壁板坡特長隧道平導快速施工技術(shù)

閆明超，曾　鵬，楊新安，何知思

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣州韶關(guān)　512031;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上?！?01804)

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壁板坡特長隧道平導快速施工技術(shù)

閆明超1，曾鵬1，楊新安2，何知思2

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣州韶關(guān)512031;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804)

摘要：壁板坡隧道是國內(nèi)在建高鐵特長隧道之一，為滬昆客專全線控制性工程。平導作為輔助坑道，在保證施工安全、控制工期和快速貫通等方面具有重要作用。壁板坡隧道平導全長14 717 m，獨頭掘進長度大、開挖工作面小、地質(zhì)條件復雜、通風距離長，施工難度高等，為高風險隧道工程。根據(jù)壁板坡隧道平導快速施工的成功經(jīng)驗，總結(jié)出適用于長大隧道平導快速掘進的施工組織方案、超前地質(zhì)預報措施、機械化作業(yè)配套方法和施工標準化管理方法。壁板坡隧道平導提前6個月貫通，創(chuàng)造了我國特長鐵路隧道平導單口掘進長度8 000 m的新紀錄。

關(guān)鍵詞：鐵路特長隧道；貫通平導；快速掘進；機械配套；施工通風

1工程概況

壁板坡特長隧道位于滬昆客專滇黔兩省交界處，為滬昆高鐵全線最長的隧道和重點控制性工程。平導為壁板坡隧道的主要輔助坑道，全長14 717 m，設置在正洞左側(cè)，按單車道加錯車道形式設計。平導采用進口、出口雙口掘進，單口獨頭掘進距離達8 000 m，平導計劃工期為48個月。通過橫通道實現(xiàn)多工作面快速施工，是保障隧道按期建成的關(guān)鍵。

壁板坡隧道平導作為正洞施工的輔助坑道，其超前掘進可為正洞施工提供超前地質(zhì)探測的作用，也能夠為多工作面施工提供條件，在加快施工進度和合理調(diào)度整個隧道施工中具有非常重要的作用，其對整個隧道修建的作用和意義主要有4點：(1)超前探明地質(zhì)，對正洞施工起到超前地質(zhì)預報的作用；(2)形成貫通的巷道式通風系統(tǒng)，平導作為新鮮空氣吸入風道，平導與正洞間布設軸流式風機壓入通風，污風由正洞排出，根本改善整個隧道的施工通風條件；(3)平導通過聯(lián)絡通道至左、右線，開辟新的工作面，實現(xiàn)多工作面同時施工；(4)解決正洞排水問題，正洞涌水、滲流水引向平導，提前釋放隧道周圍巖層水壓，消除突水涌泥的危險。除此之外，平導快速貫通還利于出砟、進料和事故救援[1-5]。

平導快速施工的意義重大，有巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。本文總結(jié)了壁板坡隧道平導快速施工的成功經(jīng)驗，從施工組織方案、超前地質(zhì)預報措施、機械化作業(yè)配套方法，施工標準化管理等方面進行分析，為長大隧道平導獨頭掘進與快速施工提供成套技術(shù)和經(jīng)驗。

2工程特點與施工方案

2.1平導工程特點

壁板坡隧道地處云貴高原及邊緣過渡地帶，先后多次穿越斷層、巖層接觸帶、高壓富水區(qū)、煤層采空區(qū)、高地應力等不良地質(zhì)區(qū)段，洞身最大埋深為735 m，施工難度極大、安全風險極高。

壁板坡隧道平導地質(zhì)條件復雜，洞身穿越地層為C1y～T1yn1，巖性以灰?guī)r、白云巖、玄武巖和泥質(zhì)白云巖為主，Ⅱ級圍巖3 190 m，Ⅲ級圍巖2 835 m，Ⅳ級圍巖4 850 m，Ⅴ級圍巖3 881 m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占全隧的59.2%。穿越的斷層主要有楊梅山-小達村斷層、大羅沖斷層、發(fā)伍多-東鋪斷層、迤后所-羊洞斷層等。預計隧道正常涌水量為93 800 m3/d，雨季洪水期最大涌水量為320 600 m3/d。平導集高承壓水、巖溶、斷層破碎帶、煤層瓦斯、高地應力、巖爆等不良地質(zhì)于一體，施工難度和安全風險極大，工期緊張?？傊?，該平導工程具有地質(zhì)與水文地質(zhì)條件復雜、獨頭掘進距離長等特點，是高風險隧道工程。

2.2平導施工方案

平導施工配備具有豐富施工經(jīng)驗的項目管理人員與施工隊伍，采用配套且先進的大型施工機械，按無軌運輸方式組織施工，遵循“預報超前、動態(tài)變更”的原則。

平導開挖除局部圍巖較差的區(qū)段采用臺階法施工外，其余區(qū)段均采用全斷面法施工，斷面積為35～41 m2。根據(jù)同類工程施工經(jīng)驗及現(xiàn)場施工條件，采用三班制作業(yè)，每個班組開挖工人安排13人，立架及打錨桿為同一班人，底板混凝土立模澆筑4人，以減少工序交接時間。

壁板坡隧道的前期施工中，將主要力量集中于平導施工。正洞只開設進口正洞、2號橫通道、3號橫通道，工作面少，通風壓力較小，平導進尺短，運輸距離短。平導采用1臺日本礦研RPD-150C超前地質(zhì)鉆機進行地質(zhì)預探預報，1臺日產(chǎn)WA380輪式裝載機裝砟，6臺15 t自卸汽車出砟，1臺日產(chǎn)PC130小型挖機進行扒斷面及底砟，采用SIKA PM500-PC混凝土噴射機組噴漿作業(yè)，配置3臺LUY280D式移動式螺桿空壓機供平導開挖作業(yè)。

壁板坡隧道的后期施工中，隨著正洞工作面的增加，運輸距離增長，通風壓力增大，為減小裝砟機械產(chǎn)生的廢氣，平導出砟采用德國產(chǎn)ITC312電動扒砟機，裝載機用于推送開挖平臺，以減少尾氣排放，確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量合格。由于平導運輸距離變長，運輸時間增加，經(jīng)現(xiàn)場測試后采用10臺出砟車出砟。

3快速施工技術(shù)

3.1綜合超前地質(zhì)預報

本隧道平導施工中，成立專業(yè)的地質(zhì)超前預測預報組，配備專職地質(zhì)工程師及地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員，加強超前地質(zhì)預報。采用TSP203地震波法、地質(zhì)雷達、紅外探水儀、超前水平鉆孔和加深炮孔等多種超前地質(zhì)預報方法(圖1)，相互驗證，通過中長短綜合超前地質(zhì)預報手段實現(xiàn)預報結(jié)果的準確性與可靠性。

圖1　多種方法相結(jié)合的超前地質(zhì)預報

隧道平導在施工過程中，根據(jù)超前地質(zhì)預報結(jié)果，掌握掘進前方一定范圍圍巖條件、地層地質(zhì)條件，提前進行施工組織與安排。對特殊巖土與不良地質(zhì)區(qū)段，根據(jù)預報結(jié)果并結(jié)合國內(nèi)外長大隧道施工中處理不良地質(zhì)問題的經(jīng)驗，制定可靠的處理措施，確保安全順利通過不良地質(zhì)段，確保施工安全，實現(xiàn)平導連續(xù)、快速掘進。壁板坡隧道平導施工中所用的超前地質(zhì)預報方法及其適用條件如表1所示。

不同的超前地質(zhì)預報方法有不同的適用范圍，壁板坡隧道施工過程中采用綜合超前地質(zhì)預報方法，結(jié)合TSP的長距離探測，地質(zhì)雷達、紅外探水的短距離探測以及超前地質(zhì)鉆的驗證，組成合理有效的超前地質(zhì)探測預報體系，在避免施工風險和安全施工中發(fā)揮了重要作用。

表1　隧道超前地質(zhì)預報方法及其優(yōu)缺點

3.2機械配套

施工中，做到施工人員、機械設備、材料、運輸車輛等的充足供應，保障快速施工所需的各種資源配置和要求，合理資源調(diào)配。鉆爆法施工的特點是將隧道施工劃分為鉆眼、爆破、出砟、初期支護等工序，壁板坡隧道平導施工中，施工機械提前進行調(diào)配，保證在一道工序完成時，施工機械已到位，從而實現(xiàn)無縫銜接，縮短機具調(diào)配消耗時間，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)循環(huán)[6-11]。

為保障隧道平導快速施工，投入大量資金購置國內(nèi)外先進施工機械，并優(yōu)先配置性能良好、數(shù)量充足的通風、出砟、噴漿等配套設備，平導施工主要機械設備如表2所示。這些機械配置相對國內(nèi)通常施工機械配置來講，是超強的，例如Sika噴漿機械手系統(tǒng)、ITC312大功率電動扒砟機等。

表2　平導主要施工機械設備　臺(套)

注：超前水平地質(zhì)鉆、TSP地質(zhì)預報儀及地質(zhì)雷達為全隧共用儀器；鉆眼、出砟及支護為平導作業(yè)面的設備配置。

裝砟和運輸是隧道施工中的重要工序，占整個掘進循環(huán)作業(yè)時間的35%～50%，控制著隧道施工速度。提高裝砟與運輸?shù)男适羌涌焖淼朗┕みM度的關(guān)鍵，尤其是長大隧道施工，為此，隧道平導采用無軌裝運方式進行施工，準備功率足夠的裝砟機械和運輸車輛，即前期采用挖掘機配合裝載機裝砟、后期采用扒砟機開挖出砟。由于平導斷面較小，利用ITC-312電動裝砟機裝砟，不受隧道斷面限制，裝砟速度快，見圖2。平導出砟時，多輛自卸汽車在作業(yè)現(xiàn)場等候，做到出砟連續(xù)作業(yè)，縮短出砟時間，保證每循環(huán)出砟時間控制在2.5 h以內(nèi)。洞內(nèi)設置會車道，減少相互干擾。平導施工中，初期支護采用了先進的Sika噴漿機械手系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)快速作業(yè)，如圖3所示，既減少了作業(yè)人員，又提高了作業(yè)效率，保證了噴射混凝土質(zhì)量，每循環(huán)噴射時間為2 h。

圖2　ITC-312扒砟機現(xiàn)場作業(yè)

圖3　Sika機械手濕噴系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)

壁板坡隧道平導施工中，通過橫通道在正洞開辟新的工作面，實現(xiàn)平導與正洞多個工作面平行施工。這必然導致機械和操作人員調(diào)配緊張，且由于平導與正洞工作面的作業(yè)條件差異較大，為保證各工作面的正常、均衡施工，在做好機械調(diào)配的同時，讓操作人員明確工作日的工作任務，在優(yōu)先保證平導施工有充足的機械資源前提下，調(diào)整各正洞工作面的施工進度。

3.3施工通風及防塵

壁板坡隧道在1號橫通道貫通前采用壓入式通風，1號橫通道貫通后采用巷道式通風。隧道采取綜合防塵技術(shù)，放炮后和出砟作業(yè)中噴霧灑水，隧道掘進采用濕式鉆孔和濕噴混凝土作業(yè)。加強設備維修管理，減少尾氣排放，達到綜合防塵效果。配置風速儀、粉塵儀和有害氣體檢測儀等對洞內(nèi)通風與空氣質(zhì)量進行檢測，確保洞內(nèi)空氣質(zhì)量達標[12]。

在隧道平導施工過程中，為改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量，部分區(qū)段爆破作業(yè)采用了水壓爆破，減少爆破后空氣中的粉塵含量。水壓爆破在操作上相對于常規(guī)爆破僅改變炮眼裝藥結(jié)構(gòu)和減少裝藥量，裝藥時將事先加工好的炮泥及水袋按照設計的裝藥結(jié)構(gòu)分次序裝入，然后用炮泥堵塞，然后起爆。

通過對平導水壓爆破與常規(guī)爆破后粉塵濃度的監(jiān)測對比(表3)，可見，水壓爆破產(chǎn)生的粉塵大幅度降低。

表3　不同爆破掘進方式產(chǎn)生粉塵含量

3.4防排水措施

壁板坡隧道平導施工防排水按“以疏為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的原則，對于巖溶地段主要采取以下防排水技術(shù)措施。

(1)經(jīng)超前地質(zhì)預報確認巖溶發(fā)育，巖層破碎、地下水發(fā)育，可能發(fā)生涌水、突水或巖體結(jié)構(gòu)性能軟弱，開挖后極可能導致工作面失穩(wěn)誘發(fā)突水、突泥的區(qū)段，采取超前帷幕注漿方式對周邊巖體進行加固，達到止水的目的。

(2)利用平行導坑右側(cè)設置的排水溝將溶洞積水或暗河水排走。

(3)當不能排水，或由于溶洞規(guī)模大且溶洞填充物為含水量較大的巖溶泥時采用封堵的方法。當溶洞在隧道底部時采用旋噴樁加固，在邊墻及拱部時采用注漿、管棚等，形成堵水墻和防水帷幕。

(4)對于停止發(fā)育、跨徑較小，且無水的中、小型溶洞，根據(jù)其與隧道相交的位置及其填充情況，采用干砌片石、漿砌片石或低等級混凝土進行填充。

3.5監(jiān)控量測

平導施工過程中嚴格按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》中的要求實施。通過監(jiān)控量測，為判斷圍巖穩(wěn)定性，支護、襯砌可靠性以及修改施工方法、調(diào)整圍巖級別、變更支護設計參數(shù)提供可靠依據(jù)，指導日常施工管理，確保施工安全和質(zhì)量。

平導施工中，PDK979+080～PDK979+125段原設計為灰?guī)r夾泥質(zhì)巖，弱風化，采用平導Ⅳ級B型錨噴襯砌。當工作面掘進至PDK979+103時，工作面揭示圍巖為頁巖，巖質(zhì)松軟，圍巖自穩(wěn)性較差。現(xiàn)場施工監(jiān)測PDK979+094～PDK979+098段右側(cè)邊墻變形量達到105 mm，且PDK979+095左側(cè)邊墻位置有股狀地下水流出。為保證施工安全，在PDK979+093～+099段設置I22a型鋼臨時支撐，待監(jiān)測變形趨于穩(wěn)定后，采用φ42 mm錨管對該段初期支護變形處進行徑向注漿加固，徑向注漿完成并達到強度后，對變形的初期支護鋼架進行跳槽拆換。并將前方PDK979+103～PDK979+125段圍巖級別由Ⅳ級變?yōu)棰跫?，采用平導Ⅴ級B型單車道錨噴襯砌，按臺階法施工。

4施工標準化管理

壁板坡隧道平導與正洞施工中工作面多、通道多，平行交叉作業(yè)時的機械設備種類與數(shù)量多，施工組織與管理非常復雜。為改善作業(yè)環(huán)境，提高工作效率，采用標準化管理模式，科學組織，不斷優(yōu)化施組，強抓過程控制，落實節(jié)點貫通目標。

(1)施工專業(yè)化

為保障隧道平導快速施工，采用專業(yè)化施工隊伍，機構(gòu)設置按照標準化管理的要求設置項目部、工區(qū)項目部、架子隊三級管理組織。統(tǒng)一組織理論和實踐培訓，配備施工經(jīng)驗豐富的管理及技術(shù)人員，組成施工精英團隊，加強平導施工技術(shù)力量以及軟實力。

(2)生產(chǎn)工廠化

在壁板坡隧道洞口附近設置一個結(jié)構(gòu)加工廠，集中加固，保證加工質(zhì)量和進度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)加工的工廠化。

隧道正洞及平導共用一個拌和站，實現(xiàn)拌和站工廠化生產(chǎn)。拌和站建設綜合考慮施工生產(chǎn)情況，合理劃分辦公生活區(qū)、拌和作業(yè)區(qū)、材料計量區(qū)、材料庫及運輸車輛停放區(qū)等。采用封閉式管理，站內(nèi)設置工地試驗室。材料堆放區(qū)、拌和區(qū)、作業(yè)區(qū)分開或隔離。配備自動計量的拌和系統(tǒng)，使用罐裝水泥和粉煤灰。每個配料系統(tǒng)滿足二級以上碎石的級配要求。

(3)管理信息化

平導在施工中建立信息化管理系統(tǒng)，采集施工過程中的數(shù)據(jù)，并通過信息化手段(夢龍、飛信、視頻監(jiān)控和電子文檔)傳遞信息，及時掌握施工現(xiàn)場情況。同時配備相應的終端硬件設備，納入業(yè)主統(tǒng)一接口，接受業(yè)主統(tǒng)一管理。

5結(jié)語

通過精心組織和科學施工，平導進、出口相向掘進連續(xù)6個月實現(xiàn)月平均進尺500 m以上，出口創(chuàng)下單口月掘進336 m的全線最快紀錄。隧道平導于2014年6月5日，提前6個月順利實現(xiàn)貫通，貫通后，整個隧道的通風條件根本改善，此外，還可以增加正洞作業(yè)面，加快施工進度，為該隧道正洞貫通以及滬昆客專長昆段按期開通運營創(chuàng)造了條件。

壁板坡隧道平導采用了：(1)超前地質(zhì)預報與指導施工根據(jù)圍巖變化，及時變更設計，采用合理開挖方法；(2)超強機械化作業(yè)配置，利用ITC-312電動裝砟機裝砟，實現(xiàn)連續(xù)快速出砟及機械手噴射混凝土，實現(xiàn)工序無縫銜接；(3)保障洞內(nèi)良好通風及排水，部分區(qū)段采用水壓爆破降低粉塵含量。實現(xiàn)了高效快速施工， 達到了為隧道正洞增加工作面、出砟運輸、通風和排水的目的， 對保證隧道左、右線的施工工期起到了重要作用，并創(chuàng)造了我國特長鐵路隧道平導單口掘進長度8 000 m的新記錄。

壁板坡隧道平導施工采用了施工專業(yè)化、生產(chǎn)工廠化、管理信息化的標準化管理模式，為復雜條件下特長隧道平導施工實踐了新的管理模式。

壁板坡隧道平導施工所采用的綜合技術(shù)和標準化管理方法代表了國內(nèi)長距離隧道獨頭掘進的領(lǐng)先水平，并為長大隧道平導獨頭掘進與快速施工提供了成套技術(shù)和經(jīng)驗。

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Technologies in Rapid Construction of Parallel Drift of Bibanpo Super-long Tunnel

YANG Ming-chao1， ZENG Peng1， YANG Xin-an2， HE Zhi-si2

(1.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group， Shaoguan 512031; 2.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract：Bibanpo tunnel is one of the control projects of the Shanghai-Kunming dedicated passenger line， and the longest tunnel under construction on dedicated passenger line in China. Parallel drift is the auxiliary tunnel of Bibanpo tunnel， it has important role in ensuring construction safety， control time and fast run-through of the tunnel. The parallel drift is 14 717 m long. The long distance of single head tunneling， small working face， complex geological conditions and long distance ventilation have made it a high-risk project. The experiences in fast construction of the parallel drift with respect to construction organization plan， advanced geological forecast method， mechanical operation method and standard construction management are summarized. The parallel drift is finished six months ahead of the schedule， making a new record in parallel drift of railway tunnel with single excavating distance of 8 000 m.

Key words：Super-long railway tunnel; Parallel drift; Rapid excavation; Mechanization configuration; Tunneling ventilation

文章編號：1004-2954(2016)05-0112-04

收稿日期：2015-07-28； 修回日期：2015-09-14

基金項目：中鐵五局集團科技研究開發(fā)計劃課題(2012005)

作者簡介：閆明超(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西安建筑科技大學工程管理專業(yè)，E-mail：yanmchao@gmail.com。

中圖分類號：U455

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.024