張新洲

(中鐵隧道集團(tuán)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(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。其中由中鐵隧道集團(tuán)承建的進(jìn)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(kuò)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(jì)為人字坡,DK124+000前為上坡,后為下坡。隧道進(jìn)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(jìn)口段共穿越 2個(gè)褶皺(二溪河向斜、石馬壩背斜),3個(gè)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(jì)涌水量為23527m3/d。

2 施工方法及時(shí)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(jìn)入Ⅰ線增加工作面,從而實(shí)現(xiàn)了長隧短打。Ⅰ線貫通后又經(jīng)橫通道進(jìn)入平導(dǎo)進(jìn)行Ⅱ線隧道的擴(kuò)挖。

2.2 隧道快速施工的時(shí)效情況

隧道施工一直保持在均衡、高效的狀態(tài)下進(jìn)行。

平導(dǎo)(圖1)月完成開挖、初期支護(hù) 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(jìn)度時(shí)效圖

Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖,初期支護(hù)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(dá)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(hù)

圖2 Ⅰ、Ⅱ線正洞開挖進(jìn)度時(shí)效圖

圖3 Ⅰ、Ⅱ線襯砌進(jìn)度時(shí)效圖

隧道根據(jù)不同圍巖級(jí)別及周邊環(huán)境選擇相應(yīng)工法,Ⅱ、Ⅲ級(jí)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(jí)圍巖的施工按臺(tái)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(cuò)開馬口開挖下半斷面,上下半斷面分三步同時(shí)并進(jìn)的施工方法。開挖后及時(shí)加強(qiáng)支護(hù),保證掌子面 2～3臺(tái)噴漿機(jī),施工作業(yè)時(shí)確保 2臺(tái)能正常作業(yè),盡量縮短支護(hù)時(shí)間,保證開挖、支護(hù)工序連續(xù)。在施工過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化工藝,有效控制項(xiàng)目的責(zé)任成本,加強(qiáng)正洞的超欠挖控制,提高隧道爆破的成型質(zhì)量。同時(shí)根據(jù)隧道設(shè)計(jì)情況,加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào),圍巖監(jiān)控量測管理。根據(jù)量測結(jié)果,及時(shí)申請?jiān)O(shè)計(jì)變更調(diào)整預(yù)留變形量及支護(hù)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(tái)車襯砌,混凝土由洞外自動(dòng)計(jì)量拌和站拌制,混凝土運(yùn)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(tái)車施工。為保證隧道二次襯砌成型要求,臺(tái)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(tái)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(yán)格控制其質(zhì)量,同時(shí)也是保證襯砌質(zhì)量的重要因素之一,混凝土嚴(yán)格控制計(jì)量、運(yùn)輸過程監(jiān)控、入模溫度、脫模強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)的多個(gè)方面進(jìn)行控制,避免浪費(fèi);既降低工程成本,又提高工程質(zhì)量。

3.3 施工運(yùn)輸組織及管理

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

有軌運(yùn)輸在實(shí)際使用過程中對線路要求比較嚴(yán)格,能否有效合理地鋪設(shè)軌線,對運(yùn)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(shí)要遵循有關(guān)的技術(shù)要求和運(yùn)輸量的需求進(jìn)行設(shè)置。洞口設(shè)總調(diào)度室,對所有車輛進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,安排進(jìn)洞材料的規(guī)格、數(shù)量、運(yùn)達(dá)時(shí)間和位置,出砟車排空后及時(shí)進(jìn)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(jìn)洞待命的砟車下達(dá)運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù),明確到達(dá)的地點(diǎn),運(yùn)輸?shù)膬?nèi)容,進(jìn)入和返回的路線等。每輛車配備電瓶車司機(jī) 1人,車輛引導(dǎo)員 1人,車輛引導(dǎo)員始終位于車輛前進(jìn)方向的前端,依據(jù)調(diào)度命令引導(dǎo)車輛運(yùn)行和會(huì)讓。

設(shè)備的管理,設(shè)備物資部主要對設(shè)備進(jìn)行選型和配套工作,設(shè)備到達(dá)后制定相應(yīng)的管理制度并監(jiān)督實(shí)施。在日常工作中除保證運(yùn)行材料、配件等能滿足行車要求外,制定了詳細(xì)的維修保養(yǎng)計(jì)劃并監(jiān)督機(jī)械隊(duì)、運(yùn)輸隊(duì)對機(jī)、礦車維修、保養(yǎng)落實(shí)情況,保證設(shè)備利用率和完好率。

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

3.4 施工通風(fēng)管理

3.4.1 施工通風(fēng)的難點(diǎn)及解決對策

野三關(guān)隧道進(jìn)口段長8055m,中間沒有設(shè)置斜豎井,新風(fēng)的進(jìn)入和污風(fēng)的排出均要經(jīng)隧道進(jìn)口實(shí)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(diǎn)。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(shí)施

第一階段通風(fēng)布置和實(shí)施。

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

圖4 野三關(guān)隧道進(jìn)口段第一階段通風(fēng)布置示意

第二階段通風(fēng)布置和實(shí)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(shí),采用如圖5所示的通風(fēng)方式。新風(fēng)從平導(dǎo)進(jìn)入,污風(fēng)經(jīng)橫通道由Ⅰ線正洞排出。隨著施工的進(jìn)展,風(fēng)機(jī)位置逐段前移。

圖5 野三關(guān)隧道進(jìn)口段第二階段通風(fēng)布置示意

第三階段通風(fēng)布置和實(shí)施。

Ⅱ線擴(kuò)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(shí)掘進(jìn),利用Ⅰ線做進(jìn)風(fēng)通道,Ⅰ線布置射流風(fēng)機(jī)引射新風(fēng),利用平導(dǎo)和擴(kuò)挖中的Ⅱ線排出污風(fēng),Ⅱ線設(shè)置射流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)污風(fēng),在每一個(gè)擴(kuò)挖掌子面配備 1臺(tái)挖掘機(jī),爆破后及時(shí)清通封堵平導(dǎo)口,保證污風(fēng)的及時(shí)排出。如圖6所示,

圖6 野三關(guān)隧道進(jìn)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(jī)構(gòu)管理

首先,從隊(duì)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(jì)院工勘分院組織了強(qiáng)有力的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測隊(duì)伍,負(fù)責(zé)地質(zhì)補(bǔ)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(bào)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(tuán)科研所通風(fēng)組負(fù)責(zé)洞內(nèi)通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)、研究完善和通風(fēng)管理;由中鐵隧道集團(tuán)物資中心宜萬材料廠負(fù)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(fù)其責(zé),無縫對接,高效運(yùn)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(gè)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(jī)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(jī)械化施工為主,洞內(nèi)為有軌運(yùn)輸,開挖以全斷面為主,局部軟弱圍巖采用短臺(tái)階。襯砌采用整體液壓鋼模襯砌臺(tái)車。洞內(nèi)的有軌運(yùn)輸方式,選擇的機(jī)械設(shè)備要和方案配套。

(2)工期要求。工期要求緊,機(jī)械設(shè)備的型號(hào)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(dāng),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(jìn)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(jìn)度,太大則設(shè)備能力得不到發(fā)揮。同時(shí)所有的洞內(nèi)進(jìn)出設(shè)備都要滿足襯砌臺(tái)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(dòng)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(jī)械設(shè)備,可以樹立企業(yè)形象,同時(shí)也促進(jìn)企業(yè)進(jìn)步。當(dāng)然這要結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)能力、設(shè)備狀況和技術(shù)水平等因素綜合考慮。

4.3 機(jī)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(tái)鑿巖臺(tái)架配 YT28型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)實(shí)施斷面開挖,平導(dǎo)開挖工作面 1個(gè),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(jìn)入正線的工作面組成,一般情況下有 3～4個(gè)。開挖設(shè)備的動(dòng)力為壓縮空氣,由洞口的空壓站及洞內(nèi)的移動(dòng)空壓機(jī)向其供應(yīng)。

4.3.2 裝運(yùn)設(shè)備配套

野三關(guān)隧道進(jìn)口洞內(nèi)采用有軌運(yùn)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(yùn)送均由電瓶機(jī)車牽引梭式礦車來完成。正洞全斷面開挖或擴(kuò)挖掌子面的裝砟由輪式裝載機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行。洞外棄砟的二次倒運(yùn)由輪式裝載機(jī)配大型自卸汽車實(shí)施。

電瓶車和梭礦的數(shù)量確認(rèn):根據(jù)進(jìn)度要求,隧道掘進(jìn)每個(gè)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(shí)間,而每循環(huán)進(jìn)尺 3.5m,以掘進(jìn)4000m時(shí)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(shí)梭礦的容積系數(shù)。

每車的平均時(shí)間要求為:T1=200/35=5.7min

每一車從裝卸到往返的總時(shí)間計(jì)算:

T=2L/V+T′+T″

式中,T′為每個(gè)梭礦的裝車時(shí)間,取平均時(shí)間 5 min;T″為洞口調(diào)車及卸砟時(shí)間,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為 8min;V是電瓶車的運(yùn)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(jì)算,一個(gè)作業(yè)面需配備 10臺(tái)電瓶車,相應(yīng)配備 12臺(tái)梭礦?？紤]到施工高峰時(shí)有 3個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行出砟作業(yè),應(yīng)配備 30臺(tái)電瓶車,相應(yīng)配備 35臺(tái)梭礦。此配套施工的運(yùn)行效果:每循環(huán)出砟 35車,最快出砟時(shí)間 200min,一般情況下210～230min就可完成一個(gè)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(jìn)行生產(chǎn),由混凝土攪拌輸送車向洞內(nèi)運(yùn)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(jì),分別采用不同的模板臺(tái)車,形成了混凝土襯砌施工機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī) 22～55kW和 74～110kW軸流式通風(fēng)機(jī)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(jìn)口之所以取得了較好的成績,是重點(diǎn)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(gè)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(jì)中,施工方案的確定,施工進(jìn)度的安排,施工機(jī)械,人員的配置都是建立在對地質(zhì)條件的充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上的。施工過程中各掌子面的進(jìn)度安排、施工方案的調(diào)整都是在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測預(yù)工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。應(yīng)當(dāng)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(gè)綱,就會(huì)對所施工區(qū)域的地質(zhì)條件了如指掌,安排工作就會(huì)有針對性,將起到事半功倍的效果。我們充分認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn),在工程的策劃階段,邀請中鐵隧道設(shè)計(jì)院工勘分院組織了強(qiáng)有力的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測隊(duì)伍駐場作業(yè),參與施工方案的編制、施工進(jìn)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(jìn)口段施工生產(chǎn)安全、高效、有序的推進(jìn)。

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(jìn)口從兩個(gè)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(gè)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(jī)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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