 mm，多呈棱角状，母岩成分主要为强风化砂岩，泥质充填，颗粒级配一般。该层广泛分布于隧址区斜坡地段，层厚3.0～4.8 m。

（2）强风化砂岩：灰黄色、黄绿色、黄褐色，彤、质结构，中厚层状构造，原岩结构大部分已破坏，岩质软，岩芯多呈砂状，少量呈碎块状，岩体破碎。该层揭露厚度24.2～63.3 m。

（3）强风化砂质泥岩：紫红色，原岩结构大部分已破坏，泥质结构，薄一中厚层状构造，节理裂隙发育，岩芯多呈碎块状，岩质极软，岩体破碎。该层揭露厚度4.5～15.3 m。

（4）强风化泥质砂岩：褐红色，原岩结构大部分已破坏，砂质结构，中厚层状构造，泥质胶结，岩质软，岩芯多呈砂状，少量呈碎块状，岩体破碎。该层揭露厚度5.2～6.1 m。

1.3 围岩分级

根据地质调查及物探成果综合分析后，将本隧道区围岩分级按里程分段划分为Ⅳ～Ⅴ级，其中Ⅳ级围岩右幅50 m、左幅70 m；Ⅴ级围岩右幅250 m、左幅251 m（表1）。

2 施工现场布置方案

根据现场实际情况，隧道施工驻地就近设置，便于施工。施工便道与新建进场道路，与隧道洞口、弃渣场等相接，驻地选址避开滑坡体地段、河道边、水库下游沟边、山谷底、低凹处、取土场和未经碾压的弃土场、雷击的区域等。

2.1 施工供风

隧道进口在右线右侧设置空压机房，安装9 台20 m3空压机，用Ф250 mm 供风钢管分别接入左右线隧道内，管道安装在衬砌边墙上。

2.2 施工供水

隧道进口附近无自然水源可用，隧道搅拌站及隧道洞内施工用水可从1#梁场内采用地埋管道方式引接至搅拌站与洞口处并在搅拌站与洞口处分别新建一处储水池。

表1 小龙伍苴隧道围岩分级

2.3 施工用电及照明

通过与地方电力管理部门联系，架设电力专线，在施工现场就近架设1 台800 kA·V 变压器，搅拌站、钢筋加工场、洞内施工用电均从该变压器处架空线引入。洞内架设380 V/220 V 三相五线系统，作业地段动力线使用380 V 橡胶电缆，照明用电36 V，成洞地段和不作业地段照明采用220 V，洞内供电线路安装在风水管路的另一侧，分层架设，高压在上，低压在下；干线在上，支线在下；动力线在上，照明线在下。洞身侧上方安装照明灯具。

2.4 混凝土搅拌站建设

混凝土搅拌站设置离进口100 m 处，搅拌站占地面积5亩，设置1 个HZS75 型搅拌机，2 个水泥储存罐，4 个料仓，1 个蓄水池、1 台地泵，料仓均设置雨棚，场地均采用20 cm 厚C25混凝土硬化。

隧道施工驻地设置于搅拌站内，按照50 人要求配置。生活区宿舍、食堂、卫生间均采用简易彩钢板搭设，工人宿舍采用双层彩钢板房其他均采用单层板房。

2.5 钢筋加工场

钢筋、型钢等加工、制作统一在钢筋加工场进行，钢筋加工场设置在ZK226+820～-ZK226+860 段路基左侧，与施工便道相接贯通。钢筋加工场分为原材料存放区、加工区、半成品存放区，加工场占地2.5 亩（0.167 万平方米）。加工场地基处理：先对原地面进行清表，整平，压实；然后分层填筑碎石土，并碾压密实，整平；最后浇筑15 cm 厚C20 混凝土硬化层，对于场地内车辆行走通道等部位，调整为20 cm 厚C25 混凝土硬化层。钢筋原材、半成品存放采用H 形钢作为支垫。钢筋场整体采用固定式桁架雨棚遮盖，雨棚长45 m、宽22 m、净高12 m。

2.6 弃碴场

小龙伍苴隧道开挖土石方共计10.63 万立方米，小龙伍苴隧道开挖的土石方均弃于1#碴场，1#弃渣场位于K225+000 左侧30 m 处，占地85.6 亩（5.7 万平方米），可弃方52.9 万立方米；满足施工弃方要求。

3 暗挖大断面隧道开挖支护机械化配套施工技术

对隧道进行支护作业的重点控制因素为机械设备和人工，这是进行设备选型以及实现工程三大目标的最重要因素，对隧道进行支护初期的设备与技术研究，可以提高开挖效率和机械化程度。

3.1 施工机械设备技术经济对比

隧道开挖施工是机械设备消耗最多的时期，对于该阶段的机械选型进行有针对性的研究，有利于项目机械化方面的快速发展。本工程按照“多工作面、大平行、小流量”的原则组织施工。施工高峰期为3 井主线开挖。开挖面最大开挖量为12 个。在这个时候，建筑设备和劳动力的投资达到了一个高峰。因此，从作业时间、作业劳动力、设备配置等方面需要进行专题研究，以保障施工效率。

本工程对导洞1 和导洞2 的人力和设备投入进行分析：①导洞1，共用人工6 人，设备有扒渣机1 台，反铲挖掘机1台，农用三轮车2 台，风镐2 把，喷锚机1 台；②导洞2，共用人工8 人，设备有反铲挖掘机1 台，农用三轮车2 台，风镐2把，喷锚机1 台。

从两个导洞投入的人力与设备来看，导洞1 少投入2 人，多使用1 台扒渣机。在土方开挖和隔栅施工中分别少使用了20 min，扒渣机的设备摊销费约为1000 元每月，相对应的2 个人工的工费为每月1 万元。可以明显看出，对项目进行机械化配套对于提高施工效率，节约工费开支都具有积极作用，因此对本工程的机械化改造具有重要的实用价值。

3.2 机械设备选型原则

在工程施工中，随着机械设备的投入使用，相应的人工使用量就会减少，这对于加强现场施工质量和避免安全事故具有重要的作用。但是，机械设备并不是投入越多对项目就越有利，多种设备对现场的通风和维护要求较高，维护不及时会造成设备损坏，从而导致施工进度的耽误。所以隧道开挖支护设备的选择应遵循“设备一体化、小柔性、一机多用”的原则。在现阶段，公路隧道的机械化施工程度还不够高，日进尺2～3 m，存在着施工效率低下。人工作业较多等问题。而使用机械施工可以达到日进尺10 m，可以比传统施工作业高出4～5 倍的工作效率。同时，机械化作业设备集成较好，对于工程精度和质量的控制都有较大的帮助，因此，机械化道路是浅埋暗挖大断面隧道施工的一个必然发展方向。根据本工程地质的实际情况，因其对于地面沉降具有一定的要求，因此本工程采用分段施工的方式，机械选择以小型化、功效化为主，对大断面施工质量的控制进行有针对性的保障。