小断面、水环境对关山隧道工效影响及控制措施

高 焱，丁云飞，陶 琦

(1. 淮阴工学院 交通工程学院，江苏 淮安 223001；2.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄 050043；3.南京工业大学 交通运输工程学院，南京 211816；4.中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028)

新建铁路天平至平凉线关山隧道长16 719 m，该隧道是控制全线工期的重点工程，关山隧道单线小断面特长隧道，地质条件复杂，自然环境艰苦。关山隧道施工过程中多次出现掌子面突水，严重影响了隧道的施工进度。因此，开展小断面及水环境对关山隧道工效影响及控制措施具有一定的工程指导意义。

国内外学者针对小断面涌水隧道主要研究成果有：包德勇[1]为解决青云山隧道F9高压富水断层破碎带突涌水问题，建议采用超前地质预测预报、全断面超前预注浆、超前大管棚、加强型抗水压衬砌及全包防水等综合工程措施。周宗青[2]为解决岩溶隧道突水涌泥风险问题，通过对典型隧道进行系统整理，采用层次分析法构造判断矩阵，并以鸡公岭隧道进行验证分析，为评价分析岩溶隧道突水涌泥提供新方法。蒋国云等[3]为解决深埋隧道突水问题，对隧道突水灾害风险因子进行识别，建立评价模型，并以马鹿箐隧道工程为实例，证明模型的有效性。许振浩[4]为解决隧道突水突泥问题，认为不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位是突水突泥风险是主控因素。魏星[5]在研究富水软岩地层中遇到突水和突泥问题时，研究结果发现：涌水是造成隧道塌方的主要原因，有效的排水措施至关重要。何进[6]为解决小断面隧道涌水塌方问题，结合龙开口12号隧道，提出固结灌浆、超前支护处理技术，自进式锚杆高效固结作用和短开挖、强支护方法。李生杰[7]为解决乌鞘岭隧道F4断层破碎带发生的涌水塌方事故，研究断层破碎带围岩、地下水、地质构造之间的联系，并提出控制措施。张民庆[8]以宜万铁路别岩槽隧道F3断层围岩为研究对象，提出采用径向注浆的方法可有效解决围岩涌水问题。张健儒[9]研究了山岭隧道断层破碎带隧道施工问题，提出采用超前预注浆技术有助于解决隧道漏水问题。薛翊国[10]以青岛胶州湾海底隧道F4-4涌水断层为研究对象，开展了围岩注浆效果验证现场试验，研究结果发现：注浆后其变形模量提高19.1%，密度提高3.6%，泊松比下降7.1%，纵波波速VP增长0.8%，纵横波比VP/VS减小7.1%。张民庆[11]结合大量工程案例，对注浆技术进行了系统评定，并对注浆效果进行探讨。瞿竹等[12]研发一套钻孔超前地质预报设备，建立了石英砂岩不同围岩等级岩石地质数据库。李术才等[13]提出三种钻爆法隧道超前地质预报方法，形成了四阶段超前预报体系，可为同类工程借鉴。陶铁军等[14]提出水压爆破—悬臂式掘进机联合开挖技术解决小断面隧道掘进速度缓慢的问题。郭坤等[15]为解决小断面隧道施工中测量精度要求高的问题，采用了锚碇施工技术。

以上工程案例并未涉及小断面涌水隧道，此种情况下，工效降低较为明显。针对关山隧道开挖断面小、施工工区长和洞内发生大规模突水突泥的实际情况，通过收集测定小断面高风险特长隧道施工现场数据，分别对小断面和作业面涌水对工效的影响进行分析，同时分析了作业面涌水对开挖的影响、作业面涌水对初支的影响、作业面涌水对出碴的影响和洞内水环境对施工的影响，并给出控制措施。

1 工程概况

关山隧道长16 714 m，最大埋深720 m，除进口端582 m为双线隧道作为车站，其余16 132 m为单线隧道(断面尺寸5.56×6.71 m)，单面下坡，采用无轨运输施工方式，为全线第一特长隧道。由于隧道断面狭小，施工工区长，机械、车辆在洞内无法会车和掉头，装载机与出碴车辆无法并排装碴，洞内材料运输车辆与出碴车辆相互避让等待时间长，影响施工效率。关山隧道线路分布如图1。

图1 关山隧道线路分布

关山隧道多次掌子面突水，长时间反坡淹洞最长达1 550 m；大水量反坡排水淹没运输路面25 cm以上，隧道长期处于水环境作业。关山隧道3#斜井涌水、积水照片如图2所示。

图2 关山隧道3#斜井涌水

2 工效影响分析

2.1 小断面对工效影响分析

2.1.1小断面特长隧道影响

关山隧道具有断面小、斜井长、地质情况复杂等特点；受地形限制，辅助坑道设置不均匀，斜井加开挖正洞单口掘进距离均在3～4 km以上。因正洞断面小，初期支护完成后断面宽度仅为5.6～5.8 m，机械、车辆无法会车和调头，为减少工程量，调头、会车点依据大避车洞间距进行布置，每间隔210 m设置一处调头会车道；装载机与出碴车无法并排装碴，装载机只能往返倒车装碴卸碴，严重影响施工功效。

在设置会车道后，所有施工车辆不必在三角区等待会车和自三角区就开始倒车进往掌子面附近作业区，第一台出碴车在距离掌子面最近的会车道调头后等待装碴，第二台出碴车在自掌子面倒数的第二个会车道等待，待第一车装完正向行驶过第二个会车道后，第二台出碴车倒往距离掌子面最近的会车道等待装碴。第三个会车道作为挖机和输送泵的放置空间。其余所有的会让车辆都必须在第三个会车道以外的会车调头点和三角区附近等待避让。且每个调头、会车点的开挖对进度也有很大的影响(会车道要放置挖机和砼输送泵)，因此每个掉头会车点的尺寸不得小于深度9 m，宽度7 m。装碴会车示意图和关山隧道斜井平面布置图分别如图3和图4所示。

图3 关山隧道装碴会车示意图

图4 关山隧道斜井平面布置图

为适应特长隧道施工中运输、通风、排水的需要，加大加长斜井断面是十分必要的，斜井设计参数如表1所示。

表1 斜井设计参数表

关山隧道施工断面小、掘进距离长、地质情况复杂等情况是影响小断面特长隧道施工工效的根本原因。断面尺寸小导致机械、车辆无法会车、掉头，车辆之间相互避让等待，是导致小断面特长隧道施工工效低的主要原因。结合避车洞设置会车道、加大加长斜井断面是提高小断面特长隧道施工工效的有效措施。

2.1.2小断面工效影响分析

根据实测的关山隧道正常情况和在其基础上扣除利用会车道出碴及会车影响后的工班产量指标，对比分析单线小断面隧道利用会车道出碴及会车情况下的降效系数。

式中：η为单线小断面隧道利用会车道出碴及会车情况下降效系数；A1为实测关山隧道正常情况工班产量指标；A0为扣除利用会车道出碴及会车影响后的工班产量指标；W1为实测关山隧道正常情况下每循环开挖量；t1实测关山隧道正常情况下开挖循环时间；t0扣除利用会车道出碴及会车影响后的开挖循环时间。

由表2知，围岩质量是影响小断面施工工效的因素之一，围岩质量越差所需开挖循环时间越长、循环产量越少、产量指标越低；利用会车道出碴及会车能有效提高工效，围岩质量越低小断面施工工效提升越大，利用会车道出碴及会车施工工效最高可提升110%。

表2 小断面隧道利用会车道出碴及会车工效降效系数

2.1.3进度指标分析

根据实测的关山隧道正常情况和在其基础上扣除利用会车道出碴及会车影响后的进度指标，对比分析单线小断面隧道利用会车道出碴及会车情况下的进度指标调整系数。

式中：μ为单线小断面隧道利用会车道出碴及会车情况下进度指标调整系数；B1为实测关山隧道正常环境下的进度指标；B0为扣除利用会车道出碴及会车影响后的进度指标。

由表3知，随着围岩质量变差，小断面对工效和进度的影响减小，现场施工可结合避车洞，每210 m设置一处调头会车道且尺寸不小于长度9 m，宽度7 m，缓解对施工工效和进度的影响。

表3 小断面隧道利用会车道出碴及会车进度指标分析

2.2 作业面涌水对工效影响分析

2.2.1作业面涌水对施工影响分析

(1)作业面涌水对隧道开挖的影响

隧道开挖前，要先做防水、排水工作，直到隧道开挖掌子面附近的水清理干净后再进行后续施工。测量、台架就位等受涌水环境影响作业难度加大、作业时间延长。

涌水环境下，炸药受涌水影响极难进钻爆孔中，装药连线困难，特别是钻爆孔涌水和底部钻爆孔随水带入砂砾的情况下，装药极为困难，增加装药爆破时间。

(2)作业面涌水对初支的影响

初支施工过程中，人员、设备受到作业面涌水影响较大，尤其焊接工序受影响尤为严重；喷射混凝土同样也受到掌子面涌水的影响，操作困难、作业时间增加，同时混凝土回弹量增大，消耗量增加。因此初支前及初支过程中需不断排水。

(3)作业面涌水对出碴的影响

掌子面积水会影响出碴人员、设备和运输车辆的工作效率，因此先抽排积水后再进行出碴作业。

水环境下挖机、装载机易出故障，功效降低。运输过程中，受水环境影响，运输车辆速度较慢。且反坡开挖一个循环的出碴，中途要抽2～4次水，才能完成。

(4)洞内水环境对施工的影响

水环境中无轨洞内运输降效：由于涌水量大，流水面水位深20～40 cm，汇水高50 cm左右、重大突泥突水后汇水高达60 cm。水中运输限速、机械使用降效，造成洞内出碴运输降效严重。

作业面人工、机械的降效：由于洞内长期涌水，且水量大，使作业人员到各个作业面的时间比正常情况多出近一倍。

开挖循环时间延长：受运输限速等影响造成洞内出碴、混凝土运输降效严重，开挖循环时间延长。

仰拱施工增加改排和抽水：仰拱铺底开挖完后，基坑内汇集大量积水，特别是突泥突水后平均每天涌水量高达万方以上，如此大的水量，仰拱施工仅靠改排是无法实现的，施工中采用了改排与抽水相结合的办法来完成仰拱的施作，费用增大，施工时间延长。仰拱施工排水方法如图5所示。

图5 仰拱施工排水方法

2.2.2作业面涌水对工效影响分析

根据实测的关山隧道一般情况和洞内水环境情况下的工班产量指标，对比分析水环境下的降低系数。

式中：γ为关山隧道洞内水环境降效系数；C1为实测关山隧道作业面水环境下工班产量指标；C0为实测关山隧道正常情况工班产量指标；W2为实测关山隧道正常情况下每循环开挖量；t2为实测关山隧道正常情况下开挖循环时间。不同洞内水环境下，实测工效降低系数见表4～表7所示。

表4 洞内水环境700～2000 m3·d-1较正常情况工效降低系数

由表4和表5可知，洞内水环境是影响施工工效的因素之一。隧道作业面涌水会降低围岩及衬砌承载力，围岩质量较差地段甚至会导致衬砌开裂，影响隧道结构的耐久性；隧道路面长期积水，极易导致隧道施工设备、车辆等相关仪器的腐蚀，甚至发生隧道内线路短路故障；积水地段长期得不到及时排出，装载车、出渣车等车辆反复行驶中容易造成路基和路面不均匀沉降，对施工人员安全产生威胁；同时随着洞内作业面涌水量的增大，施工工效随之降低。

表5 洞内水环境2000～5000 m3·d-1较正常情况工效降低系数

2.2.3作业面涌水对进度指标影响分析

根据关山隧道一般情况和洞内水环境下实测进度指标，对比分析进度指标调整系数。

式中：φ为关山隧道洞内水环境进度指标调整系数；B3为实测关山隧道洞内水环境下的进度指标；B2为实测关山隧道正常环境下的进度指标。

不同洞内水环境下，实测调整系数见表6、表7所示。

表6 洞内水环境700～2000 m3·d-1较正常情况进度降效系数

表7 洞内水环境2000～5000m3·d-1较正常情况进度降效系数

由表6、表7可知，随着围岩质量变差以及洞内涌水量的增加，工效降低系数受到作业面涌水的影响增大，现场施工需加强超前地质预报和监控量测的准确度，尽可能提供前方围岩情况，现场施工时初支前及初支过程中需不断排水，仰拱施工增加改排和抽水等措施，缓解作业面涌水对施工工效和进度的影响。

3 结论

(1)小断面和作业面涌水对关山隧道的施工工效和工期影响较大，最大可达17%，为适应特长隧道施工中运输、通风、排水的需要，加大加长斜井断面是十分必要的。

(2)现场施工可结合避车洞，每210 m设置一处调头会车道且尺寸不得小于长度9 m，宽度7 m，缓解小断面对施工工效和进度的影响。

(3)现场施工需加强超前地质预报和监控量测的准确度，尽可能提供前方围岩情况，现场施工时初支前及初支过程中需不断排水，仰拱施工增加改排和抽水、重视反坡排水工作等措施，缓解作业面涌水对施工工效和进度的影响。