單線鐵路隧道快速施工組織與機械配套研究

史振獅，王百泉，林春剛，羅衛(wèi)東，侯 燁

(1.中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511400; 2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 511400)

近年來,中國鐵路建設(shè)發(fā)展迅速,截至2022年底,中國鐵路營業(yè)里程達到15.5萬km,其中投入運營的鐵路隧道17 873座,總長達21 978 km,在建的高速鐵路隧道多達1 804座,總長約4 033 km,相較2021年在建高速鐵路隧道長度增加了18%[1-2],高速鐵路隧道建設(shè)規(guī)模正在逐年增加。

為增強隧道施工的安全性,降低人工成本,單線鐵路隧道的施工正逐步實現(xiàn)機械化[3]。為提高施工設(shè)備的工作效率并降低成本,機械配套時應(yīng)當(dāng)綜合考慮施工隧道的長度以及地質(zhì)情況,并采用與之相匹配的工法[4]。目前國內(nèi)對于單線鐵路隧道軟弱圍巖隧道的機械化配套研究較少,且采用臺階法作為開挖方法對圍巖擾動次數(shù)多,機械化配套施工進度慢[5-7]。采用傳統(tǒng)臺階法施工時,仰拱的開挖及其初期支護均作為獨立工序存在,且一般不與掌子面開挖工序同步,即仰拱開挖滯后于下臺階開挖[8]。此外,對于小斷面單線鐵路隧道施工機械化配套技術(shù)及經(jīng)濟性研究較少,小斷面隧道洞內(nèi)各工序相互影響大,開挖工法對施工組織及設(shè)備配套影響大,設(shè)備配套組合的工效、安全性,以及人機料消耗量化指標(biāo)仍需進一步研究。

目前,單線鐵路隧道軟弱圍巖開挖存在以下問題：1)初期支護無法及時全斷面封閉成環(huán);2)安全步距的控制難以滿足要求;3)仰拱開挖時圍巖變形較大且易發(fā)生關(guān)門塌方事故等弊端仍長期存在;4)機械化配套程度低,效率低下。因此,在軟弱圍巖地段,開展快速施工組織與機械配套技術(shù)研究具有工程應(yīng)用價值。

1 軟弱圍巖隧道兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)技術(shù)

在軟弱圍巖地段,采用微臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán),具有以下明顯的優(yōu)勢：1)下臺階同步開挖并及時封閉成環(huán),可以大大縮短初支封閉位置到掌子面的距離,促進初支結(jié)構(gòu)快速封閉成環(huán);2)因仰拱無需單獨開挖,減少了開挖次數(shù),相應(yīng)減少了多次開挖對圍巖的擾動,對隧道施工變形的控制大為有利;3)仰拱與下臺階同步開挖,工序流程可大為簡化,施工干擾減少,對循環(huán)時間及施工成本的控制也是有益的。

1.1 施工關(guān)鍵步驟

一般一次開挖進尺為1榀～2榀鋼架長度,開挖臺階長度為5 m～6 m,上臺階臺階高度約為5.5 m～6.0 m,下臺階帶仰拱高度約為4.0 m～4.5 m(如圖1所示)。

1)快速封閉成環(huán)。初期支護鋼架盡量緊跟掌子面,初期支護仰拱封閉成環(huán)緊跟下臺階,快速封閉成環(huán),確保初期支護盡早整體受力,使擾動的圍巖及早趨于穩(wěn)定,兩臺階法施工初支仰拱距掌子面距離按1倍洞徑控制。

2)強化初支結(jié)構(gòu)。采用濕噴工藝,提高初期支護混凝土的早期強度,使用大型濕噴機械手作業(yè),濕噴機噴射量不小于30 m3/h。初期支護鋼架采用工廠化集中加工的格柵鋼架,確保初期支護質(zhì)量。

3)及時回填洞碴形成連續(xù)工作面。仰拱初期支護封閉成環(huán)后,及時回填洞碴,形成連續(xù)作業(yè)面,確保后續(xù)工序及時快速跟進(見圖2)。

1.2 施工工藝流程

兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)施工工藝流程如圖3所示。

兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)施工區(qū)別于傳統(tǒng)兩臺階法主要在于：采用一次爆破、兩次扒碴,一次噴射混凝土到位,下臺階帶仰拱一次開挖支護,及時封閉成環(huán)?，F(xiàn)將施工各工序之間平行作業(yè)空間規(guī)劃敘述如下,詳見圖4—圖9。

1)上、下臺階及仰拱一次性爆破后,挖機對上臺階進行扒碴作業(yè),上臺階扒碴完畢后,挖機將簡易臺架及拱架、網(wǎng)片、錨桿、連接筋等材料運送至上臺階。

2)上臺階立拱、施作錨桿(管)、網(wǎng)片與超前支護,裝載機配合自卸汽車出碴,仰拱棧橋不得移動以保證出碴汽車與運送材料的挖機通行。出碴時仰拱棧橋不得移動以保證出碴汽車與運送材料的挖機通行。

3)出碴結(jié)束后開始下臺階立拱、施作錨桿(管)與網(wǎng)片,同時人工配合挖機進行仰拱扒碴及清碴,這部分洞碴預(yù)留用作仰拱回填,仰拱扒碴結(jié)束后開始仰拱部位立拱與網(wǎng)片。

4)下臺階立拱、錨桿(管)與網(wǎng)片及仰拱立拱、網(wǎng)片施作完成后,濕噴機械手與混凝土罐車進入開始噴射初支混凝土,噴射初支混凝土?xí)r先噴射仰拱及下臺階,完成后進行仰拱虛碴回填,然后用挖機退出上臺階拱架,之后進行上臺階噴射混凝土。仰拱棧橋不得移動以保證濕噴機械手與混凝土罐車通行。

5)上、下臺階及仰拱初支混凝土施作完成后,濕噴機械手撤離,挖機清理上臺階回彈料,然后將簡易臺架運至上臺階,扒仰拱碴,上、下臺階及仰拱測量、鉆孔。

6)鉆孔完成后,上、下臺階及仰拱裝藥、連線,挖機將上臺階臺架退出,一次性起爆。

1.3 臺階高度與長度研究

上臺階需要使用開挖臺架進行鉆孔爆破施工,需要確保施工的便利性,但上臺階的高度同時對掌子面的穩(wěn)定性有一定影響;臺階長度的選擇需綜合考慮人員操作空間及機械的最大操作半徑,但同時要有利于初期支護及早全斷面封閉成環(huán)。因此對臺階開挖高度與臺階預(yù)留長度的研究對確定具體參數(shù)尤其重要。

初支結(jié)構(gòu)受到的最大壓應(yīng)力基本不會隨臺階長度的改變而改變,但初支所受最大拉應(yīng)力會隨上臺階長度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,且臺階長度大于7.5 m時初支承受的最大拉應(yīng)力已經(jīng)大于C25混凝土的抗拉強度設(shè)計值,結(jié)構(gòu)可能被拉壞,當(dāng)臺階長度控制在4.8 m～6.4 m之間時結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力較小,故軟巖鐵路單線隧道臺階法(含仰拱)施工時臺階長度不宜過長,也不宜過短,控制在4.8 m～6.4 m之間比較合適。

1.3.1 考慮施工工效的臺階長度與高度選擇

兩臺階帶仰拱一次開挖施工分開挖、立拱和噴混凝土三個階段,開挖階段時上下臺階同時布設(shè)炮眼。考慮在確定上臺階高度時實現(xiàn)上下臺階面積相當(dāng),這樣可以實現(xiàn)上下臺階布設(shè)炮眼時能同步進行——即同時開始、同時結(jié)束。這樣的好處在于可以充分利用人力資源,組織施工時也更便利,最終能達到縮短布設(shè)炮眼階段用時、提高功效的目的。

1.3.2 考慮施工便利性的臺階高度與長度選擇

兩臺階帶仰拱一次開挖施工方法主要適用于單線鐵路Ⅳ級,Ⅴ級圍巖隧道,其臺階高度與長度應(yīng)充分考慮到機械及人工操作空間以及便利性,并結(jié)合具體施工方法,選擇兩臺階帶仰拱施工的臺階長度與高度。

1)上臺階使用開挖臺架。為保證挖掘機能在下臺階將開挖臺架吊裝到上臺階,開挖臺架采用2個小型臺架(3 m長左右)拼裝使用,下臺階高度及上臺階長度應(yīng)合理調(diào)整。下臺階不使用開挖臺架,采用爬梯輔助作業(yè),省去了煩瑣的機械運輸、吊裝、定位、調(diào)整等作業(yè),既操作簡便,又減少機械、材料、人工的消耗,節(jié)約成本,其臺階高度不宜過高,應(yīng)保證在無機械配合時作業(yè)的便捷性,建議在傳統(tǒng)臺階法基礎(chǔ)上適當(dāng)減小下臺階高度。

2)上臺階長度的選擇應(yīng)綜合考慮人員操作空間及機械的最大操作半徑。上臺階爆破后挖掘機位于下臺階,將上臺階的碴土扒至下臺階,上臺階長度太大會使挖掘機的操作半徑受到影響,增加其移動距離、就位次數(shù),影響扒碴效率;另外,上臺階立拱時需要由挖掘機將拱架、網(wǎng)片、連接筋等材料與設(shè)備運送至上臺階,上臺階距離太短則會影響材料、設(shè)備的安放及人員的操作。

綜合考慮簡易臺架安放、人員操作空間及機械的最大操作半徑,上臺階長度控制在5 m～6 m,上臺階使用開挖簡易臺架,下臺階不使用開挖臺架,其臺階高度不宜過高,應(yīng)保證在無機械配合時作業(yè)的便捷性,因而上臺階高度控制在5.5 m～6 m為宜。

2 單線鐵路隧道施工機械配套研究

機械配套是隧道施工中的關(guān)鍵,隨著我國隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展、施工機械性能的不斷提升,機械化施工憑借其高效率、高安全性、低人工成本的特性被更加廣泛地應(yīng)用于各種隧道工程中。

單線鐵路隧道由于空間狹小,工程施工的過程中各工序互相影響程度嚴(yán)重,平行作業(yè)難度高,極大地降低了隧道開挖的效率。工程施工中單線鐵路隧道目前普遍采用擴大斷面、加長避車洞及橫通道等方式解決交通錯車和生產(chǎn)組織難題,給施工成本帶來極大浪費。同時在機械化施工快速發(fā)展的背景下,相比雙線鐵路隧道設(shè)備配套和施工,單線鐵路隧道快速施工組織與機械化配套水平相對滯后。主要存在隧道內(nèi)各工序配套機械設(shè)備的系統(tǒng)匹配,地質(zhì)復(fù)雜性和機械設(shè)備的技術(shù)適應(yīng)性,投資概算、設(shè)計理念、施工工藝、施工組織對機械化配套與作業(yè)效率匹配性,工程作業(yè)模式與管理體制機制等問題,嚴(yán)重影響了施工效率和施工質(zhì)量。

2.1 機械配套原則

隧道施工機械化能夠提高施工效率,減少作業(yè)人員的投入,減輕作業(yè)人員的勞動強度,保障施工安全,其優(yōu)越性無可厚非。但如何才能在隧道施工中適當(dāng)投入設(shè)備,合理控制設(shè)備投入的規(guī)模,合理有效地進行機械化配套,是隧道施工機械化配套的關(guān)鍵。

結(jié)合隧道施工機械化配套的實施情況,本文總結(jié)出的單線鐵路隧道機械化配套中各作業(yè)線應(yīng)遵循的設(shè)備選型原則如下：

1)因地制宜原則。隧道施工機械化配套方案選擇應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、自然環(huán)境、施工環(huán)境等實際情況進行,不能片面追求單方面的指標(biāo)而進行設(shè)備配套方案選擇,只有正確選擇設(shè)備配套方案,才能達到項目施工機械化的效率、社會和經(jīng)濟效益。

2)經(jīng)濟適用原則。鐵路隧道施工機械化配套中選用的設(shè)備應(yīng)滿足經(jīng)濟適用性原則。對于配套到各作業(yè)線的設(shè)備,應(yīng)以滿足施工需要為出發(fā)點,在保證安全、經(jīng)濟、快速的條件下,選擇合適的設(shè)備進行施工。投入設(shè)備的規(guī)格和能力應(yīng)與實際需要相接近或偏大,保證足夠的富余量以滿足需要。選用設(shè)備應(yīng)以功能適用為原則,以通用設(shè)備為主,專用設(shè)備根據(jù)需要選擇;設(shè)備配置以現(xiàn)有為主。

3)統(tǒng)一性原則。a.設(shè)備選型統(tǒng)一：同一隧道工程場地宜采用同一企業(yè)生產(chǎn)的同一系列產(chǎn)品,便于在修理技術(shù)、備件儲存、技術(shù)力量保證上能夠統(tǒng)一。b.能力配套統(tǒng)一：對隧道施工各作業(yè)線的生產(chǎn)能力,應(yīng)以開挖作業(yè)線的生產(chǎn)能力為基礎(chǔ)進行設(shè)備配套。按照施工機械化配套整體推進原則,各作業(yè)線設(shè)備的生產(chǎn)能力應(yīng)大于預(yù)計生產(chǎn)能力的1.2倍～1.5倍。c.協(xié)調(diào)統(tǒng)一原則：各作業(yè)線間設(shè)備的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,各作業(yè)線設(shè)備之間不相互影響,能同時或者在各工序間平行作業(yè),作業(yè)線設(shè)備有相對空間通過性;同一作業(yè)線設(shè)備間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,同一作業(yè)線間設(shè)備在作業(yè)空間、外形尺寸、生產(chǎn)能力、作業(yè)方式、外部輔助設(shè)施等方面進行考慮配套,保證作業(yè)設(shè)備能正常發(fā)揮作用。

4)技術(shù)先進性原則。隧道施工機械化水平是鐵路施工機械化施工水平的一個重要體現(xiàn),在隧道施工中的設(shè)備,應(yīng)體現(xiàn)國內(nèi)先進水平,充分體現(xiàn)在隧道施工中采用新技術(shù)、新材料、新工藝。選用的設(shè)備應(yīng)符合國家強制標(biāo)準(zhǔn),采用的技術(shù)應(yīng)是先進的。

5)動態(tài)性原則。隧道施工是動態(tài)性施工,其設(shè)備的配置應(yīng)動態(tài)進行,不應(yīng)一蹴而就。隧道施工設(shè)備配置的方案在實施過程中應(yīng)隨著隧道施工的進展而從數(shù)量及設(shè)備種類上進行動態(tài)調(diào)整,保持設(shè)備配置與施工進度、安全、質(zhì)量的需求相吻合,防止設(shè)備過?；蛘卟蛔愣绊懯┕こ杀?。

6)節(jié)能環(huán)保原則。隧道施工設(shè)備大多能耗大,其選用設(shè)備的節(jié)能環(huán)保效果直接影響到隧道施工作業(yè)人員的職業(yè)健康及隧道內(nèi)與周邊的環(huán)境。選擇設(shè)備應(yīng)選擇能耗低、排放合理的設(shè)備。特別是內(nèi)燃設(shè)備的選型上,更應(yīng)考慮其能耗和排放,除需要滿足國家對設(shè)備的排放和能耗的強制性標(biāo)準(zhǔn)外,還應(yīng)從對作業(yè)人員在隧道內(nèi)的施工及隧道施工中其他設(shè)備的影響方面進行考慮。

2.2 設(shè)備配套

施工時一般選用以鑿巖臺車、多功能地質(zhì)鉆機、多功能作業(yè)臺架、風(fēng)動鑿巖機、挖裝機、裝載機、濕噴混凝土機械手、濕噴機、注漿設(shè)備、襯砌模板臺車、自卸汽車運輸機械等為主要特征的機械設(shè)備配套,組成超前支護、開挖、裝運、仰拱、襯砌等機械化作業(yè)線,嚴(yán)格機械設(shè)備管、用、養(yǎng)、修制度,科學(xué)管理,達到快速施工的目的。

1)超前支護作業(yè)線：采用兩臂鑿巖臺車和多功能地質(zhì)鉆機進行超前支護。

2)開挖作業(yè)線：采用兩臂鑿巖臺車、風(fēng)動鑿巖機、多功能作業(yè)臺架進行開挖施工作業(yè)。

3)支護作業(yè)線：采用濕噴機械手、鋼拱架拼裝機、風(fēng)動鑿巖機、多功能作業(yè)臺架等進行支護作業(yè)。

4)裝運作業(yè)線：采用挖裝機及裝載機裝碴,自卸汽車無軌運輸。

5)仰拱作業(yè)線：仰拱、填充采取全幅分段施工,利用液壓移動棧橋上跨仰拱施工段,確保洞內(nèi)運輸通暢,組合鋼模立模、泵送混凝土機澆筑仰拱襯砌。

6)防水襯砌作業(yè)線：防水板采用鋪設(shè)臺車施作,洞外設(shè)混凝土自動計量拌合站生產(chǎn)混凝土,采用液壓模板臺車襯砌,混凝土運輸車運輸,泵送入模,附屬洞室采用組合模板施工。

以某工程為例,機械化配套配置情況如表1所示。

3 應(yīng)用實例

為驗證軟弱圍巖隧道兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)技術(shù)及其機械配套方法在實際工程中對施工效率的影響,本小節(jié)依托蒙華鐵路中條山隧道工程進行了試驗。中條山隧道進口位于運城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn),設(shè)計為雙洞單線隧道。隧道一般段線間距設(shè)計為35 m,隧道最大埋深約840 m,隧道左線長18 405 m,右線長18 410 m。隧道設(shè)計為“人”字坡,進口端14.6 km為上坡,出口端3.8 km為下坡,設(shè)5座斜井,1座平導(dǎo)。設(shè)輔助坑道5座,平導(dǎo)1座。線路平面示意圖見圖10。

中條山隧道進口穿越F2中條山北麓大斷裂,走向NE-NEE,傾向NW,傾角58°～75°,為高角度正斷層。巖體破碎,碎石角礫狀,無膠結(jié)或弱膠結(jié)。

3.1 施工設(shè)備機具及人員配套

針對開挖隧道具體特點,施工現(xiàn)場設(shè)備配置按符合機械化配套方案要求,并執(zhí)行機械設(shè)備管、用、養(yǎng)、修制度,科學(xué)管理,以求達到快速施工的目的。結(jié)合依托工程現(xiàn)場試驗情況,臺階法帶仰拱一次開挖推薦配置KC30混凝土噴射機械手、小松裝載機、現(xiàn)代R225LC-7挖掘機、自卸汽車等先進設(shè)備,設(shè)備配置詳見表2。

表1 正洞機械設(shè)備配置表(一級配套)

表2 設(shè)備配置表

下臺階帶仰拱一次開挖各工序施工人員配置如表3所示。

表3 一次開挖單工作面人員配置表

3.2 施工工效

依托工程現(xiàn)場施工經(jīng)驗,綜合考慮快速施工的進度要求、空間布置及圍巖條件,從開挖支護作業(yè)線到混凝土襯砌作業(yè)線大部分按機械化配置進行,開挖作業(yè)線采用風(fēng)鉆、挖掘機、裝載機、空壓機等,噴混凝土作業(yè)采用濕噴機械手。設(shè)備配置按初支≥開挖的原則配置,確保初支的快速封閉(見圖11)。

開挖作業(yè)線采用一臺全站儀測量、風(fēng)鉆鉆孔、人工裝藥作業(yè),盡量減少對隧道圍巖的擾動,減少配套設(shè)備的投入,節(jié)約能源。

錨噴支護作業(yè)線,由于施工進度快,噴射混凝土作業(yè)必須緊跟,才能做到及時封閉開挖作業(yè)面;為加快施工速度,錨噴支護作業(yè)線根據(jù)現(xiàn)場實際采用濕噴機械手進行,機械手噴射能力達到20 m3/h以上。濕噴機械手見圖12,格柵鋼架見圖13。

裝碴運碴作業(yè)：采用履帶式挖掘機進行裝碴,自卸汽車運碴。

下臺階與仰拱一次開挖工序單次循環(huán)時間為720 min,采用保守統(tǒng)計數(shù)據(jù)(統(tǒng)計數(shù)據(jù)中已含誤工時間),每天進度為：24/12×1.6=3.2 m,則月進尺為：3.2×30×(1-10%)=86.4 m～96 m,考慮不可控因素按10%計。相較于傳統(tǒng)工序(月進尺70 m～75 m),施工效率提升了約26%。

3.3 小結(jié)

1)兩臺階帶仰拱一次開挖施工臺階長度與高度的設(shè)置原則：上臺階長度宜控制在5 m～6 m范圍能使結(jié)構(gòu)處于較好的受力狀態(tài),且便于人員與機械的操作。同時將上臺階高度與隧道開挖總高度的比值控制在50%～65%之間,實際高度在5.5 m～6 m之間,能夠滿足結(jié)構(gòu)受力的安全性,隧道變形控制效果較好,且機械操作方便。當(dāng)隧道在Ⅴ級圍巖內(nèi)遇到掌子面出水量較大的情況時,上臺階高度宜在范圍內(nèi)取大值。

2)仰拱早高強混凝土強度要求：根據(jù)依托工程施工情況,通過仰拱初支結(jié)構(gòu)承載力計算,得出仰拱噴射混凝土2 h最低強度不得低于0.2 MPa,方能滿足仰拱與下臺階一次開挖支護施工要求。

3)通過對比試驗研究了早高強仰拱噴射混凝土的施工工藝和強度保護措施,總結(jié)來說就是：確保原材料供應(yīng)及混凝土質(zhì)量;加強施工工序工藝控制,保證一定的混凝土攪拌時間,減少混凝土運輸放置時間,加強混凝土噴射工藝控制;合理組織施工,減少施工干擾等。

4)兩臺階帶仰拱一次開挖施工時,上、下臺階帶仰拱同步鉆孔、裝藥,同步起爆,挖機位于下臺階扒上臺階石碴,形成作業(yè)空間后將簡易臺架運送至上臺階執(zhí)行后續(xù)的立拱工序,同時進行下臺階及仰拱扒碴、出碴,然后下臺階各部依次立拱支護。

5)根據(jù)依托工程現(xiàn)場施工經(jīng)驗,設(shè)備配套應(yīng)根據(jù)隧道現(xiàn)場實際情況,綜合考慮快速施工的進度要求、空間及圍巖條件,開挖支護作業(yè)線大部分按機械化配置進行,開挖作業(yè)線采用風(fēng)鉆、挖掘機、裝載機、空壓機等,噴射混凝土作業(yè)采用濕噴機械手等先進設(shè)備。設(shè)備配置按初支能力不低于開挖的原則配置。

4 結(jié)語

本文針對單線鐵路隧道軟弱圍巖施工困難效率低下的問題,提出了一種軟弱圍巖隧道兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)技術(shù)并研究了其施工機械配套方法。兩臺階帶仰拱開挖快速封閉成環(huán)技術(shù)具有初支結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)快、圍巖的擾動小、循環(huán)時間短、施工成本低等特點。將該方法在蒙華鐵路中條山隧道進行了實際應(yīng)用,結(jié)果表明采用該方法12 h即可完成一個循環(huán),月進尺為86.4 m～96 m,對比傳統(tǒng)施工方法其效率提升約26%。