張新洲

(中鐵隧道集團有限公司,河南洛陽 471009)

1 工程概況

野三關(guān)隧道位于湖北省恩施州巴東縣野三關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi),隧道全長13841m,為宜萬鐵路全線最長的隧道,工期緊,任務(wù)重,是全線關(guān)鍵控制性工程,隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜,為全線 8座Ⅰ級風(fēng)險隧道之一。其中由中鐵隧道集團承建的進口段Ⅰ線全長為8055m,起訖里程為 DK116+205～DK124+260,在預(yù)留Ⅱ線位置設(shè)貫通平導(dǎo)。隧道Ⅱ線是由平導(dǎo)擴挖而成。DK116+205～DK116+374段為燕尾式隧道及小間距隧道,其余段為雙洞單線隧道,線間距 30m。隧道最大埋深684m,隧道設(shè)計為人字坡,DK124+000前為上坡,后為下坡。隧道進口段1535m處于半徑為1600m的曲線上,其余地段處于直線上。野三關(guān)隧道進口段共穿越 2個褶皺(二溪河向斜、石馬壩背斜),3個涌水帶(DK116+205～DK118+000、DK118+375～DK119+700、DK119+700～DK121+050),5條斷層(柳山拐斷裂、堰潭沖斷裂、大坪斷裂 F12、水洞坪斷裂 F16、葉朝灣斷裂 F17),5種不良地質(zhì)(巖溶及巖溶突水、突泥、斷層破碎帶、高地應(yīng)力軟巖塑變、煤層瓦斯),最大設(shè)計涌水量為23527m3/d。

2 施工方法及時效

2.1 隧道快速施工方法

全隧采用鉆爆法施工,利用超前平導(dǎo)經(jīng)橫通道進入Ⅰ線增加工作面,從而實現(xiàn)了長隧短打。Ⅰ線貫通后又經(jīng)橫通道進入平導(dǎo)進行Ⅱ線隧道的擴挖。

2.2 隧道快速施工的時效情況

隧道施工一直保持在均衡、高效的狀態(tài)下進行。

平導(dǎo)(圖1)月完成開挖、初期支護 150m以上和250m以上的月份分別占施工月份的 92%和 60%,月完成最高值為 410m。

圖1 平導(dǎo)開挖進度時效圖

Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖,初期支護月完成 100m以上和200m以上的月份分別占施工月份的 94.11%和66.67%,月開挖最高達到 712m。如圖2所示。

Ⅰ、Ⅱ線襯砌月完成 100m以上和 200m以上的月份分別占施工月份的 90.19%和 84.31%,月完成最高 756m。如圖3所示。

3 施工方案及組織管理

3.1 開挖支護

圖2 Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖進度時效圖

圖3 Ⅰ、Ⅱ線襯砌進度時效圖

隧道根據(jù)不同圍巖級別及周邊環(huán)境選擇相應(yīng)工法,Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用光面爆破施工技術(shù),斜眼掏槽,全斷面開挖。Ⅳ、Ⅴ級圍巖的施工按臺階法施工,首先開挖上半斷面,待開挖至相關(guān)規(guī)范的長度后,錯開馬口開挖下半斷面,上下半斷面分三步同時并進的施工方法。開挖后及時加強支護,保證掌子面 2～3臺噴漿機,施工作業(yè)時確保 2臺能正常作業(yè),盡量縮短支護時間,保證開挖、支護工序連續(xù)。在施工過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗,優(yōu)化工藝,有效控制項目的責(zé)任成本,加強正洞的超欠挖控制,提高隧道爆破的成型質(zhì)量。同時根據(jù)隧道設(shè)計情況,加強超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報,圍巖監(jiān)控量測管理。根據(jù)量測結(jié)果,及時申請設(shè)計變更調(diào)整預(yù)留變形量及支護參數(shù)。

3.2 隧道襯砌施工

二次襯砌是隧道工程永久性承力結(jié)構(gòu)的一部分,對提高隧道使用壽命和外觀質(zhì)量具有重要的作用。本隧道二次襯砌采用全斷面液壓模板臺車襯砌,混凝土由洞外自動計量拌和站拌制,混凝土運至輸送泵,泵送入模,附著式振搗器振搗。拱墻襯砌澆筑采用 12m軌行式襯砌模板臺車施工。為保證隧道二次襯砌成型要求,臺車模板每次澆筑完后必須打磨光滑,除銹、涂刷脫模劑,并保證模板臺車無變形和破損。二次襯砌的成型很大程度上取決于混凝土的質(zhì)量,因此在混凝土入模前嚴格控制其質(zhì)量,同時也是保證襯砌質(zhì)量的重要因素之一,混凝土嚴格控制計量、運輸過程監(jiān)控、入模溫度、脫模強度、養(yǎng)護的多個方面進行控制,避免浪費;既降低工程成本,又提高工程質(zhì)量。

3.3 施工運輸組織及管理

野三關(guān)隧道在施工高峰時開挖掌子面共有 8個,4個襯砌工作面,4個撿鋪底面同時施工,有軌運輸機械主要承擔(dān)各斷面出砟運輸、初支拱架和噴漿料運輸、二次襯砌以及撿鋪底混凝土運輸任務(wù),運輸任務(wù)十分繁重。能否有效組織和合理配置機械,對施工進度至關(guān)重要。

有軌運輸在實際使用過程中對線路要求比較嚴格,能否有效合理地鋪設(shè)軌線,對運輸效率和行車安全有著至關(guān)重要的影響,所以在鋪設(shè)線路時要遵循有關(guān)的技術(shù)要求和運輸量的需求進行設(shè)置。洞口設(shè)總調(diào)度室,對所有車輛進行統(tǒng)一調(diào)度,安排進洞材料的規(guī)格、數(shù)量、運達時間和位置,出砟車排空后及時進洞待命。根據(jù)施工的不同階段,選擇最佳位置設(shè)洞內(nèi)調(diào)度值班室,向進洞待命的砟車下達運輸?shù)娜蝿?wù),明確到達的地點,運輸?shù)膬?nèi)容,進入和返回的路線等。每輛車配備電瓶車司機 1人,車輛引導(dǎo)員 1人,車輛引導(dǎo)員始終位于車輛前進方向的前端,依據(jù)調(diào)度命令引導(dǎo)車輛運行和會讓。

設(shè)備的管理,設(shè)備物資部主要對設(shè)備進行選型和配套工作,設(shè)備到達后制定相應(yīng)的管理制度并監(jiān)督實施。在日常工作中除保證運行材料、配件等能滿足行車要求外,制定了詳細的維修保養(yǎng)計劃并監(jiān)督機械隊、運輸隊對機、礦車維修、保養(yǎng)落實情況,保證設(shè)備利用率和完好率。

安全管理:針對長隧獨頭掘進,作業(yè)面多,運輸管理戰(zhàn)線長的實際,針對運輸隊勞務(wù)工多,司機、調(diào)車員工作特殊性,管理難度大,安全隱患多,工區(qū)加強運輸系統(tǒng)的組織管理,重視運輸保障工作。把運輸安全放在首位;堅持從提高隊伍素質(zhì)入手,加強員工運輸安全教育,嚴格交接班和司機、調(diào)車員安全操作規(guī)范,加強操作人員的安全技能培訓(xùn),做到會操作、會保養(yǎng)。對車輛運輸實行了“三工制”管理。即:工前安全行車檢查、工中運行情況跟蹤、工后嚴格車況交接。堅持工作總結(jié)分析制度,對運輸中有阻礙施工生產(chǎn)的重大問題,生產(chǎn)副經(jīng)理及時組織相關(guān)人員召開專題會進行討論,分析原因、找出問題、制定解決方案,確保施工運輸正常運行。

3.4 施工通風(fēng)管理

3.4.1 施工通風(fēng)的難點及解決對策

野三關(guān)隧道進口段長8055m,中間沒有設(shè)置斜豎井,新風(fēng)的進入和污風(fēng)的排出均要經(jīng)隧道進口實現(xiàn)。針對通風(fēng)距離長,開挖工作面多,施工通風(fēng)困難大的特點。在施工過程中根據(jù)不同的施工階段采用巷道式通風(fēng) +局部壓入式通風(fēng)相結(jié)合的方式解決長大隧道的通風(fēng)問題。

3.4.2 施工通風(fēng)現(xiàn)場的實施

第一階段通風(fēng)布置和實施。

開工后,洞口燕尾段隧道施工期間,平導(dǎo)施工進入Ⅰ線施工時的通風(fēng)方式,如圖4所示。

圖4 野三關(guān)隧道進口段第一階段通風(fēng)布置示意

第二階段通風(fēng)布置和實施。

燕尾段隧道施工完成以后,隨著Ⅰ線與洞口貫通的掌子面的前移,具備利用巷道通風(fēng)條件時,采用如圖5所示的通風(fēng)方式。新風(fēng)從平導(dǎo)進入,污風(fēng)經(jīng)橫通道由Ⅰ線正洞排出。隨著施工的進展,風(fēng)機位置逐段前移。

圖5 野三關(guān)隧道進口段第二階段通風(fēng)布置示意

第三階段通風(fēng)布置和實施。

Ⅱ線擴挖階段的通風(fēng)及施工后期,由于新增工程量部分,采用 I、Ⅱ線同時掘進,利用Ⅰ線做進風(fēng)通道,Ⅰ線布置射流風(fēng)機引射新風(fēng),利用平導(dǎo)和擴挖中的Ⅱ線排出污風(fēng),Ⅱ線設(shè)置射流風(fēng)機引導(dǎo)污風(fēng),在每一個擴挖掌子面配備 1臺挖掘機,爆破后及時清通封堵平導(dǎo)口,保證污風(fēng)的及時排出。如圖6所示,

圖6 野三關(guān)隧道進口段第三階段通風(fēng)布置示意

4 高效、均衡生產(chǎn)的組織管理

4.1 人員機構(gòu)管理

首先,從隊伍的架構(gòu)上組織專業(yè)協(xié)作,選擇具有良好施工業(yè)績的隧道公司為工區(qū)的主體;由中鐵隧道設(shè)計院工勘分院組織了強有力的超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)測隊伍,負責(zé)地質(zhì)補勘、超前探測、地質(zhì)資料的綜合分析及超前地質(zhì)的預(yù)報工作,承擔(dān)與深孔鉆探有關(guān)的作業(yè)(如:大管棚、帷幕注漿、錨索的施工等);由中鐵隧道集團科研所通風(fēng)組負責(zé)洞內(nèi)通風(fēng)方案的設(shè)計、研究完善和通風(fēng)管理;由中鐵隧道集團物資中心宜萬材料廠負責(zé)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購。分工協(xié)作,各負其責(zé),無縫對接,高效運轉(zhuǎn)。

其次,工區(qū)作業(yè)層形成分工明確,界面清楚,相互配合的多個生產(chǎn)單元流水作業(yè),在以生產(chǎn)經(jīng)理為中心的生產(chǎn)調(diào)度的統(tǒng)一指揮下,根據(jù)各作業(yè)面的輕重緩急,按照合理、高效的原則,組織各生產(chǎn)單元有序的開展工作。

4.2 設(shè)備選型考慮的因素

(1)施工方案。機械設(shè)備的選型、配套和施工方案密切相關(guān)。根據(jù)地質(zhì)條件、工期要求,通過比選,確定總體施工方案為:采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工,以機械化施工為主,洞內(nèi)為有軌運輸,開挖以全斷面為主,局部軟弱圍巖采用短臺階。襯砌采用整體液壓鋼模襯砌臺車。洞內(nèi)的有軌運輸方式,選擇的機械設(shè)備要和方案配套。

(2)工期要求。工期要求緊,機械設(shè)備的型號和數(shù)量必需滿足工期要求。盡量選擇性能好、效率高的設(shè)備,但防止出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象,造成部分設(shè)備生產(chǎn)能力得不到充分發(fā)揮。

(3)隧道的形狀和尺寸。隧道屬地下工程,洞內(nèi)空間有限,設(shè)備選型除了考慮性能和配套以外,還要考慮結(jié)構(gòu)尺寸、工作半徑等。如果選型不當,則設(shè)備無法在洞內(nèi)正常工作或相互之間干擾,野三關(guān)隧道進口為電化隧道,平導(dǎo)超前,正洞斷面形狀為馬蹄形曲墻斷面和直墻斷面,開挖斷面積 52.35～79.12m2,主要考慮的是設(shè)備的裝砟半徑,太小影響進度,太大則設(shè)備能力得不到發(fā)揮。同時所有的洞內(nèi)進出設(shè)備都要滿足襯砌臺車的凈空要求。

(4)環(huán)境要求。洞內(nèi)的空氣污染主要來自爆破后有害氣體及設(shè)備產(chǎn)生的廢氣。對于長大隧道,洞內(nèi)通風(fēng)距離長,排煙難度大,因此盡量選用電動設(shè)備,選用大功率的通風(fēng)設(shè)備,少用或不用內(nèi)燃設(shè)備,以減少洞內(nèi)的污染源。

(5)企業(yè)形象要求。好的機械設(shè)備,可以樹立企業(yè)形象,同時也促進企業(yè)進步。當然這要結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的經(jīng)濟能力、設(shè)備狀況和技術(shù)水平等因素綜合考慮。

4.3 機械配套

4.3.1 開挖設(shè)備配套

正洞及平導(dǎo)均采用鉆爆法施工。利用多功能臺鑿巖臺架配 YT28型風(fēng)動鑿巖機實施斷面開挖,平導(dǎo)開挖工作面 1個,正洞開挖工作面由前向工作面和利用超前的平導(dǎo)通過橫洞進入正線的工作面組成,一般情況下有 3～4個。開挖設(shè)備的動力為壓縮空氣,由洞口的空壓站及洞內(nèi)的移動空壓機向其供應(yīng)。

4.3.2 裝運設(shè)備配套

野三關(guān)隧道進口洞內(nèi)采用有軌運輸方式,鋪設(shè) 38 kg/m鋼軌的軌道,軌距為 762mm。開挖出砟及各種材料的運送均由電瓶機車牽引梭式礦車來完成。正洞全斷面開挖或擴挖掌子面的裝砟由輪式裝載機進行,正洞導(dǎo)坑開挖和平導(dǎo)開挖掌子面的裝砟由 WZ160型挖裝機進行。洞外棄砟的二次倒運由輪式裝載機配大型自卸汽車實施。

電瓶車和梭礦的數(shù)量確認:根據(jù)進度要求,隧道掘進每個循環(huán)要求出砟 240min,考慮到供電、清砟等輔助工作,必須保證在 200min內(nèi)為正常的出砟時間,而每循環(huán)進尺 3.5m,以掘進4000m時為例,每循環(huán)需出砟車數(shù):(75×1.65×3.5)/(16×0.8)=35(車),式中:1.65為砟堆的松散系數(shù);0.8為裝砟時梭礦的容積系數(shù)。

每車的平均時間要求為:T1=200/35=5.7min

每一車從裝卸到往返的總時間計算:

T=2L/V+T′+T″

式中,T′為每個梭礦的裝車時間,取平均時間 5 min;T″為洞口調(diào)車及卸砟時間,經(jīng)驗數(shù)據(jù)為 8min;V是電瓶車的運行速度,取 15km/h。

所以在4km內(nèi):T=45min,需列車數(shù):N=45/5.7=7.89輛。

根據(jù)計算,一個作業(yè)面需配備 10臺電瓶車,相應(yīng)配備 12臺梭礦?？紤]到施工高峰時有 3個工作面同時進行出砟作業(yè),應(yīng)配備 30臺電瓶車,相應(yīng)配備 35臺梭礦。此配套施工的運行效果:每循環(huán)出砟 35車,最快出砟時間 200min,一般情況下210～230min就可完成一個循環(huán)的出砟。

4.3.3 隧道襯砌設(shè)備配套

野三關(guān)隧道仰拱鋪底和襯砌用混凝土由洞外混凝土攪拌站進行生產(chǎn),由混凝土攪拌輸送車向洞內(nèi)運送,再由混凝土輸送泵一次將混凝土泵送到位,其襯砌模具根據(jù)不同的襯砌類型設(shè)計,分別采用不同的模板臺車,形成了混凝土襯砌施工機械化作業(yè)線。

4.3.4 隧道注漿設(shè)備配套

野三關(guān)隧道進口地段地質(zhì)復(fù)雜,部分地段圍巖破碎、且正線還要穿過部分高壓富水充填性溶洞,開挖前必須進行全斷面帷幕注漿和頂水注漿,以改善和加固開挖圍巖的施工條件,并堵截大部分壓力水從洞內(nèi)排出,以形成安全、良好的施工環(huán)境。其注漿設(shè)備由MK-5坑道和 7～30MPa的單、雙液注漿泵組成。

4.3.5 隧道通風(fēng)設(shè)備配套

野三關(guān)隧道施工采用巷道式通風(fēng)和局部壓入式通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式,由射流風(fēng)機 22～55kW和 74～110kW軸流式通風(fēng)機以不同的組合方式來完成隧道施工不同階段的通風(fēng)工作。

5 結(jié)語

野三關(guān)隧道進口之所以取得了較好的成績,是重點抓了“地質(zhì)為綱、專業(yè)協(xié)作、平導(dǎo)超前、均衡高產(chǎn)”4個方面的工作。簡述如下,希望能對今后長大隧道的施工組織和管理有所幫助。

5.1 地質(zhì)為綱

在長大隧道的施工組織設(shè)計中,施工方案的確定,施工進度的安排,施工機械,人員的配置都是建立在對地質(zhì)條件的充分認知的基礎(chǔ)上的。施工過程中各掌子面的進度安排、施工方案的調(diào)整都是在超前地質(zhì)預(yù)報測預(yù)工作的基礎(chǔ)上進行的。應(yīng)當說,一座長大隧道的施工能否安全、高效、有序地展開是與組織管理人員對施工地質(zhì)工作的重視程度和對地質(zhì)環(huán)境的了解程度有直接關(guān)系的。從某種意義上講,施工地質(zhì)工作就是長大隧道施工的綱,只要抓住了這個綱,就會對所施工區(qū)域的地質(zhì)條件了如指掌,安排工作就會有針對性,將起到事半功倍的效果。我們充分認識到了這一點,在工程的策劃階段,邀請中鐵隧道設(shè)計院工勘分院組織了強有力的超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)測隊伍駐場作業(yè),參與施工方案的編制、施工進度的安排、配合隧道開挖的全過程。有效地保證了野三關(guān)隧道進口段施工生產(chǎn)安全、高效、有序的推進。

5.2 專業(yè)協(xié)作

組織專業(yè)協(xié)作,發(fā)揮各自優(yōu)勢,是長大隧道施工行之有效的方式,野三關(guān)隧道進口從兩個層面上組織專業(yè)協(xié)作,取得了良好的效果。

5.3 平導(dǎo)超前

平導(dǎo)超前是長大隧道快速施工的必備條件。長大隧道快速施工首先要解決的是工作面不足問題,只有平導(dǎo)始終超前正洞開挖面最前面的通道口 2～3個橫通道長度,才有可能給開挖工作提供足夠的工作面。

5.4 均衡高產(chǎn)

均衡高產(chǎn)是充分利用作業(yè)空間、機械設(shè)備和人力資源的綜合反映,是組織能力和生產(chǎn)調(diào)度能力的綜合體現(xiàn),是長大隧道快速施工的有力保證。

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