特长小断面隧道快速施工技术研究

2021-05-31郭永忠GUOYongzhong

建筑机械化 2021年5期

郭永忠/GUO Yong-zhong

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

1 工程概况

浩吉铁路（原蒙华铁路）北起内蒙古浩勒报吉，南至江西吉安，全长1806.5km，全线隧道共计228 座，总长457.504km。

崤山隧道为浩吉铁路全线最长隧道，入口位于河南省三门峡市灵宝市，出口位于卢氏县，设计为双洞单线隧道，全长达22771m。隧道穿越地层较为复杂，地质构造多变，水文环境复杂，施工总工期为46 个月，工期紧张，施工任务艰巨。作为全线第一长隧，社会关注度极高，崤山隧道的快速施工，具有显著的社会效益和经济效益，是特长铁路隧道的重点研究对象。

2 快速化施工必要性及难点分析

在铁路工程中，隧道工程因为其细长结构的特点，往往成为项目全线的关键线路，影响项目工期，长大隧道更是如此。因此，实现隧道快速施工意义重大。在工程建设中，时间代表着工期、成本和效益，提高隧道的施工速度，意味着缩短了施工工期，降低成本，大大提高工程的经济、社会效益。

崤山隧道作为特长单线重载铁路隧道，快速化施工所面临的困难主要有以下几点。

1）隧道长22.7km，设5 座斜井，共10 个开挖面（单线），如何在小断面隧道快速快挖是实现快速施工的关键因素。

2）崤山隧道各工作面独头掘进距离较大，施工通风难度较大。

3 单线隧道快速开挖技术研究

3.1 硬岩隧道快速开挖技术研究

崤山隧道以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主，占全隧的75%以上，主要以安山岩、流纹斑岩、石英砂岩等弱风化围岩为主，因此，隧道硬岩段的开挖对全隧快速施工有至关重要的影响，围岩分级统计如表1所示。

表1 围岩分级统计表

3.1.1 全断面连带仰拱同步开挖法技术研究

目前采用的常规全断面施工，仰拱部位的开挖实际上是滞后于掌子面，严格来说，横断面上为两断面开挖。

全断面（含仰拱）开挖法是将隧道整个断面（含仰拱）一起爆破开挖成型，在凿岩台车、湿喷机械手等大型设备保障的基础下发展而来。爆破成型后，通过湿喷机械手快速支护，仰拱初支在满足强度要求后用虚碴回填至掌子面，依次循环作业，快速开挖支护，如图1 所示。

图1 全段面连带仰拱同步开挖法示意图

与传统全断面法相比，全断面连带仰拱同步爆破的施工方法，断面爆破一次成型，减少因仰拱二次开挖对已施作的支护造成扰动，初支及早闭合，有效控制围岩的变形，同时减少仰拱开挖造成的交通阻塞和工序转换时间。

3.1.2 聚能水压爆破技术方案设计

聚能水压光面爆破通过水压爆破和聚能槽结合而来，用聚能槽取代传统炸药，通过聚能槽的聚能效应和炮孔顶部与底部的水带在爆破过程中产生的水楔效应，促使岩石初始裂缝延伸扩展加大，爆破效果具有明显提升。

与光面爆破相比，因聚能效应和水楔效应聚能水压爆破在炮眼设计中可大大减少周边眼的设计，减少打眼时间，同时，水袋在爆破过程中产生的水雾起到了降尘的效果，也能减小爆破后的通风时间，达到快速施工的目的。

根据崤山隧道进口常规爆破、水压爆破、聚能水压爆破对比试验，指标数据收集统计汇总如表2 所示。

表2 常规爆破和水压爆破平均指标对比表

3.2 软岩隧道微台阶法施工技术研究

崤山隧道中，Ⅳ、Ⅴ级围岩虽然占比较小，但软弱围岩施工往往决定整条隧道施工工期的上限，且在崤山隧道中的长度也达到10.35km，因此，软弱围岩快速施工也成为制约崤山隧道工期的关键因素。

崤山隧道为单线隧道，截面较小，穿越软弱围岩时，采用台阶法施工极大地限制机械和人员操作，影响施工进度，同时，台阶的存在，导致初支不能尽早闭合，在多次爆破下不利于控制围岩收敛，影响支护结构安全。

在传统台阶法的施工工艺上，缩短台阶长度，满足机械设备与施工人员在上下台阶上同步操作，一次性起爆上下台阶，便演化成微台阶法。由于微台阶上下断面同时起爆，各工序实现紧密衔接，大大缩短循环作业时间，而台阶较短，也能满足湿喷机械手同时对上下台阶进行支护，上台阶初支紧跟掌子面，下台阶初支紧跟上台阶，减小围岩收敛，同时消除同一断面多次爆破对支护结构的破坏。微台阶施工纵断面示意图如图2 所示。

图2 微台阶法纵断面示意图

4 快速掘进机械化配套技术研究

隧道在采用钻爆施工时，主要包含6 条作业线，即开挖、出碴、初支和二衬4 条主要作业线和防排水、通风2 条辅助作业线。主作业线因工序复杂，受施工环境影响，在每循环开挖中所占的时间比例很大，严重制约隧道的开挖效率，是隧道快速施工的重要影响因素。崤山隧道因工程量大、施工作业空间小、地质条件复杂多变等特点，各作业线的施工方法、施工效率直接影响隧道快速施工。

4.1 开挖作业线施工

隧道开挖作业线工作量较大，一般占隧道总工程量的25%～40%，对隧道施工进度和造价都有很大的影响，是隧道施工中的关键作业。开挖作业线一般包括测量放样、排险、设备就位（包括台车和泵）、风管连接、钻孔、装药、爆破。根据现场统计，钻孔是开挖作业线中耗时最大的一项，占整个作业线耗时的50%左右。具体耗时如图3 所示。

图3 开挖作业耗时比例图

在崤山隧道施工中，通过采用聚能水压光面爆破优化周边眼间距，大大减少钻眼时间，加快隧道开挖速度，同时通过科学配置开挖作业线机械化设备，提升开挖效率，崤山隧道开挖作业线机械化配套如表3 所示。

表3 开挖作业线机械配置表

4.2 出碴作业线机械化配套

在隧道施工中，将开挖的石渣迅速运送至洞外，保证掌子面其他工序正常进行，也是影响隧道快速施工的一项重要因素。据数据分析，出渣作业在整个开挖中，所占的时间约为40%～60%，因此，提高出渣运输能力也是快速化施工的重要内容。

根据无轨运输要求，结合单线隧道断面小的特点，通过装运设备动力性能、适应能力、经济性以及污染大小等配套原则，为崤山隧道进行出碴作业线机械化配套，如表4 所示。

表4 出碴作业线机械配置表

4.3 二衬作业线机械化配套

二衬作业线是隧道开挖中一条重要作业线，由于施工工艺要求，二次衬砌混凝土浇筑左右对称连续浇筑，混凝土浆液通过台车窗口入模，并通过振捣、养护等技术环节，最终形成具有一定强度的模筑混凝土二次衬砌。为解决隧道二次衬砌浇筑时振捣不密实、浇筑高度不易控制、浇筑时间长等问题，崤山隧道提供一种多窗口喂料台车装置，实现多窗口同时喂料，提高施工效率。

同时，为解决传统简易栈桥适应性、安全性、灵活性差且跨度小的问题，崤山隧道采用全液压履带式24m 长栈桥（图4），达到仰拱全幅运转一次性整体施工效果，减少施工干扰，增加施工效率。