鐵路單線隧道大斷面法大型機械化施工技術(shù)研究

喻有彪，丁國龍

（1.滇南鐵路有限責任公司，云南 玉溪 653100；2.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083）

1 引言

以三臂鑿巖臺車為代表的大型機械化鉆爆法施工是近年來深入探索的一種隧道施工方法，用機械代替部分人工是隧道作業(yè)工人逐步老化、斷代缺失問題的一種解決方案，可降低安全風險的發(fā)生和后果，是隧道施工方法的發(fā)展方向[1]。

對于鐵路單線隧道開展以鑿巖臺車為代表機械的大型機械化施工，當前已經(jīng)有一些實踐，但未形成成套成熟技術(shù)。在組織對鄭萬鐵路機械化施工參觀學習后，中老昆萬鐵路國內(nèi)玉磨段依托曼木樹隧道出口及3#斜井、勐臘隧道1#斜井開展了單線鐵路隧道大型機械化施工技術(shù)研究探索，取得一些成效。

2 工程概況

玉磨鐵路設(shè)計速度160 km/h，其中，西雙版納至國界為單線曼木樹隧道（11 637 m）、勐臘隧道（13 018 m）為單線段長度前2 名特長隧道，工期風險極高。

曼木樹隧道長11 637 m，分進口帶平導(dǎo)、1#斜井、2#斜井、3#斜井、出口5 個工區(qū)施工，關(guān)鍵線路2#～3#斜井長6 246 m（正洞3 300 m、2#斜井1 663 m、3#斜井1 283 m）。出口主要為頁巖（80%左右）夾泥巖、板巖、泥灰?guī)r，3#斜井主要為砂巖（70%左右）夾泥巖，存在順層偏壓，局部段落軟巖變形風險較高，Ⅳ級圍巖為主，部分段落為Ⅴ級圍巖。

勐臘隧道全長長13 018 m，分進口、1#斜井、2#斜井、出口4 個工區(qū)施工，關(guān)鍵線路為1#～2#斜井長7 165 m（正洞5 000 m、1#斜井1 264 m、2#斜井901 m）。關(guān)鍵線路區(qū)段為砂巖（90%以上）夾泥巖，Ⅳ級圍巖為主，少量Ⅲ級、Ⅴ級圍巖。

3 適應(yīng)性措施

單線鐵路隧道空間受限，為達到大型機械化施工的目的，過程中研究采取了如下適應(yīng)性措施。

3.1 開挖工法

為方便大型機械設(shè)備的作用發(fā)揮，開挖工法采用大斷面法[2]，即全斷面法或短臺階法。短臺階法的上臺階長4～5 m，高5～6 m，上、下臺階一般采用一次開挖成型，特殊情況可上、下臺階分別開挖。短臺階法適用于Ⅴ級圍巖特殊地段，全臺階法適用于Ⅴ級圍巖一般地段及Ⅳ級等圍巖。

為應(yīng)對圍巖變差等異常情況，實踐中摸索出全斷面法與短臺階法快速切換方法。在此前提下，人員適應(yīng)、爆破方案、鋼架加工等各方面均做到可隨時切換。

3.2 掌子面穩(wěn)定

為保證掌子面的穩(wěn)定性，可采用以下3 個方面的措施。

3.2.1 噴射混凝土封閉掌子面

當掌子面穩(wěn)定性相對較好時，可采用噴射混凝土封閉掌子面，以起到防止局部掉塊、危石的作用。結(jié)合實踐經(jīng)驗，部分Ⅳ級圍巖偏好的段落掌子面穩(wěn)定性強且無風險，因此，可不封閉掌子面甚至不采取掌子面穩(wěn)定措施。

3.2.2 超前小導(dǎo)管

2017年揚中市依托中興物聯(lián)網(wǎng)項目，深化智慧停車設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)管理，進一步推進了智慧停車工程建設(shè)發(fā)展。

前小導(dǎo)管是隧道施工常見超前支護措施。在大型機械化施工中，通常要在采用臺架法立架時才具備使用條件，這是因為，如果在使用拱架拼裝立架時，因無臺階無法使用的話，超前小導(dǎo)管會常作為部分Ⅳ級圍巖偏好不采取掌子面穩(wěn)定措施、且圍巖略為變差時，所應(yīng)用的臨時加強措施。

3.2.3 超前管棚

超前管棚是斷面法大型機械化施工主要的超前支護措施，可以對掌子面穩(wěn)定性起到重要作用。采用洞內(nèi)無工作室法施工。超前管棚主要有以下幾種類型：

1）超前大管棚。采用φ89 mm 注漿管棚，一般長20 m，每15 m 1 環(huán)，搭接5 m，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)21 根。特殊地段長度、縱環(huán)向間距等適當減小。適用于Ⅴ級圍巖地段。

2）超前中管棚。采用φ60 mm 或φ76 mm 注漿管棚，一般長20 m，每17 m 1 環(huán)，搭接3 m，環(huán)向間距為0.5 m，每環(huán)為17 根。特殊情況下長度、縱環(huán)向間距等適當減小。適用于Ⅳ級圍巖地段。

3）自進式管棚。采用φ51 mm 自進式管棚，一般長25 m，每22 m 1 環(huán)，搭接3 m，環(huán)向間距為0.5 m，每環(huán)17 根。自進式管棚的優(yōu)點在于鉆孔、頂管同步完成，比注漿管棚可大幅提高工效；同時存在注漿加固效果差的劣勢。因此，適用于Ⅳ級圍巖偏好地段。

在施工過程中為確保掌子面安全，超前管棚的設(shè)置位置必須要允許現(xiàn)場管理人員結(jié)合每循環(huán)開挖揭示情況適當調(diào)整。同時，每循環(huán)應(yīng)增加3～5 根管棚，給予現(xiàn)場施工、監(jiān)理管理人員臨時增加用于軟弱部位，實際工程量可在后續(xù)變更設(shè)計中予以確認。

3.3 安全步距

由于大型機械設(shè)備操作需要，安全步距需適當加大。對此，不僅要考慮掌子面堆渣（8 m）、裝渣（15 m）、渣車等候（15 m）、棧橋引橋（8 m）、仰拱施工區(qū)段（24 m），共計70 m，還要考慮存在仰拱臨時耽誤調(diào)整時間，而按80 m 作為仰拱距掌子面距離控制是合理的。

另外，考慮到棧橋后引橋長度、安全儲備及防水板與鋼筋作業(yè)空間，仰拱距二襯距離按3 板考慮。因此，二襯距掌子面距離按120 m 控制是合理的。

3.4 錯車（存車）帶、調(diào)頭洞設(shè)置

單線鐵路隧道斷面可供配備的大型機械設(shè)備及罐車、渣車通行，但無法調(diào)頭、無法錯車，且部分設(shè)備走行速度較慢，所以這將會嚴重制約施工效率。針對此，經(jīng)研究后，決定每間隔300 m 設(shè)置1 處錯車帶、1 個調(diào)頭洞，錯車帶與調(diào)頭洞交錯布置。

錯車帶長度為3 板二襯（36 m），可選取圍巖相對較好地段并采取初支加強（比如Ⅳ級增加鋼架封閉成環(huán)、Ⅴ級加強鋼架支護等）后，暫不施工混凝土仰拱與填充（或施工仰拱及填充不施工矮邊墻），其中，起大型設(shè)備錯車及存放的作用；另外，調(diào)頭洞需滿足所有大型設(shè)備進入，并可以發(fā)揮錯車及調(diào)頭的作用。

4 大型機械使用情況

4.1 三臂鑿巖臺車

三臂鑿巖臺車可用于鉆孔、管棚作業(yè)，施工效率較高；且其WMD 地質(zhì)云圖成像功能可作為一種超前地質(zhì)預(yù)報措施。

試驗初期，在安裝3 個作業(yè)掛籃作為施工平臺后，可使用三臂鑿巖臺車來用于裝藥作業(yè)。由于作業(yè)人員較少，裝藥作業(yè)工效不高，因此，在后續(xù)施工環(huán)節(jié)中需優(yōu)化為采用臺架裝藥。對此，利用三臂鑿巖臺車的鉆孔功能，可用于系統(tǒng)錨桿施工中的鉆孔作業(yè)。

總體來說，三臂鑿巖臺車在大斷面大型機械化施工中發(fā)揮了重要作用。

4.2 拱架拼裝機

在本工程項目中，試驗初期發(fā)現(xiàn)，拱架拼裝機抓手對工字鋼夾持比較方便，而對格柵鋼架（特別是三肢）夾持困難。關(guān)于此，在后經(jīng)對格柵鋼架采取鋼板對夾持位置改良，有效地解決了格柵鋼架抓取的難題。

另外，在試驗初期，由于現(xiàn)場采取了拱架拼裝機配合鋼架安裝作業(yè)，因此相關(guān)熟練后效率有所提升。另外，因受空間所限導(dǎo)致大型機械轉(zhuǎn)換時間較長，且同時使用靈活度不夠且作業(yè)人員數(shù)量受限等緣故，經(jīng)試驗后發(fā)現(xiàn)，采用拱架拼裝機進行鋼架安裝，其作業(yè)效率提升空間較小。針對此，后續(xù)決定仍然采用臺架進行人工立拱作業(yè)。

用于裝藥和人工立拱的為同1 個臺架，施工時需要經(jīng)常在全斷面和短臺階法轉(zhuǎn)換，因此采用可拆卸式帶伸縮滑槽裝置的開挖工裝[3]。

4.3 錨桿臺車

錨桿臺車可高效用于施工系統(tǒng)錨桿，其需要使用專用錨桿。常規(guī)砂漿錨桿的鉆孔功能可被三臂鑿巖臺車代替。考慮單線鐵路隧道空間限制，大型設(shè)備過多將對施工工效產(chǎn)生較大不利影響。因此，本項目后期未繼續(xù)采用錨桿臺車。

4.4 濕噴機械手

濕噴機械手已屬成熟的施工機械，對提升初支混凝土施工質(zhì)量和工效具有重要作用，大斷面法適宜采用濕噴機械手作業(yè)，同時，1 個好的操作手對于施工質(zhì)量和工效有直接影響。本項目經(jīng)試驗實現(xiàn)了單線鐵路隧道用2 臺濕噴機械手并排同時作業(yè)，明顯減少了工序時間。

4.5 自行式移動棧橋

本項目采用了自行式移動棧橋可供2 板仰拱同時作業(yè)，這能夠?qū)崿F(xiàn)仰拱多工序流水作業(yè)，由于架高空間改善了仰拱的作業(yè)環(huán)境，因此，固定式邊墻模板實現(xiàn)施工過程快速省力。

在使用過程中，發(fā)現(xiàn)自行式移動棧橋具有值得改進的方面。具體來說就是：當發(fā)生維修時間較長的故障時，仰拱施工中斷將對正常施工組織產(chǎn)生極大影響，建議改進行走及支立系統(tǒng)，使其可以在現(xiàn)場快速改裝后在仰拱填充面行走。

此外，在故障難以修復(fù)時，可采用簡易棧橋在前方繼續(xù)施工仰拱，而移動棧橋修復(fù)后再前移至仰拱端頭恢復(fù)正常施工。

5 實施效果

5.1 曼木樹隧道

出口及3 號斜井小里程先后大型機械化施工，共計施工時長30 個月（包括2 個春節(jié)耽誤約1.5 個月、雨季便道斷道耽誤約1.5 個月），共計完成開挖2 319.5 m（Ⅳ級1 979.5 m、Ⅴ級340 m），月均77.3 m，最高月124 m，其中10 個月進尺超過90 m，5 個月進尺80～90 m。

5.2 勐臘隧道

1#斜井大里程采用大型機械化施工28 個月（包括2 個春節(jié)耽誤約2 個月），共計完成開挖1 930 m（Ⅲ級100 m，Ⅳ級1 780 m、Ⅴ級50 m），月均69 m，最高月115 m，其中6 個月進尺超過90 m，4 個月進尺80～90 m。

總體來說，這一施工過程安全可靠，未發(fā)生意外事件，施工工效得到大幅提升且比較穩(wěn)定?？梢哉f，采用大斷面大型機械化施工，解決了曼木樹、勐臘隧道工期風險，確保了其安全順利貫通。

6 結(jié)語

研究表明，對速度160 km/h 鐵路單線隧道采取適應(yīng)性措施后，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖大型機械化快速施工是可以實現(xiàn)的，且工效較為穩(wěn)定。與雙線斷面采用大型機械化施工相比，單線鐵路隧道優(yōu)勢在于掌子面穩(wěn)定性有利，劣勢在于空間受限不便于大型機械設(shè)備作用的發(fā)揮，因此，不宜配備過多大型機械設(shè)備，一機多用為佳。