单线铁路隧道快速施工组织与机械配套研究

史振狮，王百泉，林春刚，罗卫东，侯 烨

(1.中铁隧道局集团有限公司,广东 广州 511400; 2.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室,广东 广州 511400)

近年来,中国铁路建设发展迅速,截至2022年底,中国铁路营业里程达到15.5万km,其中投入运营的铁路隧道17 873座,总长达21 978 km,在建的高速铁路隧道多达1 804座,总长约4 033 km,相较2021年在建高速铁路隧道长度增加了18%[1-2],高速铁路隧道建设规模正在逐年增加。

为增强隧道施工的安全性,降低人工成本,单线铁路隧道的施工正逐步实现机械化[3]。为提高施工设备的工作效率并降低成本,机械配套时应当综合考虑施工隧道的长度以及地质情况,并采用与之相匹配的工法[4]。目前国内对于单线铁路隧道软弱围岩隧道的机械化配套研究较少,且采用台阶法作为开挖方法对围岩扰动次数多,机械化配套施工进度慢[5-7]。采用传统台阶法施工时,仰拱的开挖及其初期支护均作为独立工序存在,且一般不与掌子面开挖工序同步,即仰拱开挖滞后于下台阶开挖[8]。此外,对于小断面单线铁路隧道施工机械化配套技术及经济性研究较少,小断面隧道洞内各工序相互影响大,开挖工法对施工组织及设备配套影响大,设备配套组合的工效、安全性,以及人机料消耗量化指标仍需进一步研究。

目前,单线铁路隧道软弱围岩开挖存在以下问题：1)初期支护无法及时全断面封闭成环;2)安全步距的控制难以满足要求;3)仰拱开挖时围岩变形较大且易发生关门塌方事故等弊端仍长期存在;4)机械化配套程度低,效率低下。因此,在软弱围岩地段,开展快速施工组织与机械配套技术研究具有工程应用价值。

1 软弱围岩隧道两台阶带仰拱开挖快速封闭成环技术

在软弱围岩地段,采用微台阶带仰拱开挖快速封闭成环,具有以下明显的优势：1)下台阶同步开挖并及时封闭成环,可以大大缩短初支封闭位置到掌子面的距离,促进初支结构快速封闭成环;2)因仰拱无需单独开挖,减少了开挖次数,相应减少了多次开挖对围岩的扰动,对隧道施工变形的控制大为有利;3)仰拱与下台阶同步开挖,工序流程可大为简化,施工干扰减少,对循环时间及施工成本的控制也是有益的。

1.1 施工关键步骤

一般一次开挖进尺为1榀～2榀钢架长度,开挖台阶长度为5 m～6 m,上台阶台阶高度约为5.5 m～6.0 m,下台阶带仰拱高度约为4.0 m～4.5 m(如图1所示)。

1)快速封闭成环。初期支护钢架尽量紧跟掌子面,初期支护仰拱封闭成环紧跟下台阶,快速封闭成环,确保初期支护尽早整体受力,使扰动的围岩及早趋于稳定,两台阶法施工初支仰拱距掌子面距离按1倍洞径控制。

2)强化初支结构。采用湿喷工艺,提高初期支护混凝土的早期强度,使用大型湿喷机械手作业,湿喷机喷射量不小于30 m3/h。初期支护钢架采用工厂化集中加工的格栅钢架,确保初期支护质量。

3)及时回填洞碴形成连续工作面。仰拱初期支护封闭成环后,及时回填洞碴,形成连续作业面,确保后续工序及时快速跟进(见图2)。

1.2 施工工艺流程

两台阶带仰拱开挖快速封闭成环施工工艺流程如图3所示。

两台阶带仰拱开挖快速封闭成环施工区别于传统两台阶法主要在于：采用一次爆破、两次扒碴,一次喷射混凝土到位,下台阶带仰拱一次开挖支护,及时封闭成环。现将施工各工序之间平行作业空间规划叙述如下,详见图4—图9。

1)上、下台阶及仰拱一次性爆破后,挖机对上台阶进行扒碴作业,上台阶扒碴完毕后,挖机将简易台架及拱架、网片、锚杆、连接筋等材料运送至上台阶。

2)上台阶立拱、施作锚杆(管)、网片与超前支护,装载机配合自卸汽车出碴,仰拱栈桥不得移动以保证出碴汽车与运送材料的挖机通行。出碴时仰拱栈桥不得移动以保证出碴汽车与运送材料的挖机通行。

3)出碴结束后开始下台阶立拱、施作锚杆(管)与网片,同时人工配合挖机进行仰拱扒碴及清碴,这部分洞碴预留用作仰拱回填,仰拱扒碴结束后开始仰拱部位立拱与网片。

4)下台阶立拱、锚杆(管)与网片及仰拱立拱、网片施作完成后,湿喷机械手与混凝土罐车进入开始喷射初支混凝土,喷射初支混凝土时先喷射仰拱及下台阶,完成后进行仰拱虚碴回填,然后用挖机退出上台阶拱架,之后进行上台阶喷射混凝土。仰拱栈桥不得移动以保证湿喷机械手与混凝土罐车通行。

5)上、下台阶及仰拱初支混凝土施作完成后,湿喷机械手撤离,挖机清理上台阶回弹料,然后将简易台架运至上台阶,扒仰拱碴,上、下台阶及仰拱测量、钻孔。

6)钻孔完成后,上、下台阶及仰拱装药、连线,挖机将上台阶台架退出,一次性起爆。

1.3 台阶高度与长度研究

上台阶需要使用开挖台架进行钻孔爆破施工,需要确保施工的便利性,但上台阶的高度同时对掌子面的稳定性有一定影响;台阶长度的选择需综合考虑人员操作空间及机械的最大操作半径,但同时要有利于初期支护及早全断面封闭成环。因此对台阶开挖高度与台阶预留长度的研究对确定具体参数尤其重要。

初支结构受到的最大压应力基本不会随台阶长度的改变而改变,但初支所受最大拉应力会随上台阶长度的增加呈现出先减小后增大的趋势,且台阶长度大于7.5 m时初支承受的最大拉应力已经大于C25混凝土的抗拉强度设计值,结构可能被拉坏,当台阶长度控制在4.8 m～6.4 m之间时结构所受拉应力较小,故软岩铁路单线隧道台阶法(含仰拱)施工时台阶长度不宜过长,也不宜过短,控制在4.8 m～6.4 m之间比较合适。

1.3.1 考虑施工工效的台阶长度与高度选择

两台阶带仰拱一次开挖施工分开挖、立拱和喷混凝土三个阶段,开挖阶段时上下台阶同时布设炮眼。考虑在确定上台阶高度时实现上下台阶面积相当,这样可以实现上下台阶布设炮眼时能同步进行——即同时开始、同时结束。这样的好处在于可以充分利用人力资源,组织施工时也更便利,最终能达到缩短布设炮眼阶段用时、提高功效的目的。

1.3.2 考虑施工便利性的台阶高度与长度选择

两台阶带仰拱一次开挖施工方法主要适用于单线铁路Ⅳ级,Ⅴ级围岩隧道,其台阶高度与长度应充分考虑到机械及人工操作空间以及便利性,并结合具体施工方法,选择两台阶带仰拱施工的台阶长度与高度。

1)上台阶使用开挖台架。为保证挖掘机能在下台阶将开挖台架吊装到上台阶,开挖台架采用2个小型台架(3 m长左右)拼装使用,下台阶高度及上台阶长度应合理调整。下台阶不使用开挖台架,采用爬梯辅助作业,省去了烦琐的机械运输、吊装、定位、调整等作业,既操作简便,又减少机械、材料、人工的消耗,节约成本,其台阶高度不宜过高,应保证在无机械配合时作业的便捷性,建议在传统台阶法基础上适当减小下台阶高度。

2)上台阶长度的选择应综合考虑人员操作空间及机械的最大操作半径。上台阶爆破后挖掘机位于下台阶,将上台阶的碴土扒至下台阶,上台阶长度太大会使挖掘机的操作半径受到影响,增加其移动距离、就位次数,影响扒碴效率;另外,上台阶立拱时需要由挖掘机将拱架、网片、连接筋等材料与设备运送至上台阶,上台阶距离太短则会影响材料、设备的安放及人员的操作。

综合考虑简易台架安放、人员操作空间及机械的最大操作半径,上台阶长度控制在5 m～6 m,上台阶使用开挖简易台架,下台阶不使用开挖台架,其台阶高度不宜过高,应保证在无机械配合时作业的便捷性,因而上台阶高度控制在5.5 m～6 m为宜。

2 单线铁路隧道施工机械配套研究

机械配套是隧道施工中的关键,随着我国隧道施工技术的不断发展、施工机械性能的不断提升,机械化施工凭借其高效率、高安全性、低人工成本的特性被更加广泛地应用于各种隧道工程中。

单线铁路隧道由于空间狭小,工程施工的过程中各工序互相影响程度严重,平行作业难度高,极大地降低了隧道开挖的效率。工程施工中单线铁路隧道目前普遍采用扩大断面、加长避车洞及横通道等方式解决交通错车和生产组织难题,给施工成本带来极大浪费。同时在机械化施工快速发展的背景下,相比双线铁路隧道设备配套和施工,单线铁路隧道快速施工组织与机械化配套水平相对滞后。主要存在隧道内各工序配套机械设备的系统匹配,地质复杂性和机械设备的技术适应性,投资概算、设计理念、施工工艺、施工组织对机械化配套与作业效率匹配性,工程作业模式与管理体制机制等问题,严重影响了施工效率和施工质量。

2.1 机械配套原则

隧道施工机械化能够提高施工效率,减少作业人员的投入,减轻作业人员的劳动强度,保障施工安全,其优越性无可厚非。但如何才能在隧道施工中适当投入设备,合理控制设备投入的规模,合理有效地进行机械化配套,是隧道施工机械化配套的关键。

结合隧道施工机械化配套的实施情况,本文总结出的单线铁路隧道机械化配套中各作业线应遵循的设备选型原则如下：

1)因地制宜原则。隧道施工机械化配套方案选择应根据隧道的地质条件、自然环境、施工环境等实际情况进行,不能片面追求单方面的指标而进行设备配套方案选择,只有正确选择设备配套方案,才能达到项目施工机械化的效率、社会和经济效益。

2)经济适用原则。铁路隧道施工机械化配套中选用的设备应满足经济适用性原则。对于配套到各作业线的设备,应以满足施工需要为出发点,在保证安全、经济、快速的条件下,选择合适的设备进行施工。投入设备的规格和能力应与实际需要相接近或偏大,保证足够的富余量以满足需要。选用设备应以功能适用为原则,以通用设备为主,专用设备根据需要选择;设备配置以现有为主。

3)统一性原则。a.设备选型统一：同一隧道工程场地宜采用同一企业生产的同一系列产品,便于在修理技术、备件储存、技术力量保证上能够统一。b.能力配套统一：对隧道施工各作业线的生产能力,应以开挖作业线的生产能力为基础进行设备配套。按照施工机械化配套整体推进原则,各作业线设备的生产能力应大于预计生产能力的1.2倍～1.5倍。c.协调统一原则：各作业线间设备的协调统一,各作业线设备之间不相互影响,能同时或者在各工序间平行作业,作业线设备有相对空间通过性;同一作业线设备间的协调统一,同一作业线间设备在作业空间、外形尺寸、生产能力、作业方式、外部辅助设施等方面进行考虑配套,保证作业设备能正常发挥作用。

4)技术先进性原则。隧道施工机械化水平是铁路施工机械化施工水平的一个重要体现,在隧道施工中的设备,应体现国内先进水平,充分体现在隧道施工中采用新技术、新材料、新工艺。选用的设备应符合国家强制标准,采用的技术应是先进的。

5)动态性原则。隧道施工是动态性施工,其设备的配置应动态进行,不应一蹴而就。隧道施工设备配置的方案在实施过程中应随着隧道施工的进展而从数量及设备种类上进行动态调整,保持设备配置与施工进度、安全、质量的需求相吻合,防止设备过剩或者不足而影响施工成本。

6)节能环保原则。隧道施工设备大多能耗大,其选用设备的节能环保效果直接影响到隧道施工作业人员的职业健康及隧道内与周边的环境。选择设备应选择能耗低、排放合理的设备。特别是内燃设备的选型上,更应考虑其能耗和排放,除需要满足国家对设备的排放和能耗的强制性标准外,还应从对作业人员在隧道内的施工及隧道施工中其他设备的影响方面进行考虑。

2.2 设备配套

施工时一般选用以凿岩台车、多功能地质钻机、多功能作业台架、风动凿岩机、挖装机、装载机、湿喷混凝土机械手、湿喷机、注浆设备、衬砌模板台车、自卸汽车运输机械等为主要特征的机械设备配套,组成超前支护、开挖、装运、仰拱、衬砌等机械化作业线,严格机械设备管、用、养、修制度,科学管理,达到快速施工的目的。

1)超前支护作业线：采用两臂凿岩台车和多功能地质钻机进行超前支护。

2)开挖作业线：采用两臂凿岩台车、风动凿岩机、多功能作业台架进行开挖施工作业。

3)支护作业线：采用湿喷机械手、钢拱架拼装机、风动凿岩机、多功能作业台架等进行支护作业。

4)装运作业线：采用挖装机及装载机装碴,自卸汽车无轨运输。

5)仰拱作业线：仰拱、填充采取全幅分段施工,利用液压移动栈桥上跨仰拱施工段,确保洞内运输通畅,组合钢模立模、泵送混凝土机浇筑仰拱衬砌。

6)防水衬砌作业线：防水板采用铺设台车施作,洞外设混凝土自动计量拌合站生产混凝土,采用液压模板台车衬砌,混凝土运输车运输,泵送入模,附属洞室采用组合模板施工。

以某工程为例,机械化配套配置情况如表1所示。

3 应用实例

为验证软弱围岩隧道两台阶带仰拱开挖快速封闭成环技术及其机械配套方法在实际工程中对施工效率的影响,本小节依托蒙华铁路中条山隧道工程进行了试验。中条山隧道进口位于运城市盐湖区解州镇,设计为双洞单线隧道。隧道一般段线间距设计为35 m,隧道最大埋深约840 m,隧道左线长18 405 m,右线长18 410 m。隧道设计为“人”字坡,进口端14.6 km为上坡,出口端3.8 km为下坡,设5座斜井,1座平导。设辅助坑道5座,平导1座。线路平面示意图见图10。

中条山隧道进口穿越F2中条山北麓大断裂,走向NE-NEE,倾向NW,倾角58°～75°,为高角度正断层。岩体破碎,碎石角砾状,无胶结或弱胶结。

3.1 施工设备机具及人员配套

针对开挖隧道具体特点,施工现场设备配置按符合机械化配套方案要求,并执行机械设备管、用、养、修制度,科学管理,以求达到快速施工的目的。结合依托工程现场试验情况,台阶法带仰拱一次开挖推荐配置KC30混凝土喷射机械手、小松装载机、现代R225LC-7挖掘机、自卸汽车等先进设备,设备配置详见表2。

表1 正洞机械设备配置表(一级配套)

表2 设备配置表

下台阶带仰拱一次开挖各工序施工人员配置如表3所示。

表3 一次开挖单工作面人员配置表

3.2 施工工效

依托工程现场施工经验,综合考虑快速施工的进度要求、空间布置及围岩条件,从开挖支护作业线到混凝土衬砌作业线大部分按机械化配置进行,开挖作业线采用风钻、挖掘机、装载机、空压机等,喷混凝土作业采用湿喷机械手。设备配置按初支≥开挖的原则配置,确保初支的快速封闭(见图11)。

开挖作业线采用一台全站仪测量、风钻钻孔、人工装药作业,尽量减少对隧道围岩的扰动,减少配套设备的投入,节约能源。

锚喷支护作业线,由于施工进度快,喷射混凝土作业必须紧跟,才能做到及时封闭开挖作业面;为加快施工速度,锚喷支护作业线根据现场实际采用湿喷机械手进行,机械手喷射能力达到20 m3/h以上。湿喷机械手见图12,格栅钢架见图13。

装碴运碴作业：采用履带式挖掘机进行装碴,自卸汽车运碴。

下台阶与仰拱一次开挖工序单次循环时间为720 min,采用保守统计数据(统计数据中已含误工时间),每天进度为：24/12×1.6=3.2 m,则月进尺为：3.2×30×(1-10%)=86.4 m～96 m,考虑不可控因素按10%计。相较于传统工序(月进尺70 m～75 m),施工效率提升了约26%。

3.3 小结

1)两台阶带仰拱一次开挖施工台阶长度与高度的设置原则：上台阶长度宜控制在5 m～6 m范围能使结构处于较好的受力状态,且便于人员与机械的操作。同时将上台阶高度与隧道开挖总高度的比值控制在50%～65%之间,实际高度在5.5 m～6 m之间,能够满足结构受力的安全性,隧道变形控制效果较好,且机械操作方便。当隧道在Ⅴ级围岩内遇到掌子面出水量较大的情况时,上台阶高度宜在范围内取大值。

2)仰拱早高强混凝土强度要求：根据依托工程施工情况,通过仰拱初支结构承载力计算,得出仰拱喷射混凝土2 h最低强度不得低于0.2 MPa,方能满足仰拱与下台阶一次开挖支护施工要求。

3)通过对比试验研究了早高强仰拱喷射混凝土的施工工艺和强度保护措施,总结来说就是：确保原材料供应及混凝土质量;加强施工工序工艺控制,保证一定的混凝土搅拌时间,减少混凝土运输放置时间,加强混凝土喷射工艺控制;合理组织施工,减少施工干扰等。

4)两台阶带仰拱一次开挖施工时,上、下台阶带仰拱同步钻孔、装药,同步起爆,挖机位于下台阶扒上台阶石碴,形成作业空间后将简易台架运送至上台阶执行后续的立拱工序,同时进行下台阶及仰拱扒碴、出碴,然后下台阶各部依次立拱支护。

5)根据依托工程现场施工经验,设备配套应根据隧道现场实际情况,综合考虑快速施工的进度要求、空间及围岩条件,开挖支护作业线大部分按机械化配置进行,开挖作业线采用风钻、挖掘机、装载机、空压机等,喷射混凝土作业采用湿喷机械手等先进设备。设备配置按初支能力不低于开挖的原则配置。

4 结语

本文针对单线铁路隧道软弱围岩施工困难效率低下的问题,提出了一种软弱围岩隧道两台阶带仰拱开挖快速封闭成环技术并研究了其施工机械配套方法。两台阶带仰拱开挖快速封闭成环技术具有初支结构封闭成环快、围岩的扰动小、循环时间短、施工成本低等特点。将该方法在蒙华铁路中条山隧道进行了实际应用,结果表明采用该方法12 h即可完成一个循环,月进尺为86.4 m～96 m,对比传统施工方法其效率提升约26%。