單線鐵路隧道三臺(tái)階法快速施工控制
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摘要：不良地質(zhì)地區(qū)單線鐵路隧道礦山法施工需要面臨圍巖變形難以控制、安全風(fēng)險(xiǎn)高及作業(yè)空間狹小、施工工效低的問(wèn)題，文章以杏子山隧道三臺(tái)階法快速施工為例，介紹了單線鐵路隧道三臺(tái)階法快速施工的控制要點(diǎn)，并以“出碴-立架”“錨噴”兩個(gè)工序單循環(huán)作業(yè)時(shí)間為統(tǒng)計(jì)樣本進(jìn)行施工效率對(duì)比，反映了采用快速化施工對(duì)整體工效的提升效果。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉€隧道；三臺(tái)階法；快速施工；控制要點(diǎn)
1工程背景
杏子山隧道是新建大臨鐵路重難點(diǎn)控制工程，該隧道全長(zhǎng)8867m，設(shè)計(jì)為單洞單線普通鐵路隧道，其中2號(hào)橫洞施工段落均為Ⅴ級(jí)圍巖，襯砌斷面形式為四心圓馬蹄型小跨度斷面，有仰拱段開(kāi)挖斷面67.4m2，襯砌斷面50.0m2，具體如圖1所示。杏子山隧道作為單線鐵路隧道，內(nèi)輪廓軌面凈空寬度僅有6.3m，軌面以上有效凈空面積為42.1m2，該類(lèi)型小斷面隧道一般常采用兩臺(tái)階、全斷面法施工，但該隧道所處的云南省西部橫斷山系縱谷區(qū)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁，本身就是地震高發(fā)地區(qū)，其圍巖復(fù)雜多變，采用常規(guī)施工方法隧道初期支護(hù)變形難以控制，而采用三臺(tái)階法施工，將本就狹小的工作面一分為五，將使得隧道各作業(yè)面過(guò)于狹小，各工序作業(yè)空間受限、相互干擾嚴(yán)重，部分大功率、高效的設(shè)備不能使用，這將嚴(yán)重影響施工工效。
2單線隧道三臺(tái)階法快速化控制要點(diǎn)
單線隧道三臺(tái)階施工時(shí)，往往圍巖較差，安全步距控制較為嚴(yán)格，加之三臺(tái)階占用的臺(tái)階長(zhǎng)度較二臺(tái)階要長(zhǎng)，洞內(nèi)交通受限更為嚴(yán)重，容易導(dǎo)致循環(huán)作業(yè)時(shí)間加長(zhǎng)。因此應(yīng)盡可能增加工序搭接和平行作業(yè)，在圍巖條件允許時(shí)進(jìn)行各臺(tái)階同步起爆及出碴，充分發(fā)揮三臺(tái)階施工工法開(kāi)挖斷面穩(wěn)定性好、封閉成環(huán)時(shí)間短、作業(yè)面多的特點(diǎn)，可有效提升工效，達(dá)到快速化施工的目的，突破單線軟弱圍巖隧道進(jìn)度緩慢、工效低的施工瓶頸。
2.1合理進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)
杏子山隧道采用三個(gè)臺(tái)階進(jìn)行爆破施工，將其合理劃分成五個(gè)工作面進(jìn)行作業(yè)，按臺(tái)階類(lèi)型的不同，劃分為硐室光面爆破和淺孔臺(tái)階爆破兩類(lèi)。對(duì)于上臺(tái)階開(kāi)挖，需采用光面爆破方式進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)；對(duì)于中、下臺(tái)階開(kāi)挖，采用淺孔臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)。
2.1.1上臺(tái)階硐室光面爆破炮孔設(shè)計(jì)由于上臺(tái)階底板處鋪筑了碴堆，該處無(wú)法施作鉆孔。對(duì)于較為軟弱的圍巖在爆破后可通過(guò)挖掘機(jī)鏟斗破碎該部分圍巖；對(duì)于一般軟弱圍巖該處可能會(huì)存在巖石破碎不足、挖掘機(jī)無(wú)法作業(yè)的情況?？紤]該方法的通用性，在掏槽眼布設(shè)時(shí)，考慮在堆渣平臺(tái)頂部向下鉆設(shè)一排斜眼，起爆順序安排在掏槽眼爆破之后。這樣在掏槽拋擲之后，利用斜鉆孔頂部的自由面起爆，一方面可使鉆孔之上的巖石向掏槽區(qū)拋擲；另一方面可使鉆孔之下的巖石破碎松動(dòng)，確保出碴時(shí)挖掘機(jī)作業(yè)效率。除此之外，由于上臺(tái)階斷面較小，輔助眼布設(shè)宜按豎向布設(shè)，逐層向外側(cè)擴(kuò)展。由于碴堆寬度一般大于掏槽區(qū)寬度，且側(cè)邊存在坡度無(wú)法鉆孔，因此緊鄰掏槽區(qū)的一列鉆孔的最底部宜傾斜施作，以增強(qiáng)底部輔助眼的崩落效果。采用碴堆鋪筑工作平臺(tái)的炮孔布置如圖2所示。決定爆破輪廓效果的核心條件是周邊眼的間距以及最小抵抗線和裝藥參數(shù)等，初步按照規(guī)范擬定的爆破參數(shù)以及掌子面地質(zhì)情況來(lái)確認(rèn)爆破參數(shù)，實(shí)際施工上場(chǎng)后再根據(jù)試驗(yàn)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，選擇低爆速、低猛度的防水乳化炸藥，采用間隔裝藥法，使裝藥量沿著炮眼均勻全長(zhǎng)分布，并合理地控制藥卷直徑，以達(dá)到不耦合裝藥的目的。采用非電毫秒雷管毫秒微差起爆來(lái)控制隧道爆破振動(dòng)速度來(lái)減少對(duì)周邊圍巖及建筑物影響，如圖2所示，標(biāo)注了各部位炮孔的起爆順序布置，雷管可參照?qǐng)D中起爆順序選擇段位。爆破時(shí)相鄰兩次起爆約50ms時(shí)差或間隔一個(gè)段位控制延時(shí)較為合適，以確保前一級(jí)爆破的巖石有足夠時(shí)間拋擲，亦可減少爆破時(shí)震動(dòng)疊加，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)。
2.1.2中、下臺(tái)階淺孔臺(tái)階爆破炮孔設(shè)計(jì)三臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)中下臺(tái)階采用淺孔臺(tái)階爆破，其炮孔分布如圖3示意。需要注意的是，中、下臺(tái)階同上臺(tái)階一樣，在臺(tái)階底部用碴堆鋪設(shè)了約300~400mm高的平臺(tái)，在鉆設(shè)最底層孔時(shí)，鉆孔應(yīng)往下傾斜。
2.1.3合理控制碴堆頂部鉆孔角度及裝藥因碴堆覆蓋掌子面底部，導(dǎo)致一部分鉆孔無(wú)法施工，為確保碴堆覆蓋部分巖體爆破效果，需在掏槽區(qū)域下方，從掌子面位于碴堆的頂部區(qū)域開(kāi)孔，向下傾斜鉆進(jìn)，使得終孔位置處于掌子面與底板交線處為最佳。裝藥時(shí)該孔按掏槽眼控制藥量，孔底約1/3炮孔長(zhǎng)范圍集中裝藥，炮孔中部約1/2炮孔長(zhǎng)范圍內(nèi)裝藥密度減為底部裝藥密度的40%~50%，炮孔前部剩余范圍不裝藥，采用炮泥封堵密實(shí)。
2.2合理選擇作業(yè)平臺(tái)類(lèi)型
由于單線鐵路隧道斷面狹小，在劃分為五個(gè)工作面后，臺(tái)階的長(zhǎng)度、寬度都將受限，進(jìn)行爆破鉆孔爆破作業(yè)時(shí)，作業(yè)平臺(tái)類(lèi)型及搭設(shè)高度等都將影響施工工效。
2.2.1使用洞碴鋪筑各臺(tái)階施工作業(yè)平臺(tái)作業(yè)平臺(tái)目前有采用洞碴就地鋪筑平臺(tái)和可拆裝平臺(tái)兩類(lèi)。人工鉆孔時(shí)最大鉆孔高度為1.9m，三個(gè)臺(tái)階高度均超過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)，須借助開(kāi)挖平臺(tái)抬升作業(yè)面才能完成作業(yè)。因此從整體工效考慮，三臺(tái)階施工時(shí)宜采用洞碴鋪筑方式搭設(shè)臺(tái)階施工平臺(tái)更為靈活高效。兩類(lèi)平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
2.2.2合理設(shè)置臺(tái)階高度在使用洞碴鋪筑平臺(tái)進(jìn)行鉆爆作業(yè)的前提下，應(yīng)合理規(guī)劃臺(tái)階高度，原因在于洞碴鋪筑高度有限。因洞碴鋪筑部分無(wú)法施作底板眼及輔助眼，若洞碴鋪筑高度過(guò)高，將導(dǎo)致底板部分爆破效果不佳。若圍巖性能較好，后期出碴過(guò)程中甚至?xí)霈F(xiàn)大塊尚未爆破破碎巖體，嚴(yán)重時(shí)需要補(bǔ)炮解決，降低工效。
2.3重視洞碴出運(yùn)工序銜接
三臺(tái)階洞碴出運(yùn)是單線隧道快速化施工的決定因素之一。出碴過(guò)程中的要點(diǎn)為如下。（1）挖掘機(jī)首先清理出上、中臺(tái)階工作面，在上、中臺(tái)階工作面即將清理完成時(shí)，洞外裝載機(jī)運(yùn)輸拱架進(jìn)入隧道，停留于避車(chē)洞等候；（2）上、中臺(tái)階清理出來(lái)后，挖掘機(jī)修整下臺(tái)階至上臺(tái)階坡道，裝載有拱架的洞外裝載機(jī)駛上坡道，將拱架卸于上臺(tái)階后退出工作面，下臺(tái)階繼續(xù)出碴作業(yè)；（3）下臺(tái)階出碴與上、中臺(tái)階立架作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，下臺(tái)階出碴完成后上、中臺(tái)階立架完成，可繼續(xù)進(jìn)行下臺(tái)階立架作業(yè)。由此可見(jiàn)，上、中臺(tái)階出碴完成后立即進(jìn)行其立架作業(yè)，下臺(tái)階出碴與上、中立架作業(yè)并行作業(yè)是快速化施工的關(guān)鍵。
3施工工效對(duì)比
杏子山隧道于2018年5月開(kāi)始全面推行快速化施工。本案例將3月9日~4月19日共計(jì)46個(gè)循環(huán)施工效率情況，包括“出碴-立架”工序單位循環(huán)作業(yè)時(shí)間、“噴錨”工序單位循環(huán)作業(yè)時(shí)間作為快速化施工前常規(guī)施工的對(duì)比樣本，將與4月19日~9月22日采用快速化施工后施工共計(jì)205個(gè)循環(huán)施工效率情況進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算平均單位循環(huán)作業(yè)時(shí)間，以反映出采用快速化施工后，對(duì)施工進(jìn)度的提升效果。考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)尺（榀數(shù)）并非固定，以下對(duì)比時(shí)均折算為在單位循環(huán)進(jìn)尺（單榀拱架進(jìn)尺）的單循環(huán)耗用時(shí)間。
3.1“出碴—立架”工序時(shí)間對(duì)比
快速化施工推行前，出碴和立架工序?yàn)橄群筮M(jìn)行，并無(wú)工序搭接；快速化施工推行后，實(shí)現(xiàn)了出碴和立架作業(yè)并行開(kāi)展，有效增加了工序搭接，縮短了作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。如圖4所示，實(shí)施快速化施工前，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時(shí)約4.77h；實(shí)施快速化施工后，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時(shí)約2.04~2.32h（圖中紅色虛線），平均節(jié)約時(shí)間53%，工效提升顯著。
3.2噴錨作業(yè)時(shí)間對(duì)比
快速化施工采用了自行式濕噴機(jī)，在作業(yè)班前準(zhǔn)備階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運(yùn)濕噴機(jī)就位的時(shí)間；在班后退場(chǎng)階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運(yùn)濕噴機(jī)撤場(chǎng)時(shí)間，最終在噴錨工序作業(yè)環(huán)節(jié)可節(jié)省工序時(shí)間。如圖5所示。實(shí)施快速化施工前，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時(shí)約4.4h；實(shí)施快速化施工后，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時(shí)約2.94~3.69h，平均節(jié)約時(shí)間17%，工效提升顯著。
4結(jié)語(yǔ)
不良地質(zhì)地區(qū)單線鐵路隧道礦山法施工需要面臨圍巖變形難以控制、安全風(fēng)險(xiǎn)高及作業(yè)空間狹小、施工工效低的問(wèn)題，而采用快速化施工、緊抓工序銜接，可實(shí)現(xiàn)安全與工效的平衡。（1）單線鐵路隧道三臺(tái)階法施工應(yīng)盡可能增加工序搭接和平行作業(yè)，在圍巖條件允許時(shí)進(jìn)行各臺(tái)階同步起爆及出碴，充分發(fā)揮三臺(tái)階施工工法開(kāi)挖斷面穩(wěn)定性好、封閉成環(huán)時(shí)間短、作業(yè)面多的特點(diǎn)，可有效提升工效，達(dá)到快速化施工的目的，突破單線軟弱圍巖隧道進(jìn)度緩慢、工效低的施工瓶頸。（2）單線隧道三臺(tái)階法快速化控制要點(diǎn)：一是合理進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，合理控制碴堆頂部鉆孔角度及裝藥，提高爆破效率。對(duì)于上臺(tái)階開(kāi)挖，需采用光面爆破方式進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)；對(duì)于中、下臺(tái)階開(kāi)挖，采用淺孔臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)。二是合理選擇作業(yè)平臺(tái)類(lèi)型，因其工作面狹小的特點(diǎn)，使用洞碴鋪筑各臺(tái)階施工作業(yè)平臺(tái)，合理設(shè)置臺(tái)階高度可明顯提高工效。三是重視洞碴出運(yùn)工序銜接，上、中臺(tái)階出碴完成后立即進(jìn)行其立架作業(yè)，下臺(tái)階出碴與上、中立架作業(yè)并行作業(yè)是快速化施工的關(guān)鍵。（3）單線隧道三臺(tái)階法快速化，實(shí)現(xiàn)了出碴和立架作業(yè)并行開(kāi)展，有效增加了工序搭接，縮短了作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。采用自行式濕噴機(jī)，在作業(yè)班前準(zhǔn)備階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運(yùn)濕噴機(jī)就位的時(shí)間；在班后退場(chǎng)階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運(yùn)濕噴機(jī)撤場(chǎng)時(shí)間，最終在噴錨工序作業(yè)環(huán)節(jié)可節(jié)省工序時(shí)間，相比于通常的施工方法整體工效提升效果顯著。
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作者：曾韜 單位：湘潭鐵路工程學(xué)校