关于时速140km铁路单线长大隧道快速施工的思考

闫优YAN You；杨华YANG Hua

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710000）

0 引言

近几年，新建的蒙华铁路[1-3]、衢宁铁路、大临铁路[4]、玉墨铁路和大瑞铁路均有很多的长大单线铁路，设计时速160km的单线铁路隧道轨面宽度6m，设计时速140km的单线铁路隧道轨面宽度只有4.4m。单线铁路隧道断面小，独头掘进距离长，施工相互干扰大、不能有效实现工序间的平行作业，能有效配套的机械设备较少，施工功效非常低，施工工期不可控，容错率非常低，对大多施工企业形成了巨大的经济压力。随着我国交通基础设施的逐渐完善，铁路、公路交通建设重心逐渐向西南边陲地区转移。为解决滇西南地区复杂地质条件下的特殊小断面单线长大隧道快速施工的难题，本文依托大瑞铁路老红坡隧道工程，采用常规的钻爆法施工，通过对隧道施工工法的合理优化、调车洞的合理设置、施工机械设备的合理配置、施工组织的高效管理等方面进行了分析和对比，较好地解决了小断面隧道快速施工技术的难题并提出了高效的管理思路，有效的提高了单线隧道的施工功效，可为后续类似工程施工提供参考。

1 工程概况

新建大瑞铁路老红坡隧道全长9851m，洞身最大埋深486m。隧道除进口538m、出口613m为双线隧道，其余段落均为单线隧道（内轨顶面最大净宽4.4m），全隧Ⅱ级围岩400m，占4.1%，Ⅲ级围岩1600m，占16.2%，Ⅳ级围岩4095m，占41.6%，Ⅴ级围岩3756m，占38.1%。

老红坡隧道地处云贵高原西部边缘横断山脉南段，为我国著名的滇西纵谷地带，峰峦重叠，河谷深切，地形陡峻，穿越澜沧江深大断裂与保山褶皱及腾冲褶皱带，地质构造极为复杂，具有“三高”（高地热、高地应力、高地震烈度）、“四活跃”（活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程）特点。隧道穿越的主要不良地质构造有观音山背斜、张家庄断层、背后山断层、水塘子平移断层、新房子断裂、吴家庄断层。

隧道分进口和1、2、3号横洞四个作业工区组织施工，辅助横洞最长达1450m，单口独头掘进最长达3700m。

2 单线铁路隧道的施工特点和需解决的主要矛盾

2.1 单线铁路隧道的施工特点

①单线铁路隧道断面小、作业空间有限，全断面作业不能使用装载机并行快速出渣作业。见图1。

图1 单线隧道断面尺寸

②隧道独头掘进长、洞内温度高，作业环境恶劣。

③隧道相适应的配套设备少、作业工序间相互制约。

④隧道内施工交通组织难、相互干扰制约问题突出。

⑤隧道内无法错车、无法调头、仰拱及衬砌砼浇筑作业时隧道内交通中断。

2.2 单线隧道快速施工要解决的主要矛盾

通过大瑞铁路（时速140km）隧道的施工实践，快速施工需要解决如下主要矛盾：

①掌子面作业空间狭窄，相适应的配套设备少，挖机、装载机、运输车辆难以配套。

②各工序间相互干扰、制约，地质频繁交替变化，开挖工法的正确应用和转换对施工进度制约较大。

③作业机械和运输车辆相互干扰、制约，洞内调头和相互错车严重影响作业功效。

④单线隧道断面小，无法实现装载机并行出渣，中型挖机出渣功效不高。

⑤单线隧道对现场施工组织管理水平要求特别高，现场管理者不能科学合理解决各机械设备之间的相互干扰问题，机械设备故障瘫痪通道等，导致隧道整体施工功效不能达到最佳状况。

3 单线隧道快速施工关键技术

3.1 选择正确的开挖工法，确保施工安全、高效和工法间快速转换

通过不同地质对开挖工法不断的优化，最终固化了单线隧道三台阶、两台阶和全断面开挖工法，各台阶的划分高度充分考虑了喷浆机械手、运输车辆通行、作业功效，地质复杂多变，开挖工法的相互快速转化是快速施工的基本保证。

①三台阶开挖工法：地质遇到强风化的玄武岩夹泥岩和白云岩充填泥质物的Ⅴ级围岩钢架支护段落，质软、非常破碎、地下水发育、自稳能力差的Ⅴ级围岩钢架支护段落。台阶高度划分：上台阶高度3.9～4.1m，中台阶高度2.8～3.0m，下台阶高度2～2.2m；台阶长度控制：上台阶长度5~7.5m，中台阶长度5~7.5m；上台阶加工两个长方体形状且能快速移动、摆放的简易台架，建议尺寸为：3.5m（长）×1.5m（宽）×2m（高）。软弱破碎围岩仰拱封闭成环作业与下台阶开挖同步作业，仰拱封闭成环步距不大于35m。

②两台阶开挖工法：地质遇到中风化的泥质砂岩、玄武岩夹生物灰岩和白云质灰岩，岩石较硬、节理裂隙较发育、自稳能力较好的Ⅳ级围岩钢架支护段落。台阶高度划分：上台阶高度6.8～7.0m，下台阶高度2～2.2m，上台阶加工制作能移动方便的整体作业台架，台架下可以通过所有的作业机械；台阶长度控制：上台阶长度10～15m，上、下台阶同步开挖，仰拱填充步距不大于55m。

③全断面开挖工法：地质遇到弱风化的玄武岩、白云质灰岩，岩石坚硬、整体性好、自稳能力强的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩锚网喷支护段落，能保障光面爆破质量。全断面作业高度8.25～8.75m，加工制作能满足全断面施工且移动方便的整体台架；仰拱填充步距不大于55m，底板步距不大于90m，二衬步距均不大于120m。

单线隧道选择工法的原则：依据地质情况，在确保安全的前提下，以减少工序为原则，优先选择全断面法、其次选择台阶法、最后选择三台阶法。

3.2 调车洞的合理布设是单线隧道有序施工的保证

单线隧道内使用的所有机械设备均无法错车、调头，各设备在掌子面区域不能同时作业、停留，单个机械退出后另一个机械才可进入作业范围，机械进出耽误时间非常多。在单线隧道洞内扩挖梯车洞或小避车洞（设计无过轨管的洞室）形成机械设备的调车洞，有效解决了挖机、装载机、砼运输罐车、机械手[8]、出渣车等设备作业过程的错车、调头和停放，以减少挖掘机进入和退出作业区通行时间为主线。

单线隧道设计的梯车洞尺寸为6m（净深）×6m（净宽）×5m（净高），左右侧交替间距为500m。单线隧道内如实现配套机械快速调头的调车洞尺寸为8m（净深）×8.5m（净宽）×5.8m（净高），调车洞可以利用扩挖梯车洞实现。（图2）

图2 大瑞铁路4标单线隧道调车洞设计断面图

经现场施工统计得出，单线隧道出渣工序与调车洞的距离关系如图3。

如图3所示计算，按500m距离设置调车洞，出渣距离在250～500m区间范围时出渣工序增加12～15d时间，单个调车洞开挖支护时间为7d，即：按500m距离设置调车洞比按250距离设置调车洞可直接增加出渣工序时间为5～8d。考虑施工过程其他车辆会车时间影响，调车洞距离按250m设置一处为宜。

图3 单线隧道出渣工序时间消耗和调车洞设置距离对应关系图

3.3 隧道洞身曲墙变直墙可实现装载机并行出渣作业

单线隧道设计空间只能满足挖机装渣作业，如将隧道开挖断面的边墙曲少量优化调为直墙，可实现装载机与出渣车的并行出渣，出渣工序的快速施工效果明显，装载机并行出渣较挖机出渣每循环可节约1.5~2h。

为保证隧道结构受力安全，建议对全断面法施工的Ⅲ、Ⅳ级围岩断面进行优化，月进尺可增加10～15m。Ⅲ级围岩断面优化后每延米增加开挖量和衬砌同级混凝土回填量为1.18方；Ⅳa级围岩断面优化后每延米增加开挖量和衬砌同级混凝土回填方量均0.97方。

3.4 单线隧道快速施工要素配置

3.4.1 基本要素配置（表1）

3.4.2 湿喷机械手与小型湿喷机的功效对比分析

①湿喷机械手作业：台阶法和全断面法施工的掌子面，湿喷机械手较小型喷浆机作业快速施工的效果非常明显，喷射混凝土强度和平整度容易保证，喷砼工序时间较小型湿喷机作业每循环可减少2～3h。

②小型湿喷机作业：两台阶法立钢架掌子面喷砼作业必须使用整体台架，受台架对喷射作业角度的影响，边墙喷砼平整度较难控制，需二次补喷作业；全断面法锚网喷掌子面喷砼作业不宜使用整体台架，爆破后可利用渣体形成锚网喷作业平台，边墙喷砼平整度不受整体台架的制约，喷砼强度和平整度容易保证，需要每循环及时喷浆，光爆段落不能实现多循环一次喷浆的条件。

表1单线隧道单个掌子面不同工法实现快速施工的要素配置

4 单线隧道快速施工组织管理措施

4.1 合理的工序指标考核是实现快速施工的关键手段

快速施工就是要以“零耽搁、负交接”为目标，以“谁误事、谁负责、强考核”为手段，工序组织是实现快速施工的基础，要充分考虑各工序之间的关系，通过分解工序时间，强化现场组织管理来实现快速施工。

①时速140km的单线隧道在不同开挖工法和支护类型的循环工序时间分解如表2~表4；②单线隧道快速施工的考核指标（考虑仰拱、二衬砼浇筑对掌子面进度的耽误）：1）Ⅴ级围岩三台阶法施工：每循环开挖支护2榀钢架，开挖进尺为1.2m、1.6m、1.8m，每循环16小时，每月进度考核指标对应为45m、60m、75m。2）Ⅳ级围岩两台阶法施工：每循环开挖支护2榀钢架，开挖进尺为2.4m，每循环18小时，每月进度考核指标为80m。3）Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩全断面法施工：锚网喷支护，平均开挖进尺为3m，按两循环锚喷28小时，每月进度考核指标为120m。

表2 V级围岩三台阶法开挖工序循环时间表

表3Ⅳ级围岩台阶法开挖工序循环时间表

表4Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩全断面法开挖工序循环时间表

4.2 技术管理、服务和工序组织管理要精准到位

①技术管理与服务必须精准到位，包括技术测量服务、拌合站混凝土供应、火工品供应、支护材料的储备等，必须确保技术管理与服务、物资材料供应“零耽搁”。②加强施工工序组织管理，包括进出掌子面机械设备的调度、调车洞的合理使用，横洞与正洞三岔口的通行调度，仰拱填充及衬砌混凝土的浇筑时机，出渣车辆的运输调度等，必须强化各工班的衔接与施工组织的“负交接”。③引入BIM技术和相关信息管理平台，对施工进行动态模拟，更有利于优化施工组织。

4.3 强抓光面爆破作业，提高单线隧道施工效率

光面爆破效果是快速施工的关键，较好的光爆效果不仅消除了掌子面掉块的安全隐患，而且有效的控制隧道超、欠挖，节约了施工成本，还减少了喷射混凝土工序作业时间，施工功效明显提高。搞好光面爆破才能保障隧道工程质量，才能规避隧道质量缺陷。项目部要根据不同岩性和工法对各掌子面进行专项爆破设计，不断优化爆破参数，制定严格的考核兑现制度，使光面爆破效果达到最佳。

4.4 单线隧道快速施工的安全、质量保障措施

①软弱围岩必须坚持“短进尺、强支护、快封闭、勤量测、严步距”的基本原则，杜绝隧道发生大变形和塌方等灾害。②高度重视超前地质预报工作，必须将超前地质预报工作纳入隧道施工的工序管理，未经超前地质预报检测的掌子面不得施工。超前地质预报工作坚持“内外兼顾，内为重；物钻并用，钻为重；长短结合，短为重；异常部位，加密钻探”的原则。③加大培训力度，提高技术管理人员对围岩地质的辨识能力，利用QQ及微信平台及时传输各掌子面地质信息和施工状态，面对特殊不良地质灾害时能快速动态调整施工工法和启动应急措施。④研究制定与单线隧道相适应的配套设备及技术办法，严格执行标准化工艺工法，确保隧道施工质量。

5 结论与建议

①通过采用合理的施工工法、调车洞的位置及实用有效的技术措施，达到了快速施工的目的，各级围岩的施工进度均有明显提高。其中，Ⅲ级围岩平均月进度为130m，最高达156m；Ⅳ级围岩平均月进度为85m，最高达100m；Ⅴ级围岩平均月进度为60m，最高达75m。②单线隧道实现快速施工的建议：采取加大钢架型号的办法，适当增加拱架间距。如：Ⅴc级围岩在固定循环进尺2榀的前提下，0.6m与0.8m拱架间距循环时间基本相同，但日进度相差0.6m/天，月进度能够从45m/月提高至60m/月。③单线隧道快速施工需要积极发挥参建者的主观能动性，对特殊的软岩大变形段落采取宁强勿弱、加大预留变形量的措施杜绝隧道变形侵限而拆换拱作业。