单线铁路隧道钻爆法快速施工技术研究

谢永福 杨方林 赵宗波 解振乙 李洲

第一作者简介：谢永福（1987-），男，工程师。研究方向为隧道工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.042

摘  要：为实现单线铁路隧道钻爆法快速施工，该文以贤昌隧道为工程背景，通过工程调研和现场实践，从工装配套、施工工法和施工交通组织3方面进行优化探索，实现施工进度的大幅提高。实际效果表明，工装配套设计需要从实际工程特点出发，适用性好的配套工装可以大幅提高施工进度，保证施工质量，同时降低施工成本；在保证施工安全前提下对施工工法进行优化，利于专用设备作业，同时保证工序快速衔接；从全局考虑附属设施功能需求，可结合施工阶段需求对洞室进行调整。该文所得研究成果可为后续类似工程提供借鉴经验。

关键词：单线铁路隧道；钻爆法施工；快速施工；工法优化；施工交通组织

中图分类号：TU9         文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0181-04

Abstract： In order to realize the rapid construction of single-track railway tunnel by drilling and blasting， this paper takes Xianchang tunnel as the engineering background， through engineering investigation and field practice， carries on the optimization exploration from three aspects： tooling， construction method and construction traffic organization. The construction progress has been greatly improved. The actual results show that the matching design of tooling needs to proceed from the characteristics of the actual project， and the matching tooling with good applicability can greatly improve the construction progress， ensure the construction quality and reduce the construction cost at the same time; the optimization of the construction method under the premise of ensuring construction safety is conducive to the operation of special equipment， while ensuring the rapid connection of working procedures; considering the functional requirements of ancillary facilities as a whole， the cavern can be adjusted according to the needs of the construction stage. The research results of this paper can provide reference experience for follow-up similar projects.

Keywords： single-track railway tunnel; drilling and blasting construction; rapid construction; construction method optimization; construction traffic organization

單线铁路隧道中采用钻爆法施工时，既受限于小断面隧道施工空间对大型高效施工设备运用的约束，以及施工工序相互干扰大，也受限于钻爆法本身工艺特征决定的施工过程中机械化程度往往相对较低，人力需求相对较大，从而导致施工进度缓慢，施工效益水平低下。

针对上述问题，在提高单线铁路隧道钻爆法施工效率方面，隧道相关从业人员在从提高钻爆法施工机械化程度，优化施工工法和改善施工交通组织方面进行了很多针对性研究[1-5]。在提高钻爆法施工机械化程度方面，王飞阳等[6]将机械化配套分为I型、II型和常规机械化配套3种类型；王耀等[7]总结了高海拔隧道施工机械配套的基本原则；吴梦军等[8]提出山岭隧道机械化发展方向主要为信息化、智能化、成套化和装配化；王梦恕等[9]建立了以四臂门架式凿岩台车、扒装机和重轨重载运输为主要方式的快速施工方法；万姜林等[10]提出了钻爆法施工中的装运、初期支护和衬砌施作是提高机械化程度的3个主要方面。在工法优化和施工交通改善方面，刘全贵等[11]以何家湾隧道为背景，对施工交通组织优化和仰拱施作进行了研究；谢文清等[12]以连云山隧道为背景，从工装配套、工艺工法优化和改善施工交通组织3方面对单线隧道快速施工技术进行了研究。上述研究在提高单线铁路隧道快速施工水平上均做出了卓有成效的成果，但新结构、新装备和新技术在不断发展，需要在新的技术基础背景下对提高单线铁路隧道施工效率上进行新的探索。

为进一步提高单线铁路隧道施工效率，本文以贤昌隧道为工程背景，通过工程调研和现场实践，从工装配套、施工工法和施工交通组织3方面进行优化探索，拟为今后类似工况隧道设计和施工提供一定参考。

1  工程概况

1.1  地质概况

贤昌隧道属翁马铁路南北延长线马场坪至都匀段，位于黔东南麻江县贤昌镇贤昌村附近，全长5 759 m，隧道最大埋深为250.6 m，为单线铁路隧道，设计时速为120 km/h。隧道穿越地层主要包括灰岩、燧石结核灰岩、硅质岩、页岩及煤层等，穿越不良地质构造主要为断层带，包括都匀断层、平山断层、马鞍山断层、长坡断层和大坪断层，隧道洞身段整体工程地质及水文地质条件复杂。

1.2  总体施工方案

贤昌隧道整体施工依据“短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则，明洞段及洞口段采用明挖法施工，洞身段采用钻爆法施工，洞身段围岩包含Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，其中Ⅲ级围岩段采用全断面法开挖，Ⅳ级围岩段采用台阶法开挖，Ⅴ级围岩段采用台阶法配合临时仰拱开挖。隧道标准开挖断面宽度约6.5 m，高度约8.0 m，隧道衬砌结构如图1所示。隧道施工采用无轨运输，二次衬砌采用整体模板台车。

1.3  工程重难点

贤昌隧道为典型的单线铁路隧道，施工断面小，洞内施工作业空间有限，各工序之间相互干扰大，同时单向掘进距离长，另外传统钻爆法施工机械化程度低，施工进度缓慢，因此，施工组织及运输协调是本隧道快速施工的重难点。

2  工装配套设计

合理的施工装备配套既可以有效提高施工机械化程度，进而提高施工效率，保证施工质量，同时减少各工序之间的相互干扰，加强洞内通行能力，是实现隧道快速施工的关键。

2.1  洞身开挖工装配套

采用钻爆法开挖时，掌子面部位长时工序主要包括爆前钻孔和爆后石渣清运。

爆前钻孔常用设备包括气动凿岩机及配套的空压机组，其中气动凿岩机多为单人或双人操作，需要一定作业空间。气动凿岩机数量与开挖面大小有关，当采用全断面开挖时，气动凿岩机数量以15～18台为宜，配套空压机组需满足60～80 m3/min出气量；当采用台阶法开挖时，气动凿岩机数量以10～12台为宜，配套空压机组需满足40～60 m3/min出气量，具体设备配置见表1。表1  洞身开挖工装配套

爆后石渣清运中，运输载具是关键装备，需要综合考虑载具功效及洞内交通压力，根据贤昌隧道开挖断面面积，采用车轮间距约为3 m的装载机及车轮间距约为3 m的自卸车，未采用小断面隧道专用的小型机械设备。

2.2  初期支护施工工装配套

初期支护施工主要包括锚杆安装、钢架铺装及喷射混凝土。施工所用设备及数量见表2。

锚杆安装中钻孔过程是主要长时工序，结合作业空间特点，采用手持式气腿凿岩机，以利用其钻孔速度快、重量轻、搬运方便及操作简单的优点，同时配备空压机组。当采用全断面开挖时，手持式气腿凿岩机数量以8～10台为宜，配套空压机组需满足40～50 m3/min出气量。

钢架铺设过程，基于小断面隧道单节/單段钢架长度较小，重量较轻，同时考虑洞交通压力，放弃采用钢架铺设专用机，采用更为灵活的人工铺设。

喷射混凝土采用湿喷机械手，喷射能力宜大于15 m3/h，相较于干喷机，湿喷机施作混凝土质量强度离散性低、回弹量较少，整体功效较高。初期支护施工设备配置见表2。

表2  初期支护施工工装配套表

2.3  仰拱及填充层施工工装配套

仰拱及填充层施工中关键设备主要为栈桥。目前常见栈桥长度分别为12 m短栈桥和24 m长栈桥，长栈桥相较于短栈桥单次组装和定位时间长，但综合单次浇筑有效长度，长栈桥平均日进尺约比短栈桥长约1～2 m，且配置人数少1～2人。12 m短栈桥与24 m长栈桥具体工效对比见表3，由表3可以看出，24 m长栈桥综合工效高于12 m短栈桥，同时考虑采用栈桥施工时，栈桥长度对洞内交通影响区别不大，因此，本隧道采用24 m长栈桥施工。

表3  12 m短栈桥与24 m长栈桥工效对比

2.4  防排水施工工装配套

防排水施工主要包括基面处理、土工布铺挂和防水板铺挂3个工序，其中基面处理多为人工处理，而土工布铺挂和防水板铺挂已有相关装备。本项目施工前期采用人工方式进行土工布铺挂和防水板铺挂，后期采用自动铺挂台车。采用自动铺挂台车进行土工布和防水板铺挂施工时间相较于传统人工方式时长缩短3.5 h，缩短近50%时长。土工布和防水板铺挂采用定长和定宽，综合考虑铺挂难度、单次铺挂长度、时间及人员配备人数，最终确定土工布和防水板定宽为12 m。防排水施工设备配置见表4。

表4  防排水施工工装配套

2.5  衬砌施工工装配套

传统普通衬砌台车多是门字型框架结构，其缺点在于当对门架进行丝杠固定支撑时，丝杠支撑需在地面上凿出锚固点，此时占用内部通行空间，因此，在单线铁路隧道衬砌施工中采用传统普通衬砌台车会严重占用洞内空间，影响洞内交通。另外，传统普通衬砌台车安装和固定过程中丝杠数量多，人工作用耗时费力。本项目借鉴和对比无门框衬砌台车成功案例，认为小断面隧道衬砌施工中采用无门框台车具有明显优势，本项目设计并使用了新型无门框台车，采用销轴传力方式最大程度上减少对台车内部交通空间的占用，解决工程车辆通行问题。

3  施工工法优化

施工工法的优化是指在保证施工安全的前提下对施工过程中工序衔接或合并进行调整，减少或简化施工过程，从而达到快速施工的目的。

3.1  隧底一次性开挖

贤昌隧道设计开挖工法主要包括全断面法和台阶法，为减少开挖工序，在工程调研和现场监控量测数据分析的基础上提出在全断面法开挖中拱墙和仰拱一次性全开挖以及在台阶法开挖中下台阶与仰拱一次性全开挖，统称为隧底一次性开挖。隧底一次性开挖既减少了开挖工序，同时避免仰拱爆破开挖时对上部铺设的风水管路产生影响。

3.2  工装适配台阶高度和长度

目前，在台阶法施工中上台阶高度无明确规范，多以工程类比或通过现场量测数据反分析确定。上台阶开挖高度通常为4.5～5.0 m，同时单线铁路隧道上部窄，因此，常见装载机或交通车辆无法在上台阶快速或顺畅通行。为尽可能为交通车辆或施工装备提供足够的通行空间，通过对前期隧道监控量测数据进行分析，在保证施工安全的基础上将上台阶开挖高度调整为7 m。

台阶长度的优化同样考虑在保证施工安全的前提下尽可能保证施工设备的空间需求。过长的台阶长度导致初期支护长期无法闭合，带来施工安全隐患，而过短的台阶长度不满足施工设備空间要求。在本项目中采用湿喷机械手进行初期支护喷射混凝土施作，需要混凝土搅拌车进行配合，此时对台阶长度需求最大。经过现场调研和测算，当台阶长度大于13 m时，可满足湿喷机械手和混凝土运输车同时作业，考虑施工安全，台阶长度不宜大于20 m，因此，本项目中台阶长度按13～20 m控制。

4  施工交通组织优化

施工交通组织优化主要参考浩吉铁路连云山隧道施工中将避车洞变更为综合洞室的做法，其本质在于增加洞内空间，将最大倒车距离缩短至200 m，减少倒车距离和时间，降低错车难度，从而提高施工效率。本项目原有避车洞变更为大小避车洞沿隧道纵向间隔布置，2个避车洞之间缩短至25 m，如图2所示，很大程度上减少了错车和倒车的时间和难度，便利施工交通，提高施工效率。

5  结论

针对单线铁路隧道钻爆法快速施工问题，本文通过工程调研及现场实践，从工装配套、工法优化和施工交通组织优化3个方面进行探索，得到以下结论和建议。

1）通过对配套工装、施工工法和施工交通组织的优化，本项目中III级围岩段落中平均每月进尺最大可达160 m，IV级围岩段平均每月进尺可达110 m，相较于优化前施工进度综合提高约30%。

2）概念上的专用设备或配套设备需根据实践或考虑实际制约因素进行适用性验证，如本项目未采用专用小型隧道石渣专用车辆，而是采用常见通用运输车辆；积极采用新型有效的设备可优化施工组织思路和方案，如本项目所提到的土工布和防水板自动铺挂台车以及新型无门框台车。

3）在进行施工工法优化时，要根据隧址实际地层情况以及现场监控量测数据进行验证，不可仅从施工进度或工效角度出发。

4）洞内空间是制约洞内施工交通和施工效率的控制性因素，因此结合附属结构设置方案和功能要求，对其进行空间位置优化以为施工阶段的施工交通提供便利，提高施工效率，如项目对避车洞的变更，为施工交通提供便利。

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