单线隧道复杂软弱地层微台阶快速施工技术应用研究
时间：2023-02-27 14:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
明雪
（中铁隧道局集团路桥工程有限公司，天津 300308）
隧道工程具有以下主要特点：隐蔽未知性强，地勘工作不能全覆盖，揭示地质与设计地质存在不一致；
工程结构复杂，作业工序多，与作业空间狭窄存在矛盾；
专用机械设备少，机械化程度不高，劳力投入大，施工效率低。受以上因素制约，工程施工安全风险高[1]。
目前中国每年设计、建设、运营的隧道数量都在成倍增长，预计到2020年中国投入运营的铁路隧道总量达到1.7万座，总长度突破2万km，中国已成为隧道超级大国[2]。但从另一个角度来看，中国隧道施工技术水平还不高，大多数是靠大量的劳力来实现高效率；
工艺工法更迭速度慢，墨守成规。因此在蒙华铁路隧道施工过程中，汲取以往施工经验，对隧道开挖支护、仰拱、二衬等各道工序进行了较大的技术创新完善，并成功运用到实践中。以蒙华铁路中条山隧道为例，对软弱地层单线隧道微台阶机械化快速开挖支护施工技术进行回顾总结，为同行提供有益的借鉴。
中条山隧道设计为双洞单线隧道，穿越中条山脉，隧道左线长度18 405 m，右线长度18 410 m。隧道埋深一般大于400 m，最大埋深约840 m。隧道设置5座斜井和1座平导辅助施工（4#斜井在工程前期优化中取消），其中1#、2#、3#斜井长度全部大于2 km，2#斜井最长为2 429 m。中条山隧道为高风险隧道，工程地质和水文地质极为复杂，是蒙华铁路全线头号控制性工程，按照Ⅰ级风险隧道管理。隧道穿过的地层主要为太古界变质岩（岩性为片麻岩、斜长角闪岩、浅粒岩），震旦系和寒武系沉积岩（岩性主要有灰岩、白云岩、泥岩、页岩），第三系半成岩卵石、砾石夹黏土层，第四系新、老黄土层。主要不良地质包括：①断层发育，隧道穿越段共有11条断裂带；
②隧道5#、6#斜井承担施工段通过第三系N2洪积扇地层，设计有2 3 5 0 m为富水高承压含水层，正常涌水量达36 500 m3/d，施工风险极大。
3.1 总体施工原理
结合铁路单线隧道断面特点，充分利用时间和空间效应，合理选择“钻、挖、装、运、支”机具设备，运用信息化手段，实现“快挖、快支、早强、早封闭”，确保隧道质量安全。
上台阶钢架架设紧贴掌子面，仰拱初支钢架紧跟下台阶，初支结构快速封闭成环，尽早整体受力，保证隧道支护结构稳定和施工安全。选用大型混凝土湿喷机械手（大于15 m3/h），提高混凝土施工质量和施工工效[3]。选用分离式作业台架、小型挖掘机及装载机，解决作业空间有限问题。上台阶立拱的同时进行下台阶出碴，实行平行作业[4]，以节省工序时间。
3.2 总体施工方案
总体施工工艺流程如图1所示。总体施工方案具体如下。
图1 施工工艺流程图
3.2.1 操作要点与设备选型
隧道软弱围岩地层施工要点为“一强化、二紧跟、三超前、四到位”[5]。一强化即强化监控量测；
二紧跟即钢架紧贴掌子面，初支仰拱封闭成环紧跟下台阶；
三超前即超前预报、超前加固、超前支护；
四到位即工法选择到位，支护措施到位，快速封闭到位，衬砌质量到位。
施工采用微台阶法施工，机具设备选型是关键[6]。选用双拼作业台架、小型140挖掘机和ZL40装载机，体积小、机动灵活；
隧道喷射混凝土均采用湿喷机械手，质量稳定，工效高，环境好。
3.2.2 台阶尺寸与台架选型
3.2.2.1 台阶开挖高度和长度
合理选择台阶开挖高度和长度。上台阶高度设置需考虑到台架高度及相应的作业空间问题，下台阶及仰拱高度考虑在无机械配合前提下人工作业的便捷性，台阶长度综合考虑保证挖机等机械的有效作业半径和施工作业空间。
单线隧道台阶长5～6 m，上台阶高5～6.5 m，下台阶（含仰拱）高3～4.5 m；
每循环开挖长度根据现场地质情况确定，一般Ⅳ、Ⅴ级围岩段不大于2榀拱架。台阶横断面如图2所示，纵断面如图3所示。
图2 单线隧道微台阶横断面示意图
图3 单线隧道微台阶纵剖面示意图
3.2.2.2 作业台架
单线隧道断面狭小，考虑台架搬运的便捷性和存放位置错车需要的宽度，上台阶作业台架采用2个分离式台架现场拼装，单个台架长约4 m，宽约2 m，高约3 m。下台阶（含仰拱）采用爬梯辅助作业。作业台架设置如图4所示。
图4 单线隧道作业台架设置示意图
3.2.3 机械配套与施工组织
3.2.3.1 施工准备
分析超前地质预报、监控量测信息；
通风照明状况良好，作业人员到位，组装开挖作业台架，接通风水管线，检查设备机具。如围岩无法自稳，则需进行超前预加固[7]后进行开挖作业。
3.2.3.2 上、下台阶（含仰拱）钻眼及爆破
测量放样及布孔：工班长根据测量组放样开挖轮廓线按照爆破设计进行布孔，技术员进行确认检查。
钻孔：定人定钻，工人根据所分配的钻眼范围，采用YT-28风钻湿式钻眼，钻孔采用Φ42 mm钻钎，炮眼位置应先捣平，开眼时先低速运转，待钻进一定深度后再全速钻进。
清孔：将带有阀门专用吹管插入孔内，利用高压风将杂物吹出。
验孔：检查有无堵孔、塌孔、串孔。并根据爆破设计检查布眼形式，有无漏打情况。
装药：清孔完毕，装药由持证爆破员操作，每2人一组，按照钻爆设计图自上而下进行装药。装药量、雷管段别以及装药结构和装药方式严格按照爆破设计参数进行，完成后用炮泥堵塞密实。
连线：网络连接按爆破设计将规定数目非电毫秒雷管脚线捆绑成束，由工作面向起爆点逐段进行连接，同时必须保证起爆的可靠性和准确性。
起爆：起爆前，所有人员撤离至安全地点，距离掌子面不小于300 m且不受有害气体、振动及飞石伤害的安全地点；
起爆由爆破员操作，安全员监督。
通风排烟：风管口距掌子面约30 m，通风15 min后确保洞内空气质量良好，由原装药爆破员进入作业现场查看，检查有无盲炮、有无残存的爆破器材。
3.2.3.3 扒碴及上台阶作业台架就位
排烟结束后，现场领工员指挥挖掘机扒碴，处理掌子面范围松动岩石，上台阶碴土平整完成后将后方分离式台架移至掌子面，台架安放必须保证稳固牢靠，作业人员到场后安排专人手持钢钎再次找顶，必要时对掌子面采取初喷混凝土等处理措施加固。
3.2.3.4 出碴
挖掘机扒碴，装载机配合装碴，自卸汽车运至弃碴场。下台阶出碴前将上台阶初支所需材料转至上台阶。
3.2.3.5 拱架安装及超期支护施作
上台阶安装拱架、施作锁脚锚管、网片、连接筋与超前支护（超前支护采用Φ42 mm无缝钢管加工，单根长度为2倍循环进尺并严格控制安装角度），并同步进行下台阶出碴，采用ZL40装载机装碴，自卸汽车运碴。出碴结束后开始下台阶立拱、施作锁脚锚管、连接筋及钢筋网片施工，同时人工配合挖机进行仰拱扒碴及清碴，该部分洞碴预留用作仰拱回填使用，仰拱扒碴结束后开始仰拱部位立拱与挂网施工。
出碴过程中将通风管接至距离掌子面30 m处，并且后方仰拱栈桥不得移动，以保证出碴汽车与运送材料的车辆通行。
3.2.3.6 喷射混凝土
下台阶及仰拱拱架、连接筋等施作完成后，进行喷射混凝土施工。混凝土罐车运输初支混凝土至现场后采用湿喷机械手喷射，先仰拱后下台阶，完成后采用挖机对下台阶和仰拱部位进行回填洞碴至中台阶部位，形成坡道，然后采用挖机退出上台阶台架，之后进行上台阶喷射混凝土，如图5所示。
图5 上台阶喷射混凝土
3.2.4 信息化施工
3.2.4.1 超前地质预报
由专业人员主要运用TSP、地质雷达、地质素描技术进行超前地质预报，特殊地质增加超前地质钻探，根据预报结果及时分析，反馈指导施工。
3.2.4.2 监控量测
制定监控量测管理办法，细化方案，建立监控量测信息自动预警管理信息化平台，明确各围岩级别的预警管理值，将监控量测纳入工序管理。根据量测信息，动态优化施工进尺和支护参数。发生预警时，按管理责任及时采取相应处置措施。对于大变形地段，加强监测，加大监测频率，必要时进行实时监控。
3.2.5 质量、安全控制要点
仰拱紧跟下台阶，特殊情况仰拱距掌子面极限距离：两台阶法施工时按1倍洞径控制；
三台阶法施工时按1.5倍洞径控制[8]。
隧道内施工必须设专人24 h值守，负责各施工工序间的组织衔接以及人、料、机的准备工作。
洞内机械设备多，同步开展的工序多，要做好各工序间的安全防护和日常管理，加强工序间交接和交通安全管理。
坚持每循环放样、断面检查，准确测设开挖轮廓线，技术人员从炮眼位置、外插角、炮眼深度、装药到起爆各环节进行全程监控。
上下台阶初支钢架必须紧贴掌子面[9]，同时拱脚部位采用轻硬质垫块垫实；
拱架各单元连接板以螺栓连接牢固；
每榀钢架拱部、拱脚处，打设锁脚锚管锚固，与钢架在同一平面内，水平朝下30°～45°，使用锁脚锚固筋将锁脚和拱架双面焊接，确保连接牢固；
锁脚打设完毕后，注水泥砂浆。为确保上下台阶连接部位初支施工质量，喷射混凝土时，上台阶拱脚必须设置钢隔板。
软弱地层隧道施工，必须把超前地质预报和监控量测纳入施工工序管理[10]，未进行监控量测或量测预警未消除不允许施工人员进入现场作业。将监控量测纳入统一的信息管理平台，认真做好超前地质预报和监控量测信息分析，及时进行动态管理与信息反馈，防止隧道塌方造成人员伤亡。
单个工作面需要配置的机具设备如表1所示。单个工作面需要配备的劳动力如表2所示。
表1 机具设备配置表
表2 劳动力组织配备表
中条山隧道地质情况差，Ⅳ、Ⅴ级围岩占比大，工期紧，如采用传统台阶法施工，不利于安全和工期控制，因此Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用了微台阶机械化快速施工技术。
根据施工技术指标，采用传统台阶法施工，Ⅳ级围岩地段进度指标为70 m/月，Ⅴ级围岩地段为50 m/月。采取微台阶机械化快速施工技术后，Ⅳ级围岩实际月平均进尺为90 m，Ⅴ级围岩为75 m。Ⅳ、Ⅴ级循环时间表如表3所示。隧道历时1 304 d，提前6个月安全贯通，未发生隧道塌方及人身伤亡事故。
表3 中条山隧道Ⅳ、Ⅴ级循环时间表
通过改进施工技术，经济效益显著，喷射混凝土质量100%合格，确保了工程质量和安全。最重要的是，丰富了单线铁路软岩隧道的施工方式，改善了施工作业条件，推动了隧道开挖施工技术的发展，具有巨大的潜在社会效益。
隧道施工是所有铁路工程建设质量、安全管控的重点，主要原因就在于工程的隐蔽性、地质条件的不确定性、工程结构的复杂性以及作业空间的受限性。因此在中条山隧道的施工过程中不断总结、创新优化施工工艺并在蒙华全线进行了推广应用，取得了社会广泛的认可。但仍有部分工作还有待提高，具体如下：一是隧道施工发展的出路在于机械化[11]，但目前中国隧道开挖仍然以人工为主，建议要加强配套的机械设备的研究和制造，提高机械化水平；
二是隧道工程应实行动态优化设计[12]，建议加强过程隧道地质预报分析、结构的监测和受力分析工作。
