鐵路單線小斷面隧道施工技術(shù)

刁操金

中鐵十局集團(tuán)第五工程有限公司 江蘇 蘇州 215000

隧道施工過程中受地形、地勢影響較大，而在特長隧道施工中，為縮短工期，節(jié)約成本需通過新工藝、新技術(shù)來達(dá)到效果。目前我國地方所投入應(yīng)用的隧道中，大部分以鉆爆法施工，如金臺線林家岙隧道、興泉線金井隧道、樂清灣線樂成隧道、紅巖隧道等。后期地方會繼續(xù)修建地方貨運鐵路，因此，小斷面隧道施工技術(shù)顯得特別重要。

小斷面隧道爆破、出渣施工技術(shù)，國內(nèi)部分專家學(xué)者開展了相應(yīng)研究。已有文獻(xiàn)中多是對光面爆破、出渣的介紹，而對其出渣方法及隔孔裝雷管的的研究較少。

本文以紅巖隧道為依托，分析單線隧道出渣、隔孔裝雷管的施工技術(shù)，并且采用現(xiàn)場實際試驗，就小斷面隧道出渣和隔孔裝雷管節(jié)約成本分析探討。

1 工程概況

紅巖隧道進(jìn)口位于永嘉縣蘆田村北側(cè)，穿越紅巖山頭，出口位于永嘉縣馬岙村。隧道進(jìn)口附近有楠溪江，有水泥道路，交通便利；出口附近有鄉(xiāng)村公路，交通較便利；但隧道中部位于剝蝕低山區(qū)，有鄉(xiāng)村水泥路、碎石路到斜井口附近。進(jìn)口軌面標(biāo)高20.871m，出口軌面標(biāo)高42.789m，隧道最大埋深430m。紅巖隧道訖起里程為DK15+960～DK22+609，隧道中心里程DK19+284.5，全長6.649km，為單線隧道，其中II級圍巖4915m，III級圍巖1010m，本隧道路面最大寬度6m，有效使用距離5m凈高7.2m，斷面為60m2。

2 施工方案

2.1 出渣方案選擇

隧道施工各個環(huán)節(jié)緊密相連，一個工序往往對另一個工序有很大的影響。因此，怎樣對各工序進(jìn)行合理的安排，減小各工序相互間的影響對隧道施工至關(guān)重要。（見圖1）

圖1 洞內(nèi)出渣示意圖

紅巖隧道是單線貨運鐵路，主要以II、III級圍巖為主。II級圍巖主要施工循環(huán)：開挖爆破--出渣--噴漿。以上工序中，出渣受外界因素影響較大，如何縮短出渣時間直接影響著隧道施工的進(jìn)度。

II級圍巖開挖斷面凈寬只有6m,二襯凈寬僅有5m.而裝載機寬度3m,出渣車寬2.8m，施工中無法滿足錯車所需要的凈寬。

1)為此需對開挖斷面進(jìn)行加寬：為了滿足裝載機和出渣車可以并排施工，對邊墻一邊加寬50cm.加長距離10m，高度3m，加寬后開挖斷面凈寬為6.6m，這樣出渣車就可以和裝載機并排出渣。

2)單線隧道內(nèi)出渣車只能單向行駛，無法進(jìn)行錯車，導(dǎo)致車輛只能在起點等待另一輛車出去后才能倒入掌子面進(jìn)行裝渣。對此情況設(shè)計500m預(yù)留一處錯車帶，錯車道長度15m，寬度7.5m，來減少倒車距離。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，減少倒車等待時間，減少裝載機等待時間，需要增加調(diào)頭區(qū)。

3)本隧道設(shè)計250m有一處綜合洞或其它電力通訊洞室，洞室設(shè)計斷面20m2，為此隧道內(nèi)盡量減少倒車每500m將綜合洞室擴大一處，擴大至能容下20t出渣車調(diào)頭即可。這樣裝載機在出渣的時候，一輛在掌子面裝車，第二輛在最近調(diào)頭帶等待，第三輛在遠(yuǎn)離第二個調(diào)頭帶等待。這樣形成了一套完整的出渣通道，車輛進(jìn)入隧道直接正向行駛進(jìn)隧道，不用倒入延誤時間，又減少了裝載機等待時間，加快了出渣速度。

除了出渣對施工進(jìn)度影響外，別的施工工序也制約著隧道施工進(jìn)度。隧道施工要保證循環(huán)、可持續(xù)的施工。我們在掌子面開挖的同時也要保證仰拱、二襯施工。那怎么樣在保障仰拱二襯施工的同時保證對開挖不造成或者減小影響，這就需要現(xiàn)場進(jìn)行合理的安排，在保證二襯施工的同時協(xié)調(diào)好別的工序。

2.2 立體幾何應(yīng)用在斜井轉(zhuǎn)正洞處施工技術(shù)

1）斜井轉(zhuǎn)正洞拱部順接爆破施工，在沒有“面”的情況下以“線”控制，每次放樣將邊線及中線放樣完成，針對每處每平米放樣超欠挖側(cè)向布眼。在CAD中繪制三維立體圖，將三維立體圖中斷面輪廓線轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)。精確計算，將拱部10個炮眼深度，角度全部計算出來，然后利用臺架拉橫桿帶線控制鉆進(jìn)角度，斜井進(jìn)入正洞后根據(jù)正洞與斜井拱頂高差2.45m,以36°角向上打眼，水平進(jìn)尺3m，炮眼深度3.72m后到正洞開挖輪廓線，主要炮孔角度數(shù)據(jù)見表1，炮眼布置見圖2。

表1 炮孔深度角度統(tǒng)計表

圖2 拱部帶線掏槽示意圖

2）主要技術(shù)要點如下：

（1）對進(jìn)入正洞拱頂爬坡剩余“三角帶”，待進(jìn)入正洞距離能夠容納風(fēng)槍距離時，沿設(shè)計開挖輪廓進(jìn)行反向打眼，根據(jù)光面爆破原則每45cm布置一排炮眼，外輪廓炮眼通長布置到起坡點20cm，沿三角斜面分層布眼，保證炮眼底部在同一平面，減少爆破后超欠挖現(xiàn)場。

（2）拱部10個炮眼深度，角度全部計算出來，采用光面爆破中掏槽眼的布置形式楔形布眼，視作只爆破掏槽眼，然后周邊欠挖部分根據(jù)光面爆破原則視作只爆破周邊眼原則進(jìn)行布眼爆破。將光面爆破每種布眼的方式進(jìn)行分解利用。

（3）現(xiàn)場采用拉線對鉆桿方向角度進(jìn)行定位，確保深度、角度達(dá)到設(shè)計要求。

（4）隧道施工光面爆破施工中，無法達(dá)到一次性爆破完成的情況下，預(yù)留周邊眼與內(nèi)圈眼的間距的巖層厚度，視作分段爆破，最后只爆破周邊眼來設(shè)置，嚴(yán)格控制裝藥量和間距，控制周邊眼間距，保證交叉段光爆質(zhì)量，由于欠挖較少很難補炮，即邊墻預(yù)留30cm，留作補炮。開始對欠挖邊墻及拱部開始貼皮修補，每1m對斷面進(jìn)行放樣，側(cè)面補炮修整輪廓。

2.3 利用導(dǎo)爆索隔孔裝雷管施工技術(shù)

隧道光面爆破中一般周邊眼都需安裝導(dǎo)爆索來提高光爆效果，以往每個周邊眼均需安裝導(dǎo)爆索和雷管，根據(jù)理論計算每根雷管至少可以同時起爆2kg炸藥（10支），一般情況下在進(jìn)尺3m情況下周邊眼裝藥量不會超過5支，以紅巖隧道為例，II級圍巖下每次進(jìn)尺3m，周邊眼裝藥量3支每孔，一圈周邊眼50個。

1)周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)采用間隔不耦合裝藥。

2)導(dǎo)爆索同時裝入，孔外預(yù)留50cm，留作連接。

3)在一孔內(nèi)安裝一發(fā)雷管。

4)每兩個孔連接導(dǎo)爆索。

2.4 陀螺儀在隧道應(yīng)用施工技術(shù)

施工進(jìn)度的加快，不單是縮短工序銜接時間，各個工序時間也成為要點。施工測量也是其中之一。

本隧道每個施工段由設(shè)計院制作點之記交予我單位，經(jīng)單位測量工程師對整個控制網(wǎng)進(jìn)行布置加密。

進(jìn)入洞內(nèi)采用閉合導(dǎo)線作洞內(nèi)控制網(wǎng)，因北岙斜井經(jīng)過兩個50m半徑急彎進(jìn)入正洞，進(jìn)洞導(dǎo)線控制邊僅僅有45m，斜井為540m的長下坡，斜井?dāng)嗝鎸挾容^窄，設(shè)置交錯點位。角度過大與過小站數(shù)較多，誤差較大。

在正洞施工400m時，經(jīng)過精密全站儀TM50，測設(shè)站達(dá)到21站，在各種因素都達(dá)到最高值得影響下，多次測出同點位角度不一，相差較大。對測量得信心造成極大得影響，經(jīng)分析，兩組短邊控制下，誤差加大，若直接在洞內(nèi)測得一組導(dǎo)線邊數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可得出之前測得得數(shù)據(jù)得精確性。于是利用地鐵領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常使用的陀螺測北儀在洞內(nèi)制作一組導(dǎo)線邊，測得跟原數(shù)據(jù)誤差1.5cm，及時調(diào)整開挖中線。

在主洞掘進(jìn)1200m時，再次利用陀螺測北儀復(fù)核導(dǎo)線邊。首先由設(shè)計院點之際點位測出方位角，與設(shè)計院給予的方位角進(jìn)行比對進(jìn)入洞內(nèi)測設(shè)已經(jīng)利用閉合導(dǎo)線計算出的導(dǎo)線邊，與之比對。經(jīng)比對，原閉和導(dǎo)線的方位角與陀螺測北儀測出的方位角相差3秒，導(dǎo)線邊長270m，原導(dǎo)線邊可用，坐標(biāo)維持原坐標(biāo)。

3 結(jié)論

單線鐵路隧道開挖斷面小，工藝復(fù)雜，施工難。[1]本文依托紅巖隧道為背景，分析了單線隧道出渣、斜井進(jìn)入正洞施工方法、裝藥方式的調(diào)整、引進(jìn)新技術(shù)的方法，來達(dá)到節(jié)約成本的目的。

1）單線隧道出渣將原設(shè)計錯車道優(yōu)化，分解成若干小錯車道，利用加大綜合洞或其它附屬洞室作為調(diào)頭區(qū)域，盡量縮短裝載機等待時間，加快了出渣效率，也減少了做襯砌臺車費用。

2）斜井轉(zhuǎn)正洞施工是整個隧道施工的一個難點，而且隧道施工II級圍巖斜井轉(zhuǎn)正洞超欠挖控制為重點，在沒有“面”的情況下以“線”控制，每次放樣將邊線及中線放樣完成，按照“點”“線”“面”針對每處每平米放樣超欠挖側(cè)向布眼，確保確保施工質(zhì)量。

斜井轉(zhuǎn)正洞利用隧道光面爆破結(jié)合立體幾何，利用立體幾何對斜井轉(zhuǎn)正洞位置進(jìn)行計算，將交叉點明確，來保證施工結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性。[2]根據(jù)幾何計算，結(jié)合光面爆破炮眼布置方式來確保交叉段施工質(zhì)量。因光面爆破在實際運用中欠挖低于10cm時補炮又會造成超挖，所以隧道施工光面爆破施工中，無法達(dá)到一次性爆破完成的情況下，預(yù)留周邊眼與內(nèi)圈眼的間距的巖層厚度，視作分段爆破，最后只爆破周邊眼來設(shè)置，也就是將光面爆破炮眼布置分解，分解的炮眼位置及爆破方式與立體幾何相結(jié)合，再嚴(yán)格控制裝藥量和間距，控制周邊眼間距，保證交叉段光爆質(zhì)量。

斜井轉(zhuǎn)正洞炮眼的布置，利用立體幾何進(jìn)行定位，找出點的位置，然后將每個點連接形成線，針對線進(jìn)行鉆孔，鉆孔時又利用光面爆破知識周邊眼分段爆破；將線連接形成面，找到掌子面的準(zhǔn)備位置，再根據(jù)現(xiàn)場實際情況與理論計算相結(jié)合，減少了盲目爆破帶來的超欠挖和工序的延誤時間，加快了轉(zhuǎn)正洞速度[3]。

3）光面爆破中周邊眼利用導(dǎo)爆索及隔孔裝雷管的方式連接周邊眼內(nèi)炸藥，周邊眼等于2個眼共用一發(fā)雷管，每循環(huán)節(jié)約20發(fā)雷管。

4）對于高差大，半徑小，長度長的隧道測量方法引進(jìn)地鐵的測量方法，采用軍用陀螺測北儀，將洞外已知邊，直接轉(zhuǎn)移到洞內(nèi)，減少了全站儀因測站較多視距短引起的誤差，同時可以利用一個洞口的已知邊，同時做三條洞內(nèi)已知邊來控制洞內(nèi)中線，將貫通誤差降到最低。