秦东隧道施工的设备配置

■ 戴宇

1 工程概况

郑西高速铁路秦东隧道全长7 684 m，起讫里程DK333+312—DK340+996，设计为双线隧道。隧道围岩主要为砂质黄土和粉质黏土，其中Ⅳ级围岩段长7 300 m，V级围岩段长384 m，隧道洞身最大埋深200 m。根据围岩条件及隧道埋深情况，隧道不同地段的开挖断面面积在158.3～163.08 m2，衬砌后有效净空断面面积为100 m2，最大开挖宽度15.2 m、开挖高度13.18 m。正洞施工采用双侧壁导坑法、CRD法和三台阶弧形导坑预留核心土法等施工工法。

为满足施工工期要求，设计有3座斜井作为辅助坑道。正洞进口浅埋偏压段（DK333+390—+465）选用双侧壁法开挖；Ⅴ级围岩浅埋段（DK333+465—+520、DK338+620—+670、DK340+840—+977）在超前管棚预支护下采用CRD法开挖。洞内Ⅴ级围岩段在超前小导管预支护下采用CRD法开挖，洞内Ⅳ级围岩段在超前小导管预支护下采用弧形导坑预留核心土法开挖。斜井Ⅳ级围岩段采用正台阶法开挖，Ⅴ级围岩段采用正台阶预留核心土法开挖。初期支护为型钢加喷射混凝土。出渣采用无轨运输，用挖掘机、装载机给自卸汽车装渣。喷射混凝土采用湿喷机施作。仰拱超前拱墙采用移动式栈桥配合自制模板进行施工，墙拱衬砌采用模板台车整体浇筑。二次衬砌采用电子计量搅拌站拌和、混凝土运输罐车运输，混凝土输送泵泵送入模，插入式振捣器配合附着式振捣器振捣。

2 设备配置

隧道施工设备的配置以满足计划工期为目的，合理的设备配置能够提高隧道掘进速度，并节约企业生产成本。结合秦东隧道洞口施工、进（出）口端进入正洞开挖并形成稳定生产状态为条件，分析和计算合理的施工设备配置规格和数量。隧道中间段因设置斜井而增加了工作面和出渣通道，设备配备过程完全相同。

2.1 洞口开挖设备配置

洞口土方包括进口端78 m明挖段、出口端19 m明挖段。采用风镐配合挖掘机、装载机自上而下分层开挖。进口端开挖数量22 500 m3、出口端12 100 m3。进、出口端出渣运距相当，约2 km。

（1）风镐数量及空压机排量确定。洞口土方均为非爆破挖掘，采用挖掘机、风镐开挖。风镐主要进行局部分割和边坡修整，无固定作业数量，可选用适中规格如G8、G10、G15等，进、出口端各按4台配置。初期可配置2台移动式3.0 m3/min的小型电动或内燃空压机，正洞施工时配置10～20 m3/min电动空压机供给高压风。

（2）装载设备及自卸汽车数量确定。根据每班组需要完成的作业量、作业时间、进口端及出口端的计划工期，确定装载设备原则上可选用挖掘机、装载机。秦东隧道设计为无爆破开挖，因此洞口的挖掘、装载宜选择具有挖掘功能的挖掘机。结合进洞后对挖掘机的使用要求，可选用20 t级的挖掘机。自卸汽车规格及数量的确定必须考虑不同开挖工艺（如CRD法）下的通行尺寸，秦东隧道开挖断面较大，为提高出渣速度，选用12 t和15 t自卸汽车做为主要出渣运输设备，进口端和出口端作业区均按4～5台配置。

2.2 正洞开挖设备配置

（1）台阶法开挖设备。秦东隧道主要采用台阶法进行施工，开挖长度为7 300 m，占整座隧道长度的95.0%。因此，秦东隧道以台阶法施工为主进行设备配置，对其他工艺方法下的施工设备则以此为基础进行适当调整。根据《秦东隧道实施性施工组织设计》规定，隧道开挖月进尺55～60 m，每循环≤1.2 m，月完成46～50个循环。每月按25个工作日考虑，则一个作业循环的总时间应控制在12～13 h，其中1/3时间（约4 h）用于挖掘和出渣，其余2/3时间用于初期支护和二次衬砌。

挖掘、装载设备：洞身Ⅳ级围岩段采用正台阶弧形导坑预留核心土方法施工，其中仰拱以上部分分上、中、下3个台阶以预留核心土法开挖，开挖在不能爆破的条件下采用风镐配合挖掘机进行。导坑上（中）部用风镐挖掘，上部台阶翻渣由人工或长臂挖掘机完成。风镐数量上部2个台阶按4～6台配置。下部采用挖掘机挖掘和装渣，作业尺寸不受限制，继续选用洞口施工用的20 t级规格。

运输车辆：选用洞口施工时的15 t自卸汽车运输。出渣时，上部洞渣翻至底部一起装运出洞，每次出渣的数量以全断面开挖进尺≤1.2 m计算。

选用挖掘、运输设备时，按照1个循环的出渣总数量、需要运输的总车次确定自卸汽车台数。

（2）CRD法开挖设备。秦东隧道的进口端55 m、出口端137 m、中间50 m设计为CRD法施工，中间CRD法施工段通过3#斜井工区完成，设备配置方法与进、出口端相同。施工组织设计每循环开挖进尺≤0.8 m，55 m、50 m段用时30 d，137 m段用时70 d，每天须完成2.4个循环。CRD法施工带有中间横隔板，作业断面小。上部用风镐挖掘，洞渣用人力装斗车经过横隔板倒入停放在下方的自卸汽车。风镐数量按左右两侧各3台配置；下部采用挖掘机挖掘，并利用挖掘机装渣，挖掘机的数量按左右两侧各1台配置，选择10 t级小规格。采用CRD法施工的秦东隧道进、出口端的运输车辆均按5台配置。

（3）双侧壁导坑法开挖设备。双侧壁导坑法施工段长度仅为进口端的105 m，设备配置原则上与正洞一致，其数量可根据分部开挖的作业面情况适当增加。导坑上（中）部用风镐挖掘，人工翻渣到（中）下部。风镐数量一个导坑按4台配置。施工没有钻爆环节，3个导坑的上部工序为挖掘和初期支护的相互转换，考虑备用和易损因素，3个导坑共计按10～12台配置。下部采用挖掘机挖掘，并利用挖掘机装渣，装渣数量包括从上（中）部台阶翻下的洞渣。挖掘机数量按10 t级2台配置，3个导坑同时作业时用1台20 t级挖掘机备用。

运输车辆的外形尺寸受导坑断面尺寸、临时水平钢支撑高度限制（4.5 m），选用5～8 t自卸汽车运输。隧道进口端采用双侧壁导坑法施工段长75 m，按5台配置运输车辆。

2.3 初期支护、基底处理及二次衬砌设备

洞口明洞及洞门钢筋混凝土施工时，主要设备与正洞施工相同，包括混凝土设备、钢筋加工设备等。

（1）初期支护设备。正洞洞口Ⅴ级围岩段，设φ108 mm超前管棚进行预支护，洞身Ⅴ级围岩段，设φ42 mm超前小导管注浆进行预支护。同时，在开挖后立即施作锚杆、型钢刚架、挂网、喷射混凝土等形成初期支护系统。主要设备有管棚钻进（水平钻机）、（砂浆）搅拌机、注浆泵、混凝土喷射机、钢筋弯曲机、砂轮切割机、钢架加工采用的LWGJ250型钢架冷弯机。

（2）基底处理设备。基底处理为水泥土挤密桩加夯实，采用的设备有地质钻机、80 kg级内燃冲击夯。

（3）二次衬砌设备。正洞、斜井洞身二次衬砌时，仰拱浇筑利用移动式栈桥维持洞内交通运输的畅通；墙、拱衬砌采用液压模板台车整体浇筑。二次衬砌耐久性混凝土采用自动计量的搅拌站、混凝土输送车运输、混凝土输送泵泵送入模。辅助洞室混凝土衬砌采用特制模板台架、人工立钢模、输送泵泵送入模。主要设备有混凝土搅拌站、混凝土输送车、混凝土输送泵、模板台车等。

2.4 隧道通风、施工用电、高压风及排水

（1）隧道施工通风装备。秦东隧道采用非爆破开挖，施工通风仅考虑施工人员、机械的通风需要，根据施工总体安排的生产需求，进、出口工区及斜井工区均采用压入式通风，其中进、出口工区采用单管路压入式通风，斜井工区正洞施工时采用双管路分头压入式通风。

根据铁路隧道通风要求及参数计算结果，隧道进、出口工区各配备SDF（C）-NO12.5型110 kW通风机1台，风管选用φ1 500 mm PVC软式通风管，可满足洞内通风要求。3个斜井工区各配备SDF（C）-NO12.5型110 kW通风机2台，安设2套通风管路，分别向两端工作面通风，风管均选用φ1 300 mm PVC软式通风管。局扇根据实际需要安装，规格为14～22 kW的射流风机。

（2）施工用电。施工用电主要由地方电网T接后引出10 kV供电线路供电，各工区以柴油发电机组作为备用电源。具体配电情况如下：五个工区各设变电站一处。隧道进口容量800 kVA，出口容量1 000 kVA，3个斜井工区各设容量900 kVA。隧道进、出口工区和3个斜井工区各配备2台250 kW柴油发电机组作为备用电源。

（3）高压风。高压风采取集中供风方式，其中进、出口端工区各配备2台10～20 m3/min电动空压机。风管均采用φ100 mm的无缝钢管，管节利用法兰盘连接。隧道外，供风距离超过800 m后，将洞外2台空压机移至洞内。同时安排高压电源进洞，洞内可安装1台300 kVA变压器。

（4）隧道排水。隧道设计资料显示：隧道内部局部地段存在少量地下水，大部分段落基本无水。为避免自然排水对湿陷性黄土的影响，洞内每隔500 m左右设一个泵站，泵站间布置2条φ150 mm的管路。每个作业面常备2台4～17 kW水泵，遇有积水时及时抽排至附近各泵站，再利用各泵站分级抽排至洞外排水沟。实际施工时发生多起局部出水情况，如在3#斜井与正洞交汇处出现渗水，初期流量4～6 m3/d，采用铁制水箱收集渗水和滴水后，由潜水泵泵入混凝土输送车内运出洞外。

3 超前地质预报与监控量测

针对秦东隧道的地质特点，采用超前水平钻机、地质雷达装备，进行长、短距离探测，结合地质素描法指导施工，并对施工组织进行完善和修正，同时在施工过程中加强监控量测。

（1）超前水平钻孔。采用超前水平钻机钻进过程中钻速和钻渣的变化对开挖面前方较短距离（＜20 m）内的地质情况进行判断，为提高其预报准确度，与地质素描配套使用。

（2）地质雷达。SIR-10B型地质雷达探测范围约40 m，是一种非破坏型的探测技术，可现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观。

（3）监控量测。根据隧道设计监控量测要求，预埋必要的传感器，如土压力盒、变形位移贴片等，定时、定点进行观测和记录。出现问题及时采取修正措施，并完善下一步的施工组织。

4 结束语

黄土类软弱围岩下的隧道施工，尤其是像秦东隧道双线、大断面施工，设备配置需要与开挖工艺相匹配。但如果开挖工艺转换较多，则应按照作业项目队（工区）所承担施工范围内的主要工艺开挖长度配置施工设备，避免因配置不足影响施工进度，也不能过渡配置造成资源浪费。

[1]杜永昌．高速与客运专线铁路施工工艺手册[M]．北京：科学技术文献出版社，2006

[2]杜永昌．铁路工程施工装备选型配套手册[M]．北京：中国铁道出版社，2010