單線鐵路隧道三臺階法快速施工控制
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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)險高及作業(yè)空間狹小、施工工效低的問題，文章以杏子山隧道三臺階法快速施工為例，介紹了單線鐵路隧道三臺階法快速施工的控制要點，并以“出碴-立架”“錨噴”兩個工序單循環(huán)作業(yè)時間為統(tǒng)計樣本進(jìn)行施工效率對比，反映了采用快速化施工對整體工效的提升效果。
關(guān)鍵詞：單線隧道；三臺階法；快速施工；控制要點
1工程背景
杏子山隧道是新建大臨鐵路重難點控制工程，該隧道全長8867m，設(shè)計為單洞單線普通鐵路隧道，其中2號橫洞施工段落均為Ⅴ級圍巖，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，該類型小斷面隧道一般常采用兩臺階、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)運動頻繁，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單線隧道三臺階法快速化控制要點
單線隧道三臺階施工時，往往圍巖較差，安全步距控制較為嚴(yán)格，加之三臺階占用的臺階長度較二臺階要長，洞內(nèi)交通受限更為嚴(yán)重，容易導(dǎo)致循環(huán)作業(yè)時間加長。因此應(yīng)盡可能增加工序搭接和平行作業(yè)，在圍巖條件允許時進(jìn)行各臺階同步起爆及出碴，充分發(fā)揮三臺階施工工法開挖斷面穩(wěn)定性好、封閉成環(huán)時間短、作業(yè)面多的特點，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
杏子山隧道采用三個臺階進(jìn)行爆破施工，將其合理劃分成五個工作面進(jìn)行作業(yè)，按臺階類型的不同，劃分為硐室光面爆破和淺孔臺階爆破兩類。對于上臺階開挖，需采用光面爆破方式進(jìn)行鉆爆設(shè)計；對于中、下臺階開挖，采用淺孔臺階爆破設(shè)計。
2.1.1上臺階硐室光面爆破炮孔設(shè)計由于上臺階底板處鋪筑了碴堆，該處無法施作鉆孔。對于較為軟弱的圍巖在爆破后可通過挖掘機(jī)鏟斗破碎該部分圍巖；對于一般軟弱圍巖該處可能會存在巖石破碎不足、挖掘機(jī)無法作業(yè)的情況?？紤]該方法的通用性，在掏槽眼布設(shè)時，考慮在堆渣平臺頂部向下鉆設(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，確保出碴時挖掘機(jī)作業(yè)效率。除此之外，由于上臺階斷面較小，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，以增強底部輔助眼的崩落效果。采用碴堆鋪筑工作平臺的炮孔布置如圖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)情況來確認(rèn)爆破參數(shù)，實際施工上場后再根據(jù)試驗對爆破參數(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控制隧道爆破振動速度來減少對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，雷管可參照圖中起爆順序選擇段位。爆破時相鄰兩次起爆約50ms時差或間隔一個段位控制延時較為合適，以確保前一級爆破的巖石有足夠時間拋擲，亦可減少爆破時震動疊加，降低對圍巖的擾動。
2.1.2中、下臺階淺孔臺階爆破炮孔設(shè)計三臺階開挖時中下臺階采用淺孔臺階爆破，其炮孔分布如圖3示意。需要注意的是，中、下臺階同上臺階一樣，在臺階底部用碴堆鋪設(shè)了約300~400mm高的平臺，在鉆設(shè)最底層孔時，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。裝藥時該孔按掏槽眼控制藥量，孔底約1/3炮孔長范圍集中裝藥，炮孔中部約1/2炮孔長范圍內(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。
2.2合理選擇作業(yè)平臺類型
由于單線鐵路隧道斷面狹小，在劃分為五個工作面后，臺階的長度、寬度都將受限，進(jìn)行爆破鉆孔爆破作業(yè)時，作業(yè)平臺類型及搭設(shè)高度等都將影響施工工效。
2.2.1使用洞碴鋪筑各臺階施工作業(yè)平臺作業(yè)平臺目前有采用洞碴就地鋪筑平臺和可拆裝平臺兩類。人工鉆孔時最大鉆孔高度為1.9m，三個臺階高度均超過此標(biāo)準(zhǔn)，須借助開挖平臺抬升作業(yè)面才能完成作業(yè)。因此從整體工效考慮，三臺階施工時宜采用洞碴鋪筑方式搭設(shè)臺階施工平臺更為靈活高效。兩類平臺優(yōu)缺點如表1所示。
2.2.2合理設(shè)置臺階高度在使用洞碴鋪筑平臺進(jìn)行鉆爆作業(yè)的前提下，應(yīng)合理規(guī)劃臺階高度，原因在于洞碴鋪筑高度有限。因洞碴鋪筑部分無法施作底板眼及輔助眼，若洞碴鋪筑高度過高，將導(dǎo)致底板部分爆破效果不佳。若圍巖性能較好，后期出碴過程中甚至?xí)霈F(xiàn)大塊尚未爆破破碎巖體，嚴(yán)重時需要補炮解決，降低工效。
2.3重視洞碴出運工序銜接
三臺階洞碴出運是單線隧道快速化施工的決定因素之一。出碴過程中的要點為如下。（1）挖掘機(jī)首先清理出上、中臺階工作面，在上、中臺階工作面即將清理完成時，洞外裝載機(jī)運輸拱架進(jìn)入隧道，停留于避車洞等候；（2）上、中臺階清理出來后，挖掘機(jī)修整下臺階至上臺階坡道，裝載有拱架的洞外裝載機(jī)駛上坡道，將拱架卸于上臺階后退出工作面，下臺階繼續(xù)出碴作業(yè)；（3）下臺階出碴與上、中臺階立架作業(yè)同時進(jìn)行，下臺階出碴完成后上、中臺階立架完成，可繼續(xù)進(jìn)行下臺階立架作業(yè)。由此可見，上、中臺階出碴完成后立即進(jìn)行其立架作業(yè)，下臺階出碴與上、中立架作業(yè)并行作業(yè)是快速化施工的關(guān)鍵。
3施工工效對比
杏子山隧道于2018年5月開始全面推行快速化施工。本案例將3月9日~4月19日共計46個循環(huán)施工效率情況，包括“出碴-立架”工序單位循環(huán)作業(yè)時間、“噴錨”工序單位循環(huán)作業(yè)時間作為快速化施工前常規(guī)施工的對比樣本，將與4月19日~9月22日采用快速化施工后施工共計205個循環(huán)施工效率情況進(jìn)行對比，計算平均單位循環(huán)作業(yè)時間，以反映出采用快速化施工后，對施工進(jìn)度的提升效果。考慮到現(xiàn)場實際進(jìn)尺（榀數(shù)）并非固定，以下對比時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)耗用時間。
3.1“出碴—立架”工序時間對比
快速化施工推行前，出碴和立架工序為先后進(jìn)行，并無工序搭接；快速化施工推行后，實現(xiàn)了出碴和立架作業(yè)并行開展，有效增加了工序搭接，縮短了作業(yè)時長。如圖4所示，實施快速化施工前，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時約4.77h；實施快速化施工后，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時約2.04~2.32h（圖中紅色虛線），平均節(jié)約時間53%，工效提升顯著。
3.2噴錨作業(yè)時間對比
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)吊運濕噴機(jī)就位的時間；在班后退場階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運濕噴機(jī)撤場時間，最終在噴錨工序作業(yè)環(huán)節(jié)可節(jié)省工序時間。如圖5所示。實施快速化施工前，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時約4.4h；實施快速化施工后，兩道工序的單位循環(huán)平均耗時約2.94~3.69h，平均節(jié)約時間17%，工效提升顯著。
4結(jié)語
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)險高及作業(yè)空間狹小、施工工效低的問題，而采用快速化施工、緊抓工序銜接，可實現(xiàn)安全與工效的平衡。（1）單線鐵路隧道三臺階法施工應(yīng)盡可能增加工序搭接和平行作業(yè)，在圍巖條件允許時進(jìn)行各臺階同步起爆及出碴，充分發(fā)揮三臺階施工工法開挖斷面穩(wěn)定性好、封閉成環(huán)時間短、作業(yè)面多的特點，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）單線隧道三臺階法快速化控制要點：一是合理進(jìn)行爆破設(shè)計，合理控制碴堆頂部鉆孔角度及裝藥，提高爆破效率。對于上臺階開挖，需采用光面爆破方式進(jìn)行鉆爆設(shè)計；對于中、下臺階開挖，采用淺孔臺階爆破設(shè)計。二是合理選擇作業(yè)平臺類型，因其工作面狹小的特點，使用洞碴鋪筑各臺階施工作業(yè)平臺，合理設(shè)置臺階高度可明顯提高工效。三是重視洞碴出運工序銜接，上、中臺階出碴完成后立即進(jìn)行其立架作業(yè)，下臺階出碴與上、中立架作業(yè)并行作業(yè)是快速化施工的關(guān)鍵。（3）單線隧道三臺階法快速化，實現(xiàn)了出碴和立架作業(yè)并行開展，有效增加了工序搭接，縮短了作業(yè)時長。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)吊運濕噴機(jī)就位的時間；在班后退場階段可節(jié)省以往采用裝載機(jī)吊運濕噴機(jī)撤場時間，最終在噴錨工序作業(yè)環(huán)節(jié)可節(jié)省工序時間，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