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摘要：以蒙华铁路杨树岭隧道为例，论述单线铁路隧道爆破控制方案的优化和管理、机械化配套施工，探索隧道快速施工技术。为提高工程质量、确保安全、降低成本、加快施工进度起到重要作用和实践价值。
关键词：单线铁路隧道；光面爆破；机械化配套；快速施工综合技术
前言
蒙华铁路工程开工以来，蒙华公司推行系列工程建设新理念。施工中推行新技术、新工艺，新设备，不断进行方案的创新和优化，管理中推行技术、质量分级管理，提升施工自主、自控能力。全面落实班组长责任制，使施工安全、质量在源头把控。在此指导思想下，项目部对爆破控制方案进行不断优化，强化管控措施，对施工关键工序工艺进行研究和细化管理，对械设备进行合理选型，推进机械配套施工技术，合理组织洞内施工，提高了质量、效益，促进了隧道的快速施工。
1工程概况
杨树岭隧道进口、出口分别位于江西省上高县翰堂镇邹家村（里程DK1746+383）、南港镇前进村（里程DK1750+616.81），隧道全长4233.81m，为单洞单线隧道。隧道进出口内轨顶面设计标高分别为86.298m、107.610m，最大埋深270m。地质岩性以石灰岩为主。主要不良地质有有断层破碎带，岩溶及裂隙发育，不均匀分化可能发生突水、突泥灾害，裂隙发育，断层等。
2单线隧道快速施工方法
2.1隧道爆破开挖
2.1.1隧道光面爆破技术
钻爆法施工由于工装简单、工艺粗糙以及管理人员思想不重视等原因容易造成开挖成型质量差，超欠挖较大，造成施工浪费。很大程度影响隧道支护质量，甚至造成坍塌等安全事故的发生。隧道爆破控制成为隧道施工确保安全、质量、成本的重中之中。项目部及四工区结合围岩性质对隧道光面爆破技术进行试验、总结，爆破控制取得很大成效，达到了线形超挖控制在10cm的要求之内。
2.1.2钻孔作业设备配备
隧道采用自制组装式作业台架，台架尺寸（5.9m宽*×8.1m高），施工Ⅱ、Ⅲ级围岩将两个台架组装到一起进行全断面钻孔施工，施工Ⅳ级、Ⅴ级围岩将上部台架拆除，用下部台架即可用于台阶法钻孔施工，（分解后尺寸5.9m宽*4.41m+4m）使用方便，钻孔采用手持TY-28风钻钻眼。前期施工全断面法施工配置7把风钻，10人，一个循环钻孔时间为6～9h，钻孔时间长，经过方案优化，全断面法施工配置11把风钻，15人，一个循环4～6h即可完成钻孔，时间明显缩短。
2.1.3施工方案选择
根据隧道围岩情况及工期要求，隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法施工。
2.1.4隧道爆破控制的分析及效果的影响因素
隧道实施爆破控制使隧道轮廓符合设计断面要求，围岩保持稳定，为后续支护衬砌施工创造舒适安全的条件，大大减少了岩石超挖量、出碴工作量、及砼回填量，提高了施工速度，降低工程成本。影响光面爆破效果有以下因素：
（1）隧道围岩地质构造影响
根据工程地质状况对光面爆破效果影响极大，在相同爆破条件下，整体性越好，光爆效果越好，反之则光爆效果较差。
（2）炸药种类及装药方法影响
要实现光面爆破，选用爆速低，密度小，爆力大的炸药。炸药采用小直径药卷增大不偶合系数。装药集中度控制在0.05～0.31kg/m，过大易破坏光爆壁面，过小则爆不下来。
（3）爆破起爆顺序、起爆方法及装药结构及堵塞质量影响。
（4）钻机类型及布孔、钻孔精度影响。
钻机尺寸大小直接影响到周边眼的外插角在两排炮眼衔接处是否能够连通，不形成台阶。钻孔时尽量减小开眼误差及钻眼角度误差。
2.1.5优化、确定钻爆设计
根据统计数据，优化钻爆设计之前，线性超挖17.4～23.2cm。为达到预期的钻爆目标，确定合理的钻爆参数，分三个步骤实施，结果如下：
第一步，根据统计的钻爆数据，查找原因，进行了第一次参数优化；线性超挖降至12.2～15.2cm。第二步，选取典型段落进行了第二次优化试验；线性超挖降至8.1～9.2cm。第三步，全面推广优化钻爆设计参数，加强现场管理，并盯控实施。
效果：钻爆优化调整后线性超挖平均值为9.2cm，钻爆控制达到平均线性超挖小于10cm，炮眼残痕率大于85%，光面爆破效果好，达到目标要求，在蒙华项目部内部推广。
2.1.6光面爆破控制要点
光面爆破技术严格控制装药量，以减小对围岩的扰动，控制超欠挖，控制洞渣粒径以利于挖堀装载机装渣。隧道开挖每个循环都进行施工测量，控制开挖断面，在掌子面上用红油漆画出隧道开挖轮廓线及炮眼位置，误差不超过5cm。采用全站仪控制开挖方向；钻眼时掘进眼保持与隧道轴线平行，除底眼外，其它炮眼口比眼底低5cm，以便钻孔时的岩粉自然流出，周边眼外插角控制2°～3°为最佳。掏槽眼严禁互相打穿相交，眼底比其它炮眼深20cm；装药前炮眼用高压风吹干净，检查炮眼数量；装药时，每眼装药后用炮泥堵塞；雷管联接好后有专人检查，检查雷管的连接质量及是否有漏联的雷管，检查无误后起爆；控制隧道底超欠挖，保证隧道开挖轮廓圆顺。及时排除隧道内的积水，减少积水浸泡围岩；
实施光面爆破过程中，爆破设计参数要随围岩地质情况及爆破效果随时调整，以取得最优的爆破效果。
2.2出渣
出渣是隧道施工中用时最多、最影响工程进度的一个工序，解决快速出碴是实施快速掘进的关键。
杨树岭隧道断面小，6.5m宽，9.1m高，每米断面方57m3，操作空间狭窄，机械选型十分重要，结合现场实际情况，采用双口掘进，两口各施工长度2115m，如采用有轨运输，增加有轨运输电瓶车和轨行履带两用的挖掘机，造价成本高。充分利用隧道设计洞室作为车辆和设备的会车点，由专人进行协调运输线路，提高了出渣工作效率，每循环出渣共计用时约2～3h。确保隧道开挖作业一个循环周期约10～12h，每天必保两个循环施工，为实现隧道快速掘进奠定了良好的基础。
2.3初支砼喷射
隧道开工初期采用小型湿喷机进行初支砼喷射，小型湿喷机每小时喷射砼4～6m3，施工Ⅳ级、Ⅴ级围岩一次喷射15～25m3，一个循环喷射砼时间为4～6h才可以施工完成。引进大型湿喷机械手后每小时喷射砼为20～28m3，一个循环喷射时间为1～1.5h，施工功效显著提升。
2.4仰拱
遵循“初期支护快速封闭成环、二衬仰拱及仰拱填充大区段施工”的原则，仰拱采用24m长栈桥及挂模快速施工技术，改变了传统的仰拱施工工法，实现仰拱、小边墙一次性施作24m，开工前期采用小栈桥（12m）每次施工8m，开挖+砼等强需要3d，施工小边墙还需要8h左右。综上，小栈桥施工功效非常低，成本高，小栈桥行车也非常不安全，两侧无固定支撑，车辆易发生侧翻事故。采用24m走形式栈桥后，开挖+砼等强时间也为3d，且小边墙一次性施做，大大提高施工速度，节约了成本。安装移动液压式仰拱栈桥，允许各种车辆通过，安全性高。因此能加快仰拱施工进度、使安全步距达标，又能降低成本、保证质量。
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2.5二衬
2.5.1防水板挂设
设计防水层为1mm厚的聚乙烯薄膜无纺布。在隧道断面找平，检查尺寸合格后，首先在无纺布上设垫圈，使用射钉枪锚定无纺布，然后采用电动熔接器，将薄膜熔合在一起，并固定在垫圈上，消除了以往单层塑料防水板存在着锚固孔眼的弊端。经过试验检测，一次验收合格率100%。
2.5.2钢筋安装
施工中，通过对比不同钢筋连接方式，焊接连接和直螺纹套筒连接进行对比，将现场实际对比情况统计如下。
（1）钢筋焊接采用单面焊或双面焊焊接一组钢筋时间约为5～7min，二衬钢筋共计104个接头，共计需要624min，三个焊工焊接作业需要大约4h；采用直螺纹套筒钢筋安装只需普工4人，每个接头安装约2min，104个接头共需要208min，两组同时施工，104min即可完成，功效明显提升。
（2）钢筋焊接接触面与防水板位置需要放置防火垫板，焊接易发生火灾，采用直螺纹套筒连接既快速，又可以保证质量和安全。
（3）采用直螺纹连接钢筋机械连接与搭接焊相比，不仅大大降低了施工成本，还具有操作简便、连接效率高和质量稳定可靠等优点；直螺纹连接不但节约成本，更大大缩短了工作时间。
2.5.3二衬砼
二衬砼浇筑采用分流槽布料，从下往上逐层打开所有窗口灌注，一窗开口6个工作面，二窗开口6个工作面，三窗开口4个工作面，然后冲顶砼。砼振捣采用附着式振捣器配合插入式振捣器，分层浇筑分层振捣，连续灌注；全断面模板台车进行拱墙整体一次模筑；施工效率高，砼质量得到明显提升。
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩最高月二衬施工240m，平均每月二衬施工180m。Ⅴ级围岩围岩最高月二衬施工120m，平均每月二衬施工100m。
2.6水沟电缆槽
为了提高模板整体性，简化施工工序，加快施工进度，保证结构外观质量，节约工程成本，工区管段内隧道水沟电缆槽采用移动模架施工，总结提炼出隧道水沟电缆槽移动模架施工工法，该工法的优点有：
采用大块定型钢模，减少组装模板的工作量。使用定位卡固定模板，极大的消除了模板工人技能不熟悉对外观质量的不良影响，一般杂工即可。既保证结构外观质量，又便于施工组织。通过模架把大块模板和定位系统组成一个整体，代替传统小钢模、方木撑零散拼装施工。还可通过机械牵引将移动模架整体移动至下一组，劳动强度低，速度快。模架制作费用低，操作简单，施工作业面整洁、文明，施工效率高，值得推广使用。
3机械化配置配套综合施工
机械设备的选型与配套和施工方法密切相关，项目部根据地质条件、工期要求、环境条件、安全要求等方面进行比选确定。隧道作为地下工程，工作面狭窄，工作条件差，各工序施工干扰大，尤其是单线铁路隧道等较小断面的隧道，施工机械设备的选择尽量考虑选用专业（用）设备，充分发挥机械化施工的效能。
3.1设备配置
结合蒙华铁路隧道设计情况、建设管理要求以及当前铁路隧道机械化配套的实践经验，单线铁路隧道按照如下方案配置。
3.1.1隧道超前地质预报设备
超前地质预报选择专业化队伍实施专业分包，仪器设备由专业化队伍自行购置（专业化队伍不配置多功能钻机，配置TSP203、红外探水仪、地质雷达、地质钻机等）。
3.1.2开挖设备
采用人工多功能台架配YT-28风动凿岩机实施钻爆法开挖，配置规格不小于20m3/min的螺杆空压机供风。
3.1.3初期支护设备
（1）二公司管段内配置4台砼喷射机械手，一台砼喷射机械手负责两个工作面作业，根据工程进度进行调整。配置铁建重工生产的SP3016砼喷射机械手4台，配置不小于6m3的砼输送车，采用商品砼.
（2）格栅钢架的安装采用传统的人工安装方式。
（3）杨树岭隧道、南港隧道利用多功能钻机（与超前地质预报钻孔共用）安设锚杆。其它隧道锚杆数量较少，采用人工配合风动凿岩机安装锚杆。
3.1.4出渣运输设备
每工作面配置1台斗容量不小于2m3的侧卸式装载机配合挖掘机装碴，配置不小于15t的自卸汽车运碴。
3.1.5防水作业设备
采用多功能台架挂设安装防水层，采用超声波焊接机焊接。
3.1.6二次衬砌设备
每工作面配置1台10.5m的自动走行全液压模板台车（带止水带对夹端模），配置1台不小于60m3/h的砼窄体输送泵浇筑砼，配置不小于6m3的砼输送车，采用商品砼；配置1台自动走行的砼养护台架。
3.1.7仰拱施工设备
每工作面配置自行式全液压仰拱栈桥（有效作业跨距不小于24m）和带曲边墙的矮边墙模板进行仰拱砼施工，配置不小于6m3的砼输送车，采用商品砼。
3.1.8水沟电缆槽施工设备
采用整体拼装式钢模板进行水沟电缆槽砼施工，配置不小于6m3的砼输送车，采用商品砼。
3.1.9通风设备
搞好隧道通风，改善作业环境，是实现隧道快速施工的必要条件。根据总体工期安排，通风质量尤为关键。杨树岭隧道采用西班牙驭创变频式轴流风机（2×110kw）；一般隧道采用咸阳产轴流风机（功率2×55kw～2×110kw）进行压入式通风。通风管采用PVC增强维纶面制成的柔性风管，有优良的阻燃的抗静电性能，直径1.5m，节长一般在20～50m。根据通风效果及时调整风机转速，采用低速、中速或高速，在保证施工通风效果的前提下，达到节约用电的目的。
3.1.10人员安全定位系统
为确保施工安全，强化对现场施工情况的动态控制，全面提高项目施工生产和安全管理的综合水平，项目引进电子屏显示和系统安全定位系统。电子屏悬挂于隧道洞口上方，能够及时、准确地掌握隧道内施工的动态情况，为隧道现场施工的办公自动化奠定了基础。安全定位系统可以自动统计隧道内作业人员的进出时间，随时反映隧道内人员和机械的运行情况，可以显示作业区内人员的数量、身份、位置等数据，为迅速展开抢险提供确切的决策依据，极大提高了安全生产防控能力。
3.1.11半成品加工设备
半成品应设置加工厂集中加工，隧道共设置2座加工厂。每座加工厂配置隧道用半成品加工设备如下：10t龙门吊一台、钢筋弯曲机、钢筋切断机、JSL多功能冲剪机、等离子切割机、钢筋网多点焊机、八字结自动弯曲机、拱架冷弯机各一台、二氧化碳保护焊机械。
3.1.12监控量测系统
隧道监控量测采用人工全站仪采集数据，及时上传系统，利用中铁科研院研发的隧道施工监控及防坍塌预警系统使管理人员随时掌握初支围岩变形情况，变形超过标准值时，立即进行预警。
按照开挖是龙头、出渣运输是关键、支护保安全的原则去选定，一要从设备功能及适应性、先进性考虑，二要从数量的满足上考虑，三要从匹配配套上考虑，生产能力高的受生产能力低的限制，生产能力发挥不出，即使管理再好，设备再多，仍然实现不了快速掘进，只有配套合理，才能发挥综合效率，实现快速掘进的目标。
4结束语
运用TSP203、地质雷达并结合超前探孔等超前预报手段，总结出了一套针对高风险隧道的超前地质预报方法，对指导隧道施工起到了重要的作用，有效的减小了地质灾害对隧道施工的影响，确保施工安全。针对灰岩、砂岩岩层，在施工中不断总结，并通过现场不断优化，形成了一套适合于单线隧道快速施工的工艺。光面爆破开挖成形效果对隧道的初期支护及二次衬砌质量有着直接影响，关系着整个项目的效益，必须严抓不放。搞好文明施工，创造良好的施工作业环境是实现快速施工的前提。良好的工作环境，既能激发职工的劳动潜力，又能提高工作效率。通过合理配置施工机械，合理组织施工，采用砼湿喷机械手、液压移动栈桥等先进的施工设备，实现了铁路单线长隧道的快速掘进，为铁路隧道的机械化配套施工做出了有益的探索和实践。
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论文作者:韩立中
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：隧道论文; 围岩论文; 光面论文; 作业论文; 断面论文; 单线论文; 钻孔论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;