宜万铁路野三关隧道进口段快速施工技术

张新洲

(中铁隧道集团有限公司,河南洛阳 471009)

1 工程概况

野三关隧道位于湖北省恩施州巴东县野三关镇境内,隧道全长13841m,为宜万铁路全线最长的隧道,工期紧,任务重,是全线关键控制性工程,隧道地质条件非常复杂,为全线 8座Ⅰ级风险隧道之一。其中由中铁隧道集团承建的进口段Ⅰ线全长为8055m,起讫里程为 DK116+205～DK124+260,在预留Ⅱ线位置设贯通平导。隧道Ⅱ线是由平导扩挖而成。DK116+205～DK116+374段为燕尾式隧道及小间距隧道,其余段为双洞单线隧道,线间距 30m。隧道最大埋深684m,隧道设计为人字坡,DK124+000前为上坡,后为下坡。隧道进口段1535m处于半径为1600m的曲线上,其余地段处于直线上。野三关隧道进口段共穿越 2个褶皱(二溪河向斜、石马坝背斜),3个涌水带(DK116+205～DK118+000、DK118+375～DK119+700、DK119+700～DK121+050),5条断层(柳山拐断裂、堰潭冲断裂、大坪断裂 F12、水洞坪断裂 F16、叶朝湾断裂 F17),5种不良地质(岩溶及岩溶突水、突泥、断层破碎带、高地应力软岩塑变、煤层瓦斯),最大设计涌水量为23527m3/d。

2 施工方法及时效

2.1 隧道快速施工方法

全隧采用钻爆法施工,利用超前平导经横通道进入Ⅰ线增加工作面,从而实现了长隧短打。Ⅰ线贯通后又经横通道进入平导进行Ⅱ线隧道的扩挖。

2.2 隧道快速施工的时效情况

隧道施工一直保持在均衡、高效的状态下进行。

平导(图1)月完成开挖、初期支护 150m以上和250m以上的月份分别占施工月份的 92%和 60%,月完成最高值为 410m。

图1 平导开挖进度时效图

Ⅰ、Ⅱ线正洞开挖,初期支护月完成 100m以上和200m以上的月份分别占施工月份的 94.11%和66.67%,月开挖最高达到 712m。如图2所示。

Ⅰ、Ⅱ线衬砌月完成 100m以上和 200m以上的月份分别占施工月份的 90.19%和 84.31%,月完成最高 756m。如图3所示。

3 施工方案及组织管理

3.1 开挖支护

图2 Ⅰ、Ⅱ线正洞开挖进度时效图

图3 Ⅰ、Ⅱ线衬砌进度时效图

隧道根据不同围岩级别及周边环境选择相应工法,Ⅱ、Ⅲ级围岩采用光面爆破施工技术,斜眼掏槽,全断面开挖。Ⅳ、Ⅴ级围岩的施工按台阶法施工,首先开挖上半断面,待开挖至相关规范的长度后,错开马口开挖下半断面,上下半断面分三步同时并进的施工方法。开挖后及时加强支护,保证掌子面 2～3台喷浆机,施工作业时确保 2台能正常作业,尽量缩短支护时间,保证开挖、支护工序连续。在施工过程中不断总结经验,优化工艺,有效控制项目的责任成本,加强正洞的超欠挖控制,提高隧道爆破的成型质量。同时根据隧道设计情况,加强超前地质预测、预报,围岩监控量测管理。根据量测结果,及时申请设计变更调整预留变形量及支护参数。

3.2 隧道衬砌施工

二次衬砌是隧道工程永久性承力结构的一部分,对提高隧道使用寿命和外观质量具有重要的作用。本隧道二次衬砌采用全断面液压模板台车衬砌,混凝土由洞外自动计量拌和站拌制,混凝土运至输送泵,泵送入模,附着式振捣器振捣。拱墙衬砌浇筑采用 12m轨行式衬砌模板台车施工。为保证隧道二次衬砌成型要求,台车模板每次浇筑完后必须打磨光滑,除锈、涂刷脱模剂,并保证模板台车无变形和破损。二次衬砌的成型很大程度上取决于混凝土的质量,因此在混凝土入模前严格控制其质量,同时也是保证衬砌质量的重要因素之一,混凝土严格控制计量、运输过程监控、入模温度、脱模强度、养护的多个方面进行控制,避免浪费;既降低工程成本,又提高工程质量。

3.3 施工运输组织及管理

野三关隧道在施工高峰时开挖掌子面共有 8个,4个衬砌工作面,4个捡铺底面同时施工,有轨运输机械主要承担各断面出砟运输、初支拱架和喷浆料运输、二次衬砌以及捡铺底混凝土运输任务,运输任务十分繁重。能否有效组织和合理配置机械,对施工进度至关重要。

有轨运输在实际使用过程中对线路要求比较严格,能否有效合理地铺设轨线,对运输效率和行车安全有着至关重要的影响,所以在铺设线路时要遵循有关的技术要求和运输量的需求进行设置。洞口设总调度室,对所有车辆进行统一调度,安排进洞材料的规格、数量、运达时间和位置,出砟车排空后及时进洞待命。根据施工的不同阶段,选择最佳位置设洞内调度值班室,向进洞待命的砟车下达运输的任务,明确到达的地点,运输的内容,进入和返回的路线等。每辆车配备电瓶车司机 1人,车辆引导员 1人,车辆引导员始终位于车辆前进方向的前端,依据调度命令引导车辆运行和会让。

设备的管理,设备物资部主要对设备进行选型和配套工作,设备到达后制定相应的管理制度并监督实施。在日常工作中除保证运行材料、配件等能满足行车要求外,制定了详细的维修保养计划并监督机械队、运输队对机、矿车维修、保养落实情况,保证设备利用率和完好率。

安全管理:针对长隧独头掘进,作业面多,运输管理战线长的实际,针对运输队劳务工多,司机、调车员工作特殊性,管理难度大,安全隐患多,工区加强运输系统的组织管理,重视运输保障工作。把运输安全放在首位;坚持从提高队伍素质入手,加强员工运输安全教育,严格交接班和司机、调车员安全操作规范,加强操作人员的安全技能培训,做到会操作、会保养。对车辆运输实行了“三工制”管理。即:工前安全行车检查、工中运行情况跟踪、工后严格车况交接。坚持工作总结分析制度,对运输中有阻碍施工生产的重大问题,生产副经理及时组织相关人员召开专题会进行讨论,分析原因、找出问题、制定解决方案,确保施工运输正常运行。

3.4 施工通风管理

3.4.1 施工通风的难点及解决对策

野三关隧道进口段长8055m,中间没有设置斜竖井,新风的进入和污风的排出均要经隧道进口实现。针对通风距离长,开挖工作面多,施工通风困难大的特点。在施工过程中根据不同的施工阶段采用巷道式通风 +局部压入式通风相结合的方式解决长大隧道的通风问题。

3.4.2 施工通风现场的实施

第一阶段通风布置和实施。

开工后,洞口燕尾段隧道施工期间,平导施工进入Ⅰ线施工时的通风方式,如图4所示。

图4 野三关隧道进口段第一阶段通风布置示意

第二阶段通风布置和实施。

燕尾段隧道施工完成以后,随着Ⅰ线与洞口贯通的掌子面的前移,具备利用巷道通风条件时,采用如图5所示的通风方式。新风从平导进入,污风经横通道由Ⅰ线正洞排出。随着施工的进展,风机位置逐段前移。

图5 野三关隧道进口段第二阶段通风布置示意

第三阶段通风布置和实施。

Ⅱ线扩挖阶段的通风及施工后期,由于新增工程量部分,采用 I、Ⅱ线同时掘进,利用Ⅰ线做进风通道,Ⅰ线布置射流风机引射新风,利用平导和扩挖中的Ⅱ线排出污风,Ⅱ线设置射流风机引导污风,在每一个扩挖掌子面配备 1台挖掘机,爆破后及时清通封堵平导口,保证污风的及时排出。如图6所示,

图6 野三关隧道进口段第三阶段通风布置示意

4 高效、均衡生产的组织管理

4.1 人员机构管理

首先,从队伍的架构上组织专业协作,选择具有良好施工业绩的隧道公司为工区的主体;由中铁隧道设计院工勘分院组织了强有力的超前地质预报预测队伍,负责地质补勘、超前探测、地质资料的综合分析及超前地质的预报工作,承担与深孔钻探有关的作业(如:大管棚、帷幕注浆、锚索的施工等);由中铁隧道集团科研所通风组负责洞内通风方案的设计、研究完善和通风管理;由中铁隧道集团物资中心宜万材料厂负责工地所需甲供料、甲控料、火工品、油料、木材等大宗料的集中采购。分工协作,各负其责,无缝对接,高效运转。

其次,工区作业层形成分工明确,界面清楚,相互配合的多个生产单元流水作业,在以生产经理为中心的生产调度的统一指挥下,根据各作业面的轻重缓急,按照合理、高效的原则,组织各生产单元有序的开展工作。

4.2 设备选型考虑的因素

(1)施工方案。机械设备的选型、配套和施工方案密切相关。根据地质条件、工期要求,通过比选,确定总体施工方案为:采用传统的钻爆法施工,以机械化施工为主,洞内为有轨运输,开挖以全断面为主,局部软弱围岩采用短台阶。衬砌采用整体液压钢模衬砌台车。洞内的有轨运输方式,选择的机械设备要和方案配套。

(2)工期要求。工期要求紧,机械设备的型号和数量必需满足工期要求。尽量选择性能好、效率高的设备,但防止出现大马拉小车的现象,造成部分设备生产能力得不到充分发挥。

(3)隧道的形状和尺寸。隧道属地下工程,洞内空间有限,设备选型除了考虑性能和配套以外,还要考虑结构尺寸、工作半径等。如果选型不当,则设备无法在洞内正常工作或相互之间干扰,野三关隧道进口为电化隧道,平导超前,正洞断面形状为马蹄形曲墙断面和直墙断面,开挖断面积 52.35～79.12m2,主要考虑的是设备的装砟半径,太小影响进度,太大则设备能力得不到发挥。同时所有的洞内进出设备都要满足衬砌台车的净空要求。

(4)环境要求。洞内的空气污染主要来自爆破后有害气体及设备产生的废气。对于长大隧道,洞内通风距离长,排烟难度大,因此尽量选用电动设备,选用大功率的通风设备,少用或不用内燃设备,以减少洞内的污染源。

(5)企业形象要求。好的机械设备,可以树立企业形象,同时也促进企业进步。当然这要结合企业现有的经济能力、设备状况和技术水平等因素综合考虑。

4.3 机械配套

4.3.1 开挖设备配套

正洞及平导均采用钻爆法施工。利用多功能台凿岩台架配 YT28型风动凿岩机实施断面开挖,平导开挖工作面 1个,正洞开挖工作面由前向工作面和利用超前的平导通过横洞进入正线的工作面组成,一般情况下有 3～4个。开挖设备的动力为压缩空气,由洞口的空压站及洞内的移动空压机向其供应。

4.3.2 装运设备配套

野三关隧道进口洞内采用有轨运输方式,铺设 38 kg/m钢轨的轨道,轨距为 762mm。开挖出砟及各种材料的运送均由电瓶机车牵引梭式矿车来完成。正洞全断面开挖或扩挖掌子面的装砟由轮式装载机进行,正洞导坑开挖和平导开挖掌子面的装砟由 WZ160型挖装机进行。洞外弃砟的二次倒运由轮式装载机配大型自卸汽车实施。

电瓶车和梭矿的数量确认:根据进度要求,隧道掘进每个循环要求出砟 240min,考虑到供电、清砟等辅助工作,必须保证在 200min内为正常的出砟时间,而每循环进尺 3.5m,以掘进4000m时为例,每循环需出砟车数:(75×1.65×3.5)/(16×0.8)=35(车),式中:1.65为砟堆的松散系数;0.8为装砟时梭矿的容积系数。

每车的平均时间要求为:T1=200/35=5.7min

每一车从装卸到往返的总时间计算:

T=2L/V+T′+T″

式中,T′为每个梭矿的装车时间,取平均时间 5 min;T″为洞口调车及卸砟时间,经验数据为 8min;V是电瓶车的运行速度,取 15km/h。

所以在4km内:T=45min,需列车数:N=45/5.7=7.89辆。

根据计算,一个作业面需配备 10台电瓶车,相应配备 12台梭矿。考虑到施工高峰时有 3个工作面同时进行出砟作业,应配备 30台电瓶车,相应配备 35台梭矿。此配套施工的运行效果:每循环出砟 35车,最快出砟时间 200min,一般情况下210～230min就可完成一个循环的出砟。

4.3.3 隧道衬砌设备配套

野三关隧道仰拱铺底和衬砌用混凝土由洞外混凝土搅拌站进行生产,由混凝土搅拌输送车向洞内运送,再由混凝土输送泵一次将混凝土泵送到位,其衬砌模具根据不同的衬砌类型设计,分别采用不同的模板台车,形成了混凝土衬砌施工机械化作业线。

4.3.4 隧道注浆设备配套

野三关隧道进口地段地质复杂,部分地段围岩破碎、且正线还要穿过部分高压富水充填性溶洞,开挖前必须进行全断面帷幕注浆和顶水注浆,以改善和加固开挖围岩的施工条件,并堵截大部分压力水从洞内排出,以形成安全、良好的施工环境。其注浆设备由MK-5坑道和 7～30MPa的单、双液注浆泵组成。

4.3.5 隧道通风设备配套

野三关隧道施工采用巷道式通风和局部压入式通风相结合的通风方式,由射流风机 22～55kW和 74～110kW轴流式通风机以不同的组合方式来完成隧道施工不同阶段的通风工作。

5 结语

野三关隧道进口之所以取得了较好的成绩,是重点抓了“地质为纲、专业协作、平导超前、均衡高产”4个方面的工作。简述如下,希望能对今后长大隧道的施工组织和管理有所帮助。

5.1 地质为纲

在长大隧道的施工组织设计中,施工方案的确定,施工进度的安排,施工机械,人员的配置都是建立在对地质条件的充分认知的基础上的。施工过程中各掌子面的进度安排、施工方案的调整都是在超前地质预报测预工作的基础上进行的。应当说,一座长大隧道的施工能否安全、高效、有序地展开是与组织管理人员对施工地质工作的重视程度和对地质环境的了解程度有直接关系的。从某种意义上讲,施工地质工作就是长大隧道施工的纲,只要抓住了这个纲,就会对所施工区域的地质条件了如指掌,安排工作就会有针对性,将起到事半功倍的效果。我们充分认识到了这一点,在工程的策划阶段,邀请中铁隧道设计院工勘分院组织了强有力的超前地质预报预测队伍驻场作业,参与施工方案的编制、施工进度的安排、配合隧道开挖的全过程。有效地保证了野三关隧道进口段施工生产安全、高效、有序的推进。

5.2 专业协作

组织专业协作,发挥各自优势,是长大隧道施工行之有效的方式,野三关隧道进口从两个层面上组织专业协作,取得了良好的效果。

5.3 平导超前

平导超前是长大隧道快速施工的必备条件。长大隧道快速施工首先要解决的是工作面不足问题,只有平导始终超前正洞开挖面最前面的通道口 2～3个横通道长度,才有可能给开挖工作提供足够的工作面。

5.4 均衡高产

均衡高产是充分利用作业空间、机械设备和人力资源的综合反映,是组织能力和生产调度能力的综合体现,是长大隧道快速施工的有力保证。

[1] 铁道第四勘察设计院.新建铁路宜昌至万州段长大复杂隧道施工地质汇报材料[Z].武汉:2004.

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