陳兵章
(中鐵二十一局集團第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000)
隨著我國綜合國力的顯著提高,基礎設施建設也迅猛發(fā)展。我國在隧道建設方面具有大量的工程經驗,具備完善的施工技術[1]。在交通線路建設過程中,為了節(jié)約交通成本,優(yōu)化行駛線路,使出行更加高效便捷,隧道起著至關重要的作用[2]。但是在黃土地區(qū)、巖溶地區(qū)、高海拔地區(qū)等復雜工程地質條件地區(qū),隧道建設面臨技術難度大、施工困難等問題。大量學者對隧道施工進行研究,陳云騰等[3]采用ABAQUS軟件為研究隧道圍巖區(qū)段的穩(wěn)定性進行開挖施工過程模擬。朱紅桃[4]依托白石崗隧道工程,對連拱隧道施工過程進行模擬,得出三導洞施工方案最優(yōu)的結論。胡長明等[5]基于某連拱隧道施工,通過數值模擬對微臺階施工方法進行優(yōu)化,使隧道施工安全高效。張風[6]以奉節(jié)隧道工程提出兩臺階四步開挖技術,減少了對圍巖的擾動。王建軍[7]在蒙華鐵路某黃土隧道區(qū)段為達到施工進度和安全的目的,提出“快挖、快支、快成環(huán)”為核心的微臺階施工方法?;菸淦剑?]運用軟件模擬對比分析指出微臺階法可有效控制圍巖變形??梢?,對于高風險隧道的開挖,微臺階施工技術已十分成熟。
成昆鐵路峨眉至米易段共有4座隧道,其總長超過13 km,隧道占線路全長的50.6%,其中興隆山隧道基本以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主。Ⅳ級圍巖呈塊石狀鑲嵌結構,Ⅴ級圍巖呈角礫碎石松散結構,在施工過程中處置不當極易發(fā)生坍塌變形,導致施工安全問題發(fā)生[9]。鑒于該隧道的地質情況,傳統長臺階法已經不能滿足施工安全的需要。
大量工程實踐經驗和科研成果表明[10-12],圍巖失去穩(wěn)定性是造成隧道坍塌的根本原因,而圍巖失穩(wěn)的主要原因是隧道開挖后支護不及時。在采用常規(guī)的臺階法進行施工時,由于下臺階的空間限制導致初期支護不能盡早封閉成環(huán),故二次襯砌也不能緊跟施工,從而造成隧道坍塌。為了保障鐵路隧道施工安全,鐵建設(2010)120文對仰拱及掌子面施工距離作出了明確的限值,《鐵路隧道工程施工安全技術規(guī)程》(TB 10304—2020)對隧道開挖提出詳細的安全技術要求。
興隆山隧道采用微臺階施工工法主要通過縮短上、中、下臺階的施工長度,多平臺能夠同時進行施工作業(yè),初支鋼架能夠及時封閉成環(huán),達到“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求,并能及時進行仰拱和二襯的施工,使得施工始終滿足安全步距強制性規(guī)定要求,將隧道風險降至最低。利用現有設備和人員,改變傳統的隧道施工工法,通過對微臺階施工工藝的創(chuàng)新,在保證施工質量和施工安全的前提下,加快隧道施工進度、降低施工成本。
興隆山隧道全長1 923 m,最大埋深超過300 m。該隧道線路為單面上坡,最大坡度12‰。全隧以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主,其中Ⅳ級圍巖長度510 m、Ⅴ級圍巖長度1 083 m,總長度1 593 m,占隧道總長的82.8%。隧道穿越1條深斷裂帶,該斷裂帶為區(qū)域性大斷裂、壓扭性深斷裂,斷層寬度200~300 m,以斷層角礫為主,斷層影響寬度300~1 000 m,含有第四系孔隙水、基巖裂隙水和斷層破碎帶孔隙水三個含水層組,其中斷層破碎帶孔隙水最為豐富。該隧道所處地質條件極為惡劣,為保障隧道施工的安全及合理工序作業(yè),經研究采用微臺階工法施工。
微臺階施工工藝流程如圖1所示。
圖1 微臺階工藝流程
(1)開挖臺階布置形式
針對隧道地質狀況,為了施工安全和質量,對Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別制定不同的臺階布置形式:Ⅳ級圍巖上臺階長5.0 m、高4.2 m;中臺階長3.0 m、高3.0 m;下臺階長15~20 m,高3.0 m。上臺階、中臺階和下臺階同步掘進,每循環(huán)開挖進尺2.4 m/2榀。Ⅴ級圍巖上臺階長5.0 m、高3.3 m;中臺階長3.0 m、高3.5 m;下臺階長15~20 m,高3.4 m。上臺階、中臺階和下臺階同步掘進,每循環(huán)開挖進尺1.2 m/2榀。臺階布置形式如圖2所示。
圖2 開挖工法臺階布置形式
(2)上、中、下臺階鉆爆施工
隧道爆破采用光面爆破。為保證炮孔達到“準、平、直、齊”的要求,首先采用全站儀放出水平、高程方向的控制基準點,然后采用多斷面激光水平儀在掌子面投影基準線,技術人員用鋼尺精準布孔,施鉆人員按照“定位、定人”精細鉆孔。為減小周邊眼孔底的偏移量造成線性超挖,周邊眼采用長短孔布置。按照水壓光面爆破的要求調整周邊孔眼的裝藥結構,采用小直徑藥卷并連續(xù)裝藥(炸藥卷直徑27 mm,單根長20 cm,每卷重100 g),由毫秒導爆雷管串聯后依次起爆,起爆順序為下臺階→中臺階→上臺階。
對于Ⅳ級圍巖每循環(huán)進尺2.4 m,立2榀拱架。上臺階配備6把風槍,中、下臺階各配備4把風槍。對于Ⅴ級圍巖每循環(huán)進尺1.2 m,立2榀拱架。上臺階配備4把風槍,中、下臺階各配備3把風槍,三個臺階同時進行鉆孔爆破。
(3)上臺階扒渣及吊運拱架
Ⅳ級圍巖爆破完成后,挖掘機將上臺階的洞渣扒至中臺階(見圖3),并修筑臨時坡道。當Ⅴ級圍巖爆破完成后,同樣安排挖掘機進行上臺階扒渣作業(yè),并在上臺階預留部分洞渣作為施工平臺,方便工人進行立架和鉆孔作業(yè),平臺高1.2~1.5 m,頂面長2 m、底面長3.5 m,為便于混凝土噴射機械手作業(yè)將尾部修成具有一定斜度的坡面。裝載機駕駛員不僅要進行扒渣作業(yè),在上臺階洞渣清理完畢后還需將初支鋼拱架運送至上臺階。
圖3 上臺階扒渣示意
(4)上臺階立架,中、下臺階出渣
首先安排挖掘機進行扒渣作業(yè),將中臺階洞渣扒至下臺階,然后挖掘機站位于中臺階準備出渣。Ⅳ級圍巖每循環(huán)的出渣方量約為267 m3,配備自卸車3臺,運距1.4 km;Ⅴ級圍巖每循環(huán)的出渣方量約為130 m3,配備自卸車5臺,運距8.7 km。為加快施工進度,當Ⅳ級、Ⅴ級圍巖中下臺階出渣時,在上臺階開始安裝拱架。
(5)中、下臺階安裝邊墻鋼架
為了保證上、中、下三個臺階平行作業(yè),中、下平臺出渣完成后,安排裝載機將邊墻鋼架運送至中、下臺階,放置到位后立即開始安裝,上臺階繼續(xù)進行超前支護。其中Ⅳ級圍巖上臺階安裝超前小導管37根,每根長度為3.5 m,縱向2.4 m為一環(huán),并且每循環(huán)施作8根鎖腳錨管和26根系統錨桿,安排6把風槍進行工作;中臺階安裝鎖腳錨管8根、系統錨桿8根,安排4把風槍;下臺階安裝鎖腳錨管8根、系統錨桿8根,安排4把風槍。Ⅴ級圍巖上臺階安裝超前小導管50根,每根長度為3 m,并且每循環(huán)施作16根鎖腳錨管和10根系統錨管,安排3把風槍;中臺階鎖腳錨管16根、系統錨桿6根,安排2把風槍;下臺階安裝鎖腳錨管16根、系統錨桿6根,安排2把風槍。
(6)噴射混凝土
在混凝土噴射施工前,為確保各項原材料的相互兼容和保證混凝土性能穩(wěn)定,對進場原材進行試驗,根據試驗結果動態(tài)調整施工配合比,并結合現場設備進行工藝試驗,優(yōu)化工藝參數,以提高混凝土噴射質量。
拱架安裝及超前支護施工完成后,需立即進行混凝土噴射作業(yè),按照上、中、下臺階的順序依次噴射。其中對于Ⅳ級圍巖每循環(huán)設計噴射混凝土方量為17.3 m3,采用的設備為鐵建重工HPS3016S濕噴機械手;Ⅴ級圍巖每循環(huán)設計噴射混凝土方量為9.2 m3,采用的設備為科達KC3016W濕噴機械手。
(7)仰拱施工
不同等級圍巖各臺階施工進度不同,所以隧底開挖時機也不相同。Ⅳ級圍巖每經過1個循環(huán)便開挖一次隧底,開挖長度為3.6 m;Ⅴ級圍巖經過3個循環(huán)開挖一次隧底,開挖長度同樣為3.6 m。隧底鉆爆施工與三臺階施工同步進行,隧道底部出渣和支護作業(yè)與三個臺階立架支護同時進行,這樣便不會影響掌子面施工,而且在進行隧底混凝土噴射時可以同時進行下一個循環(huán)中掌子面鉆孔施工。
(8)施工資源配置
①作業(yè)人員安排
現場作業(yè)兩班倒,24 h不間斷作業(yè),Ⅳ、Ⅴ級圍巖配備人數不同,詳細人員配置見表1。
表1 作業(yè)人員配置
表2 機械設備配置
(1)隧道施工采用微臺階施工方法,并依據不同級別的圍巖性質,采用不同的微臺階施工工藝。Ⅳ級圍巖在采用微臺階工法之前,每次循環(huán)作業(yè)時間達到22 h以上,每月平均進尺僅50~60 m;采用微臺階工法之后,Ⅳ級圍巖每循環(huán)作業(yè)時間縮短4 h左右,月進尺提高30~40 m。Ⅴ級圍巖在采用微臺階工法之前,每次循環(huán)作業(yè)時間在18 h左右,每月平均進尺僅20~30 m;采用微臺階工法之后,Ⅴ級圍巖每次循環(huán)作業(yè)時間縮短3 h左右,月進尺提高25~35 m。單次施工循環(huán)時間明顯減少,月進尺明顯提高,施工效率顯著提高。
(2)在施工安全方面,因安全步距造成的停工趕步距情況得到徹底改善,由于前期施工時,隧道中間始終留有斜坡道,臺階長、工序多,相互干擾,三個臺階不能齊頭并進,并且仰拱和二襯的施工不能及時跟進,導致安全步距經常超標。采用微臺階工法后,臺階長度的縮短使得上、中、下臺階能夠進行平行作業(yè);初支鋼架能夠及時封閉成環(huán),實現了“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求。
(3)采用微臺階工法后,實現了上臺階立拱架與出渣的平行作業(yè),有效縮短了循環(huán)作業(yè)時間,解決了以往分臺階開挖存在的相互干擾、施工效率低等問題。微臺階工法實施后,Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖每月分別增加產值約120萬元和140萬元,同時節(jié)約了單位產值的勞動力和機械成本;另外混凝土超耗大幅度降低,初支噴射混凝土平均超耗從之前的218%下降到108%,累計減少19 890 m3,減少虧損約928萬元;二襯混凝土平均超耗從之前的64%下降到15%,累計減少了8 295 m3,減虧約310萬元??梢娫诓捎梦⑴_階工法后取得的經濟效益較為顯著。
峨米鐵路興隆山隧道施工采用微臺階施工方法,實現了“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求,使仰拱和二襯能夠及時跟進,滿足了安全步距要求,將隧道施工風險降至最低。通過對工藝的創(chuàng)新,加快了隧道施工進度、保證了隧道施工安全,并且大幅降低了施工成本。