東非地區(qū)單線鐵路隧道設(shè)備選型及交通組織研究

袁 凱

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州）

引言

隨著現(xiàn)代高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展，單線鐵路隧道越來越少，但在海外項目，考慮到當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸需求和經(jīng)濟(jì)條件，單線鐵路隧道需求還是比較充足的[1-2]。海外隧道設(shè)備資源匱乏，做好施工設(shè)備選型和交通組織安排尤為重要。隧洞的設(shè)備配置與圍巖類別、開挖方式、作業(yè)凈空、工期要求、掘進(jìn)長度、運(yùn)輸距離、通風(fēng)條件等密切相關(guān)，其沒有固定模式，應(yīng)具體分析、綜合考慮、靈活選用，合理設(shè)計機(jī)械配置、配套，進(jìn)而減少投入，提高設(shè)備綜合利用率，保證施工進(jìn)度、安全，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益[3]。本文以“一帶一路”項目肯尼亞內(nèi)馬鐵路一期恩貢山隧道施工為例，研究單線隧道施工設(shè)備配置和交通組織，以期為海外地區(qū)類似項目提供相關(guān)經(jīng)驗和參考。

1 隧道概況

肯尼亞內(nèi)馬鐵路一期恩貢山隧道起始里程為DK34+826-DK39+324，全長4 498 m，最小埋深2 m，最大埋深100 m，開挖平均斷面面積68.12 m2，為單線復(fù)合式襯砌隧道。洞身圍巖以火山灰粗面巖為主，巖體較為破碎，表面氣孔豐富，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體整體強(qiáng)度較低。詳見圖1。

圖1 肯尼亞恩貢山隧道Ⅵ級圍巖斷面

2 單線隧道設(shè)備選型

2.1 開挖設(shè)備

隧道開挖常規(guī)方法為鑿巖臺車和人工鉆爆。鑿巖臺車優(yōu)點在于鉆孔作業(yè)快，缺點則是成本高，作業(yè)空間要求大；人工開挖優(yōu)點在于施工靈活，成本較低，缺點則是成孔速度慢[4]。恩貢山隧道Ⅲ級和Ⅳ級圍巖占比大，是決定隧道施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素。不同開挖方法效率比對見表1，資源配置和經(jīng)濟(jì)效益比對見表2和表3。

表1 液壓鑿巖臺車與人工成孔效率比對

表2 液壓鑿巖臺車與人工開挖資源配置比對

表3 液壓鑿巖臺車與人工開挖經(jīng)濟(jì)效益比對

從表1 可以看出，液壓鑿巖臺車開挖時間主要節(jié)省在鉆孔階段，機(jī)械成孔、清孔效率明顯較人工高。但在裝藥和爆破階段，液壓鑿巖臺車效率受作業(yè)臂和施工人員數(shù)量影響，存在一定的劣勢，且隧道開挖面場地平整度較差，臺車相對人工開挖耗時較長。液壓鑿巖臺車在施工超前小導(dǎo)管和徑向錨桿等超前措施時更易操作。開挖效率及安全性上，鑿巖臺車更好。

從表2 和表3 可以看出，液壓鑿巖臺車在施工人員配置和工期上具有優(yōu)勢；但設(shè)備采購和技術(shù)服務(wù)，人工開挖成本相對較低。在非洲片區(qū)，隧道設(shè)備技術(shù)服務(wù)基本可以忽略，除非項目配備專業(yè)維護(hù)技術(shù)人員，否則設(shè)備使用率難以保證，可能造成掌子面停工。而人工開挖設(shè)備維護(hù)簡單，施工培訓(xùn)相對容易，非洲人工成本相對低，即使工期相對較長，但總成本仍然可控。

2.2 出碴設(shè)備

快速出碴的關(guān)鍵是合理選擇裝運(yùn)設(shè)備，且運(yùn)輸機(jī)械能力不得低于挖裝機(jī)械能力的1.2 倍。掌子面與仰拱安全步距按35 m 考慮，爆破后石碴散落范圍主要集中在掌子面10 m 范圍內(nèi)，開挖臺架長度為6 m，出碴設(shè)備在出碴過程中可活動的范圍約19 m。設(shè)備選型應(yīng)綜合考慮機(jī)械寬度和施工性能。

（1） 自卸汽車選型。通過設(shè)備尺寸和供應(yīng)商比選，8 m3和20 m3兩種自卸汽車更適合單線隧道出碴作業(yè)。采用全斷面法開挖時，每循環(huán)進(jìn)尺洞碴量在230 m3～277 m3。20 m3自卸車裝碴車數(shù)在16～19 車。每車裝車時間約10 min，當(dāng)運(yùn)距小于2 km 時，建議選用3 輛20 m3自卸汽車；當(dāng)運(yùn)距大于2 km 時，建議選用4 輛20 m3自卸汽車。

采用三臺階預(yù)留核心土法開挖時，每臺階進(jìn)尺洞碴量在18 m3～20 m3。預(yù)留核心土法掌子面作業(yè)空間狹小，采用8 m3自卸車進(jìn)行出碴作業(yè)，每循環(huán)裝運(yùn)車次為3 車，每車裝車時間約15 min。當(dāng)運(yùn)距小于2 km時，建議選用2 輛8 m3自卸汽車；當(dāng)運(yùn)距大于2 km時，建議選用3 輛8 m3自卸汽車。

出碴過程中，應(yīng)根據(jù)隧道累計進(jìn)洞長度和圍巖變化，做好自卸車數(shù)量的動態(tài)調(diào)整，同時預(yù)留一定數(shù)量自卸車備用，或與路基等其它工序做好聯(lián)動，合理利用資源。

（2） 裝載機(jī)選型。單線隧道全斷面開挖時宜選用50 型側(cè)翻裝載機(jī)；臺階法施工時，考慮到預(yù)留核心土，40 型裝載機(jī)更好。選用1 臺50 型裝載機(jī)和1 臺40 型裝載機(jī)進(jìn)行組合，交替使用，不僅可以提高出碴效率，也能滿足洞內(nèi)物資轉(zhuǎn)移需求。

（3） 挖掘機(jī)選型。單線隧道掌子面開挖高度在9.0 m～9.4 m，開挖寬度在7.3 m～8.1 m，掌子面開挖完成后，如果有欠挖現(xiàn)象，則需要進(jìn)行破碎處理。小松210 型挖機(jī)最大挖掘高度為9.8 m，最大挖掘半徑9.4 m，能滿足洞內(nèi)相關(guān)作業(yè)需求。在圍巖強(qiáng)度高時需額外配置1 臺160 型破碎機(jī)進(jìn)行協(xié)助，避免頻繁更換破碎頭，降低開挖施工效率。

2.3 初期支護(hù)設(shè)備

（1） 混凝土濕噴設(shè)備。單線隧道全斷面法開挖每循環(huán)初支噴射砼量約12 m3，濕噴臺車每小時噴射砼量約20 m3，每循環(huán)耗時0.6 h，而臺階法開挖每循環(huán)噴射砼耗時僅0.15 h。濕噴臺車相比于普通濕噴機(jī)在噴射效率和質(zhì)量上具有顯著優(yōu)勢，但大量時間浪費在移機(jī)和擺位上，對單線隧道施工作業(yè)是一種資源浪費，且還需專業(yè)人員維護(hù)，不確定風(fēng)險高；普通濕噴機(jī)維修保養(yǎng)簡單，采購成本低，可配置多臺備用，對單線隧道而言更具有優(yōu)勢。

（2） 注漿設(shè)備。噴射砼完成后，需對組合錨桿、鎖腳錨管、超前小導(dǎo)管和其它預(yù)加固措施等進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿液體一般為水泥凈漿和水泥砂漿等，注漿壓力為0.5 Mpa～2 Mpa。根據(jù)設(shè)備比選和市場反應(yīng)情況，耿力GZJB 液壓注漿設(shè)備可實現(xiàn)單液或雙液注漿使用，并配備流量計，實時記錄每次注漿數(shù)量，滿足單線隧道注漿需求。

2.4 襯砌設(shè)備

（1） 仰拱棧橋。單線隧道仰拱鋼棧橋可采用4根I40 型鋼拼接組成，工字鋼中心間距0.4 m，棧橋全長15 m，兩端斜坡長1.5 m，中間主跨12 m。主跨部分每隔1 m 布設(shè)一道I40 橫梁加強(qiáng)整體連接，主跨上敷設(shè)5 mm 厚鋼板，鋼板上每間隔10 cm 加設(shè)一道Φ20 螺紋鋼筋，增大汽車行駛抗滑力。

（2） 仰拱模板及小邊墻模板。仰拱模采用9 m整體弧形鋼模，模板應(yīng)考慮中埋橡膠止水帶預(yù)留槽。仰拱和填充模板應(yīng)配置2 套，用一留一，方便施工過程中交替使用和維護(hù)。

（3） 二次襯砌設(shè)備。二襯選擇9.1 m 整體式門架臺車，相鄰二襯澆筑時搭接10 cm。臺車門架通行寬度應(yīng)能保證開挖支護(hù)和混凝土運(yùn)輸設(shè)備等的通行。二襯臺車設(shè)計應(yīng)預(yù)留錨段和風(fēng)機(jī)段改裝空間，以便快速施工特殊段落。二襯混凝土澆筑配置1 臺HBT60型地泵，該地泵的理論澆筑量為60 m3/h。

2.5 通風(fēng)設(shè)備

隧道施工通風(fēng)布置應(yīng)依據(jù)隧道的施工長度、斷面大小、施工方法和設(shè)備條件等綜合確定[5]。隧道III 級圍巖一次爆破產(chǎn)生的有毒有害氣體和粉塵量最大，依據(jù)《高速鐵路隧道施工技術(shù)指南》鐵建設(shè)（210）241 號，18.2.3-1 公式計算，排除炮煙所需風(fēng)量為549.2 m3/min，洞內(nèi)最大作業(yè)人數(shù)約45 人，所需風(fēng)量為216.0 m3/min。采用2 臺110 KW 軸流式變頻通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量為Q=900～1 500 m3/min，能滿足通風(fēng)需求。

2.6 逃生布置

軟弱圍巖破碎段應(yīng)鋪設(shè)逃生管道，管道從距離掌子面10 m 位置逐段鋪設(shè)至二襯工作面，逃生管道在仰拱段應(yīng)掛設(shè)。逃生管道內(nèi)預(yù)留逃生繩或軟爬梯，在開挖工作面設(shè)置應(yīng)急物資箱，逃生管道上方設(shè)置救生管。逃生管道直徑不應(yīng)小于800 mm，管道連接優(yōu)先采用套管。設(shè)置的逃生管道應(yīng)做好安全保護(hù)措施，嚴(yán)禁施工作業(yè)中碰撞和隨意拆除。每班作業(yè)前必須檢查逃生管道狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)一處應(yīng)急搶險救援站，長期儲備應(yīng)急救援物質(zhì)。

3 施工交通組織

單線隧道施工空間狹窄，所有工序都集中在洞內(nèi)掌子面附近，保持隧道內(nèi)交通運(yùn)輸通暢，確定嚴(yán)格的錯車規(guī)則，做到每臺設(shè)備有固定停放點和行走路線，施工交通組織規(guī)劃和研究尤為重要。避車洞出碴會車示意見圖2。

圖2 避車洞出碴會車示意

3.1 洞內(nèi)錯車技術(shù)措施

隧道設(shè)計每間隔150 m 有1 處大避車洞，左右錯開。為降低隧道內(nèi)錯車時長和安全風(fēng)險，加快出碴效率，對原設(shè)計大避車洞尺寸進(jìn)行調(diào)整，寬度增加2 m，高度增加0.5 m，深度增加3 m，大避車洞前后兩模仰拱矮邊墻、二襯暫不施工，同時利用加寬帶、風(fēng)機(jī)段等地段進(jìn)行會車。隧道內(nèi)大避車洞室襯砌待所有二襯施工完成后再返回逐一澆筑。預(yù)留錯車洞數(shù)量，應(yīng)滿足混凝土罐車、自卸車等施工車輛的掉頭和錯車，同時滿足裝載機(jī)、挖機(jī)等施工機(jī)械的停放，確保隧道施工作業(yè)連續(xù)。

3.2 交通組織管理

（1） 出碴作業(yè)時，在掌子面裝碴區(qū)和避車洞調(diào)頭區(qū)各配置1 名專職指揮人員，相互協(xié)調(diào)溝通，確保掌子面不超過2 輛車，1 輛車裝碴，1 輛車等待。掌子面車輛裝碴完成后應(yīng)及時通知掉頭區(qū)指揮人員，要求其他車輛在避車洞內(nèi)避讓，出碴車離開后及時組織空車倒入掌子面等候，確保出碴連續(xù)性。

（2） 掌子面滿足停放兩輛車時，一輛裝碴，一輛停放在裝載機(jī)后面等待，縮短倒車時間。

（3） 掌子面噴漿和二襯交叉作業(yè)時，根據(jù)洞內(nèi)車輛停放數(shù)量及不同工序快慢進(jìn)行優(yōu)先放行。

4 結(jié)論

（1） 在東非地區(qū)，受當(dāng)?shù)丶夹g(shù)生產(chǎn)環(huán)境影響，選擇隧道施工設(shè)備時不僅要考慮前期投入成本及功效，還需考慮后期的可持續(xù)生產(chǎn)條件。

（2） 在隧道設(shè)備選擇時，應(yīng)盡量降低設(shè)備功效的富余浪費，對于單線隧道而言，普通濕噴機(jī)和人工鉆爆法更為經(jīng)濟(jì)合理。

（3） 依據(jù)設(shè)計和實際施工條件，合理調(diào)整避車洞尺寸，優(yōu)化工序安排，確立與隧道設(shè)備配置相匹配的交通組織設(shè)計，可以為隧道快速施工打下良好基礎(chǔ)。

（4） 單線隧道施工作業(yè)空間是制約設(shè)備選擇的最主要因素，設(shè)備尺寸是否符合空間要求，并行施工設(shè)備是否會相互影響工作效率，施工工序安排對隧道交通的影響等均是設(shè)備配置需要考慮的。