陳仁超
(中鐵二局股份有限公司, 成都 610031)
鐵路隧道軟弱圍巖在安全步距下快速施工技術(shù)研究
陳仁超
(中鐵二局股份有限公司, 成都 610031)
文章基于貴廣鐵路施工Ⅰ標(biāo)平寨等隧道施工,研究總結(jié)出鐵路隧道軟弱圍巖在滿足安全步距情況下快速施工兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):一是隧道微臺(tái)階開挖技術(shù),基于微振動(dòng)爆破和懸臂多功能開挖臺(tái)架,上下導(dǎo)坑各工序平行作業(yè),縮短工序間的銜接時(shí)間,微臺(tái)階短3~5 m,占用空間小,為后續(xù)工序仰拱施工留給更大的空間,上臺(tái)階翻渣量也少;二是隧道仰拱快速施工技術(shù),由課題組進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),設(shè)計(jì)開發(fā)出隧道仰拱快速施工技術(shù)及配套設(shè)備,在棧橋有效長度內(nèi),將一個(gè)仰拱作業(yè)面分為開挖區(qū)和混凝土澆筑區(qū),進(jìn)行平行流水作業(yè)施工,以縮短仰拱作業(yè)空間和循環(huán)作業(yè)時(shí)間。該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用,保證了仰拱封閉位置距開挖掌子面安全距離不大于35 m,完全滿足有關(guān)強(qiáng)制性規(guī)定,保證了隧道施工安全和質(zhì)量,加快了進(jìn)度,降低了成本,文明施工也得到大大改善。
鐵路隧道; 軟弱圍巖; 安全步距; 快速施工
軟弱圍巖快速施工已有非常成熟的技術(shù)和工法,然而在原鐵道部對(duì)開挖掌子面與二襯、開挖掌子面與仰拱之間的距離作了強(qiáng)制性規(guī)定后,這些工法和技術(shù)就不能完全滿足在安全步距下的快速施工要求了,必須進(jìn)行新工法和設(shè)備的研制,才能滿足這一新的要求。近來,在隧道施工過程中時(shí)常發(fā)生坍塌事故,造成不同程度人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,對(duì)行業(yè)產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)分析,其主要原因是初期支護(hù)未嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及時(shí)施作、或未做到位、或偷工減料、或二次襯砌未及時(shí)跟進(jìn)等。為此,原鐵道部先后出臺(tái)了TB 10304-2009《鐵路隧道施工安全技術(shù)規(guī)程》、鐵建設(shè)[2008]160 號(hào)《鐵路建設(shè)工程施工企業(yè)信用評(píng)價(jià)暫行辦法》、建技2010[352]號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工安全管理工作的通知》、鐵建設(shè)[2010]120號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》等規(guī)定和文件,對(duì)仰拱與掌子面、二襯與掌子面的距離作了嚴(yán)格規(guī)定,要求:“仰拱距離掌子面距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段不大于90 m;Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖地段不大于35 m;二次襯砌距離掌子面的距離Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖地段不大于200 m;Ⅲ 級(jí)圍巖地段不大于120 m;Ⅳ級(jí)圍巖地段不大于 90 m;Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖地段不大于70 m。”
根據(jù)上述規(guī)定,在實(shí)際施工過程中,掌子面開挖和仰拱施工這兩道工序是最關(guān)鍵的控制工序,只要這兩道工序能達(dá)到協(xié)調(diào)快速施工要求,隧道施工速度就能提高,彼此之間的距離也能滿足步距要求。二襯施工,只要配足襯砌臺(tái)車,完全能滿足二襯與掌子面步距的要求。最難滿足、控制施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素是Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖仰拱封閉位置距開挖掌子面不得大于35 m,如果不進(jìn)行新工法研究和施工設(shè)備研制,根本無法滿足這一強(qiáng)制性規(guī)定。
要保證安全步距不超標(biāo)又要較快的施工進(jìn)度,必須解決洞身開挖工藝和仰拱施工工藝及其配套技術(shù)問題。
首先,若臺(tái)階長度大于50 m,顯然無法滿足上述“35 m安全步距的強(qiáng)制性規(guī)定”;若臺(tái)階長度大于12 m時(shí),由于上、下臺(tái)階交界處交通影響和后續(xù)工序作業(yè)空間要求的限制,工序安全步距仍然會(huì)超標(biāo);若臺(tái)階長度小于12 m,雖然能滿足工序安全步距的要求,但因?yàn)樯吓_(tái)階作業(yè)空間狹小,工序間相互干擾大,機(jī)械設(shè)備的工作效率大打折扣,且出渣和進(jìn)料都要經(jīng)過二次倒運(yùn),因此,施工進(jìn)度極為緩慢;第二,仰拱施工如果采用傳統(tǒng)工法多工作面作業(yè),也無法滿足安全距離要求,文明施工也無法保證。因此,兩者必須都滿足要求,才能確?!?5 m安全步距的強(qiáng)制性規(guī)定”。
本文所介紹的鐵路隧道軟弱圍巖在安全步距下的快速施工技術(shù),有效地解決了這一問題,既保證了施工安全,又提高了施工進(jìn)度,文明施工得到大大改善。
2.1 工程概況
新建貴廣鐵路施工Ⅰ標(biāo)平寨隧道全長7 075 m,起訖里程為: K 54+702~K 61+777;設(shè)計(jì)為雙線單洞隧道;Ⅲ級(jí)圍巖2 310 m,占隧道全長的32.6%,Ⅳ級(jí)圍巖3 454 m,占48.8%,Ⅴ級(jí)圍巖1 311 m,占18.6%;全隧道設(shè)計(jì)帶仰拱;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為臺(tái)階法開挖;仰拱混凝土環(huán)向一次澆筑成型,不留縱向施工縫;仰拱與填充混凝土分開澆筑;按強(qiáng)制性規(guī)定,Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖仰拱封閉面位置距掌子面距離不大于35 m。
2.2 目前國內(nèi)外同類技術(shù)現(xiàn)狀
據(jù)調(diào)查,國外隧道施工開挖掌子面與后續(xù)工序仰拱和二次襯砌之間尚無安全步距要求;國內(nèi)其他行業(yè)如公路隧道、水工隧道等也無安全步距規(guī)定,相反,水工隧道的二次襯砌必須在開挖和支護(hù)全部完成后才能施作。因此,無成熟工藝可供利用,國內(nèi)鐵路行業(yè)也無成熟技術(shù)和工裝可供借鑒。
2.3 國內(nèi)鐵路隧道強(qiáng)制性規(guī)定頒布前后施工比較
表1為強(qiáng)制性規(guī)定頒布前后比較表。
表1 強(qiáng)制性規(guī)定頒布前后比較
2.4 強(qiáng)制性規(guī)定頒布后軟弱圍巖快速施工的技術(shù)難點(diǎn)
(1)為確保Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖仰拱安全距離不大于35 m。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖開挖設(shè)計(jì)為臺(tái)階法,受開挖掌子面距仰拱35 m安全距離限制,只能采用微臺(tái)階,而其臺(tái)階在實(shí)際施工中很難形成;另一方面,壓縮仰拱作業(yè)空間,仰拱只能一個(gè)工作面施工,傳統(tǒng)的工藝技術(shù)和設(shè)備不能滿足新的要求。
(2)仰拱混凝土環(huán)向整體澆筑,無縱向施工縫;仰拱與填充混凝土等級(jí)不同,須分次澆筑。仰拱混凝土不能分幅澆筑,加之安全步距35 m限制,仰拱只能一個(gè)工作面施工,如果按傳統(tǒng)方法施工3 d一循環(huán)6 m,1個(gè)月進(jìn)度不足60 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了進(jìn)度要求,必須研制新工藝和新設(shè)備。
3.1 隧道微臺(tái)階開挖關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)
3.1.1 確定臺(tái)階參數(shù)
為使上臺(tái)階在縱向少占空間和少翻渣,臺(tái)階長度盡可能短,但臺(tái)階太短,又無法形成。因此,經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,上臺(tái)階長度定為3~5 m較合適,操作方便,翻渣量也小;另一方面,上下臺(tái)階同時(shí)鉆眼,同時(shí)起爆,上下臺(tái)階鉆眼、裝藥、聯(lián)線等工作量要大致匹配,因此,高度定為4.0 m,上斷面約37 m2,下臺(tái)階高度為6.2 m,下斷面約83 m2,如圖1所示。
圖1 微臺(tái)階法開挖縱、橫斷面圖(cm)
3.1.2 懸臂臺(tái)架設(shè)計(jì)加工
臺(tái)架主體骨架采用I20b號(hào)工字鋼制成;平臺(tái)采用I18號(hào)工字鋼、φ22鋼筋及φ8鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格間距10 cm×10 cm)制成;在臺(tái)架掘進(jìn)前進(jìn)方向增加懸臂操作平臺(tái),用于微臺(tái)階法開挖;拆除懸臂部分,可用于全斷面開挖,如圖2所示。
3.1.3 微振動(dòng)爆破設(shè)計(jì)
微振動(dòng)爆破技術(shù)是微臺(tái)階法開挖工法成敗的關(guān)鍵,需要根據(jù)實(shí)際情況,進(jìn)行專項(xiàng)爆破設(shè)計(jì)。為控制爆破振動(dòng)速度,采用楔形掏槽、嚴(yán)格控制單段最大裝藥量,一般振動(dòng)速度控制在5 cm/s以下,周邊眼采用小藥卷間隔裝藥,其他炮眼連續(xù)裝藥,使用二號(hào)乳化炸藥,規(guī)格φ32、190 g、200 mm,控制裝藥量。
圖2 懸臂臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖 (cm)
(1)Ⅳ級(jí)圍巖爆破設(shè)計(jì)。每循環(huán)開挖進(jìn)尺2.0 m左右,上臺(tái)階37 m2,炮孔91個(gè);下臺(tái)階83 m2,炮孔90個(gè)。周邊眼間距E=50 cm,最小抵抗線W=60 cm,E/W=0.83,裝藥集中度q=0.12~0.14/m,巖石炸藥單耗0.7~0.8 kg/m3,單段最大裝藥量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3,其中V=5 cm/s,K=250,α=1.8,R=28 m,Q限=32.35 kg,如表2、圖3所示。
表2 Ⅳ級(jí)圍巖裝藥量參數(shù)表(進(jìn)尺2 m)
圖3 微臺(tái)階法Ⅳ級(jí)圍巖爆破設(shè)計(jì)圖(cm)
(2)V級(jí)圍巖爆破設(shè)計(jì)。每循環(huán)開挖進(jìn)尺1.0 m左右,周邊眼間距E=50 cm,最小抵抗線W=50 cm,E/W=1,裝藥集中度q=0.10~0.13/m,巖石炸藥單耗0.60~0.75 kg/m3,開挖面積上臺(tái)階38 m2,下臺(tái)階84 m2,總計(jì)122 m2,炮眼181個(gè)。單段最大裝藥量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3,其中V=5 cm/s,K=250,α=1.8,R=20 m,Q限=11.78 kg,如圖4、表3所示。
圖4 微臺(tái)階法Ⅴ級(jí)圍巖爆破設(shè)計(jì)圖(cm)
表3 Ⅴ級(jí)圍巖裝藥量參數(shù)表(進(jìn)尺1.0 m)
3.1.4 開挖及支護(hù)作業(yè)工藝流程
下臺(tái)階出渣與上臺(tái)階初噴、打錨桿、掛網(wǎng)、立架工序同時(shí)進(jìn)行;上臺(tái)階噴混凝土與下臺(tái)階初噴、打錨桿、掛網(wǎng)、立架同時(shí)進(jìn)行,如圖5所示。
圖5 開挖及支護(hù)作業(yè)工藝流程
3.1.5 微臺(tái)階法開挖關(guān)鍵點(diǎn)
(1)如果圍巖較差,或者局部較差,可先改善圍巖條件后再行開挖;
(2)鎖腳錨桿及系統(tǒng)錨桿必須按要求施作;
(3)必須嚴(yán)格控制下臺(tái)階的開挖進(jìn)尺,上臺(tái)階必須保證至少有一榀鋼架在下臺(tái)階開挖后不形成懸空,加強(qiáng)爆破設(shè)計(jì),嚴(yán)格控制單段最大裝藥量,控制爆破振動(dòng),這是確保微臺(tái)階能否形成的關(guān)鍵。
3.2 隧道仰拱快速施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)
3.2.1 隧道仰拱快速施工技術(shù)原理
在仰拱棧橋有效長度內(nèi),以端頭梁為界,將棧橋平均分為2個(gè)區(qū),即仰拱開挖區(qū)和仰拱及填充混凝土澆筑區(qū)。讓仰拱開挖和混凝土澆筑2道工序在短距離內(nèi)形成平行流水作業(yè),在仰拱開挖過程中,利用雙棧橋和端頭梁,同時(shí)進(jìn)行仰拱混凝土澆筑和出渣、進(jìn)料運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)。一個(gè)洞身開挖工作面對(duì)應(yīng)一個(gè)仰拱施工作業(yè)面,徹底改變了由于仰拱施工速度慢。一個(gè)洞身開挖面后跟多個(gè)仰拱施工面的落后現(xiàn)狀,現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)洞身開挖進(jìn)度配置仰拱施工設(shè)備。如本例棧橋全長19 m,仰拱混凝土澆筑每循環(huán)6 m,月進(jìn)度不小于180 m,最大可達(dá)220 m。如果棧橋設(shè)為23 m,仰拱混凝土澆筑每循環(huán)8 m,月進(jìn)度不小于240 m,最大可達(dá)300 m。仰拱施工占用空間小,本例僅為19 m,對(duì)其他工序干擾小,施工速度快。仰拱按設(shè)計(jì)一次施工到位,縱向不留施工縫,易保證安全質(zhì)量和文明施工,如圖6所示。
圖6 仰拱施工原理及設(shè)備效果圖
3.2.2 CRECGG-1型仰拱快速施工設(shè)備簡(jiǎn)介
CRECGG-1型仰拱快速施工設(shè)備由課題組研發(fā)(獲得國家專利),定點(diǎn)廠家生產(chǎn),主要由棧橋、仰拱模架、端頭梁、中心溝模架和行走設(shè)備組成。
(1)仰拱模架:設(shè)計(jì)為左右兩幅,分別由模板和剛性骨架組成。模板采用組合鋼模,每塊長6 m(可根據(jù)施工進(jìn)度需要加工),寬1.2 m,用10 cm槽鋼做加強(qiáng)肋,保證模板具有足夠的剛度;每幅3塊,模板間用樞紐連接,以折疊方式安裝和拆除;剛性骨架采用工字鋼制作,主要功能是存放和移動(dòng)模板、固定、安設(shè)走行設(shè)備絞車、傳遞動(dòng)力等。仰拱混凝土環(huán)向一次性整體澆筑完成,縱向不留施工縫,如圖7所示。
圖7 仰拱模板結(jié)構(gòu)效果圖
(2)中心溝模架:采用骨架和模板整體式設(shè)計(jì),即用20 cm工字鋼為骨架,在工字鋼骨架上焊接6 mm鋼板作底板和面板。其作用是填充混凝土澆筑時(shí),預(yù)留中心水溝位置。
(3)端頭梁:是CRECGG-1型仰拱快速施工設(shè)備的核心部分,其功能有:定位和固定仰拱模架及中心溝模架;安裝固定填充混凝土端頭模板和中埋式止水帶;作為棧橋的臨時(shí)支撐,在仰拱開挖出渣時(shí),滿足混凝土罐車在棧橋上灌注仰拱混凝土的工況;梁底弧形設(shè)計(jì)成與中埋式止水帶位置處仰拱弧形一致;梁上邊緣與填充混凝土面標(biāo)高一致;梁兩端設(shè)置定位仰拱模架的靠柱;梁底部設(shè)置8根可自由伸縮的支柱,以適應(yīng)隧底開挖后高低不平的地形情況;設(shè)計(jì)承載60 t,材料為 20 cm工字鋼,如圖8所示。
圖8 端頭梁結(jié)構(gòu)效果圖
(4)棧橋:兩幅棧橋組成雙車道,每幅棧橋由2片分離式梁組成;可根據(jù)施工進(jìn)度加工,本列棧橋長19 m,單片梁寬1.2 m,每片梁重約10 t,1臺(tái)挖掘機(jī)可完成棧橋的移動(dòng);棧橋設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu),上層主要采用20 cm工字鋼,下層用36 cm工字鋼制作,橋面做成弧形,上、下2層之間每隔1 m設(shè)1道聯(lián)系橫梁,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和承載能力;在施工作業(yè)時(shí),棧橋兩端用于支撐長度各2.5 m,端頭梁寬度1 m。因此,用于仰拱施工的有效長度約12 m,可分為2個(gè)仰拱作業(yè)面,每個(gè)作業(yè)面長6 m。
(5)行走設(shè)備:包括自制軌道吊車、2臺(tái)8 t絞車;以棧橋?yàn)榈趿?利用棧橋每片梁兩邊工字鋼翼板作為軌道,吊起端頭梁,在絞車的拉動(dòng)下,可以牽著仰拱模架、中心溝模架一起移動(dòng)到下一工作面;軌道吊車采用20 cm槽鋼制成,每側(cè)各設(shè)2個(gè)滑輪與棧橋的底層工字鋼翼板咬合。
3.2.3 仰拱及填充施工工藝
利用CRECGG-1型仰拱快速施工設(shè)備,施工仰拱及填充,其工序主要包括:仰拱開挖、出渣、清底、模架系統(tǒng)移動(dòng)及定位、澆筑仰拱混凝土、折疊仰拱模板活動(dòng)部分、澆筑填充混凝土和拆除中心水溝模板及仰拱模板的固定部分等,如圖9所示。
圖9 仰拱及填充施工工藝流程圖
3.3 最不利工況仰拱與開挖掌子面步距情況
由于爆破巖渣拋擲,因此爆破是最不利工況,在此工況下,Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖臺(tái)階長度4.4 m,按上述爆破設(shè)計(jì),爆破后,堆渣區(qū)長10 m,拋擲區(qū)長4 m,多功能臺(tái)架長5.5 m,計(jì)24.3 m,另加仰拱每循環(huán)開挖長度6 m, 共計(jì)30.3 m,滿足仰拱封閉位置距開挖掌子面的距離不大于35 m這一最不利條件,如圖10所示。
圖10 最不利工況步距示意圖(m)
(1)在滿足工序安全步距的前提下,較之短臺(tái)階開挖法,微臺(tái)階法施工進(jìn)度明顯加快。若采用短臺(tái)階法施工,Ⅳ級(jí)圍巖月進(jìn)度最快能達(dá)50 m;采用微臺(tái)階法施工,月進(jìn)度可保證80~90 m;圍巖變化不大、工序銜接正常情況下,月進(jìn)度最快可達(dá)90 m; V級(jí)圍巖最快可達(dá)70 m。
(2)仰拱施工循環(huán)時(shí)間只有19 h,為常規(guī)施工法循環(huán)時(shí)間的1/3。
(3)工程質(zhì)量明顯提高。仰拱沿橫向一次澆筑完成,縱向無施工縫,仰拱和填充分次施工,完全滿足設(shè)計(jì)要求。
(4)仰拱CRECGG-1型快速施工設(shè)備及技術(shù)為隧道快速掘進(jìn)提供了保障。常規(guī)仰拱施工法只能每3 d一循環(huán),每天進(jìn)度不足3 m;如果增加作業(yè)面保證進(jìn)度,必然要加大掌子面與襯砌間的距離,造成安全步距超標(biāo);采用本例快速施工法施工,可滿足每月227 m(6×24÷19×30=227 m)的施工進(jìn)度要求。若將本例棧橋長度由19 m加長到22 m,則可滿足每月303 m(8×24÷19×30=303 m)的施工進(jìn)度要求。
(5)仰拱施工只需保留一個(gè)仰拱作業(yè)面,減少了工序分區(qū)間的相互干擾,減小了掌子面與二襯之間的作業(yè)面數(shù)量和總長度,利于二次襯砌的及時(shí)跟進(jìn),保障了隧道施工安全;雙車道棧橋保持了洞內(nèi)開挖出渣作業(yè)的交通暢通,文明施工和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平顯著提高。
隨著鐵路行業(yè)出臺(tái)頒布安全步距強(qiáng)制性規(guī)定,各級(jí)檢查要求也將會(huì)越來越嚴(yán)格。為確保安全和文明施工,提高施工進(jìn)度,總結(jié)一套成熟工藝和技術(shù)是我們的責(zé)任和義務(wù)。以貴廣鐵路施工Ⅰ標(biāo)平寨等隧道施工為平臺(tái),研發(fā)軟弱圍巖在安全步距下的快速施工技術(shù),已在貴廣、滬昆等鐵路得到成功應(yīng)用,為今后類似工程的施工提供借鑒和參考。
(1)開挖作業(yè)采用微臺(tái)階,仰拱施工只有1個(gè)作業(yè)面,工序間相互干擾大大降低,占用空間小,仰拱距掌子面的距離可控制在30~35 m,滿足強(qiáng)制性規(guī)定要求。
(2)隧道仰拱快速施工技術(shù),由課題組進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),設(shè)計(jì)開發(fā)出隧道仰拱快速施工技術(shù)及配套設(shè)備,在棧橋有效長度內(nèi),將一個(gè)仰拱作業(yè)面分為開挖區(qū)和混凝土澆筑區(qū),進(jìn)行平行流水作業(yè)施工,以縮短仰拱作業(yè)空間和循環(huán)作業(yè)時(shí)間。
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CHEN Renchao
(China Railway Erju Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)
Based on the construction of Pingzhai tunnel of Guiyang Guangzhou railway construction,the paper summarizes two key technologies of fast construction of railway tunnel soft surrounding rock , including: tunnel micro step excavation technology, based on cantilever excavation bench and micro vibration blasting and parallel operation of the headings in each processe, shortening the convergence time between processes, and providing greater space to the follow-up process inverted arch construction due to the micro-step (3~5 m) and the less slag amount ;the second is tunnel invert fast construction technology designed and developed by research group, an inverted arch work surface is divided into excavation area and concrete placing area for paralled line production to shorten the work space of inverted arch and cycle operation time. The implementation of the technology ensures the invert closed position is not more than 35 meters away from the excavation tunnel face, fully meets the relevant mandatory provisions, guarantees the safety of the tunnel construction and quality, improves the construction progress, reduces the cost and civilization construction has also been greatly improved.
railway tunnel; weak surrounding rock; safe step; rapid construction
2015-11-09
陳仁超(1964-),男,高級(jí)工程師。
1674—8247(2016)01—0084—07
U455
A