铁路单线隧道机械化施工组织

李阳

【摘 要】：随着国家基础建设的大力发展，特别是偏远地区、边疆地区铁路项目的建设，长大隧道、特长隧道施工数量的增加，对劳务用工人员要求越来越高，目前，市场上劳务用工人员技能参差不齐，高素质作业人员不足，国家大力推广机械化作业，提高机械化装备水平、施工工效、施工质量、满足新形势下安全环保要求，因此，研究机械化作业对现场施工具有显著的效益，本文以玉磨铁路勐腊隧道机械化施工为背景，阐述过程中的应用及存在问题，以望给相似条件施工有所参考。

【关键词】：铁路工程；单线隧道；机械化；施工组织

1、工程概况

勐腊隧道位于云南省西双版纳傣族自治州勐腊县境内，为时速160km/h单线隧道，隧道全长13018m，最大埋深515m。洞内线路坡度为“人”字坡，其中进口上坡段3760m，坡度以3‰为主；出口下坡段9258m，最大坡度为-10‰，最小坡度为-1‰位于隧道出口段。设计1#斜井工区为隧道机械化设备高度配置，要使用三臂凿岩台车、拱架拼装机、锚杆钻机、湿喷机械手、自行式仰拱栈桥等设备。

2. 现场设备配备情况

基于单线隧道断面小、施工空间不足等问题，所有设备均采用轮胎式行走方式，以利施工方便，所有设备采用流水作业方式，在仰拱与掌子面之间进行错车，施工完成后开出洞外，项目部该施工工点配备主要包括三臂凿岩台车、拱架拼装机、湿喷机械手、锚杆钻机、自行式仰拱栈桥。

设备配备及性能介绍

序号	设备名称	尺寸	断面要求	情况简介
1	ZYS113三臂凿岩台车	17.6(长)×2.9(宽)×3.6(高)m	5×6m	电机提供动力，单台电机泵组分别驱动单个工作臂，实现三个工作臂的单独控制与同时作业，实现钻孔数量、角度、深度等参数自动控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖，可以施作超前水平钻孔，预测前方地质岩质岩性。
2	拱架拼装机	9.4(长)×2.45(宽)×3.1(高)m	6×6m	通过夹持结构抓取拱架，举升定位至设计位置，灵活调整钢拱架的姿态，实现拱架安装自动化。
3	湿喷机械手	11.2(长)×2.5(宽)×3.2(高)m	各种断面	喷浆效率为20-30方/小时。
4	锚杆钻机	15.8(长)×2.5(宽)×3.3(高)m	7×7m	实现钻孔、垫板安装及注浆等功能，达到一体化施工。
4	自行式仰拱栈桥	38.4(长)×5.1(宽)×1.4m(高)m	各种断面	具备24m长桥下有效作业空间作业，配备多功能自动走行装置，前支架，后横移机构，液压自平衡系统，实现自动纵移、起升降落、自动横移，快速定位及模板安装。

2. 行车断面分析

（1）机械行驶断面需求：勐腊隧道1#斜井断面尺寸7.5(宽)×6.5（高)m、单线正洞二衬施做完毕后现场断面尺寸5.75m(宽)×7.8(高)m，均满足各项设备正常行驶的断面需要。

（2）斜井进入正洞交叉口段加宽

三臂凿岩台车17.3m（长）×2.9m（宽）×3.6m（高），转弯半径13m，按原交叉口无法从斜井转入正洞，为满足大型机械设备的正常通行，对交叉口段斜井段面进行调整，斜井靠小里程侧进行扩挖，扩挖尺寸为5.0m（斜井洞口方向）×4.74m（正洞小里程方向），斜井与正洞交叉口段向斜井洞口方向5m范围内断面尺寸调整为12.5m（宽）×7.1m（高）。

2. 工艺工法及相关技术参数调整分析

（1）原设计情况

勐腊隧道围岩主要为Ⅲ级、Ⅳ级及Ⅴ级围岩，其中Ⅲ级围岩开挖工法为全断面开挖，Ⅳ级、Ⅴ级围岩开挖工法为台阶法开挖，辅以小导管进行超前支护。

（2）开挖工法调整

机械化配套施工相比传统施工工艺优势明显，对于双线隧道尤其是大断面更加明显，但对单线隧道施工有一定的局限性，因机械化配套设备均属于大型设备，需占用很大的空间，传统的台阶法施工难以满足机械化配套要求，因此将开挖功法调整为Ⅲ级、Ⅳ级围岩段采用全断面开挖，Ⅴ级围岩短采用微台阶法开挖，部分Ⅳ级围岩较差时亦采用微台阶法开挖。

（3）超前支护措施调整

Ⅳ级及V级围岩采用全断面开挖施工，小导管超前支护难以满足其安全及进度要求，为了保证全断面开挖的安全性及每循环进尺要求，Ⅳ级围岩段采用Φ60中管棚，长度18m，搭接长度不小于5m；Ⅴ级围岩段采用Φ89大管棚，长度9m，搭接长度不小于3m。

（4）掌子面加固措施

根据掌子面自稳能力具体情况，选用不需加固、局部初喷、全断面初喷、喷射混凝土+纤维锚杆等措施对掌子面进行加固，具体加固方案应联系设计院及时进行调整。

（5）开挖进尺调整

在管棚施作到位且安全满足的情况下，将每循环开挖进尺调整为Ⅲ级不大于3.6米，Ⅳ级不大于3榀钢架、Ⅴ级围岩不大于3榀钢架。

（7）安全步距调整

在快速施工及加强超前支护保证安全的的前提下，为发挥大型施工设备的作业空间及作业效率，需适当加大仰拱、二衬距离掌子面的距离，仰拱安全步距调整为74m，二衬安全步距调整为110m。

2. 其他配合措施调整

（1）高压进洞

三臂凿岩台车用电负荷较高，为确保后期能正常使用，现场应采用高压进洞方案。但单线铁路断面较小，因此考虑每隔400米左右在扩挖一个小避车洞宽度5米×深度6米×高度4米，用于放置高压进洞的变压器。

（2）车辆掉头区设置

渣车、罐车等车辆在单线铁路断面内无法掉头，对作业施工影响较大。因此，每隔400米左右利用原设计洞室进行加大处理，一个大避车洞宽度7米×深度9.0米×高度6.0米，用于车辆（装载机、挖掘机、出渣车、湿喷机械手、砼罐车）掉头使用，以提高工作效率。

（3）大型设备存放区设置

三臂凿岩台车、拱架拼装机属于大型设备，其在洞内行走时其余任何机械设备均无法错车，且在洞内运行速度较慢，对功效影响较大。因此，设置大型设备存放及错车区对提高工效有较大的作用。方案一：考虑每250米左右设置一处错车带，位置必须选择在Ⅲ级或Ⅳ级围岩较好段落地段，连续两板二衬长度范围暂不施工仰拱及二衬，断面宽度可满足大型设备错车及存放需要。由于暂不施工仰拱二衬，存在一定的安全隐患，因此，Ⅲ级围岩地段按Ⅳ级围岩的断面开挖并设置初期支护且仰拱初支封闭成环，Ⅳ级围岩地段按Ⅴ级围岩的断面开挖并设置初期支护且仰拱初支封闭成环，加强初支支护强度，避免出现安全隐患。错车洞室不使用后，立即使用简易栈桥施工仰拱，二衬施工使用新增台车进行进行施工，全线只留端头错车带一处，采用该方案应及时施做二衬，避免安全步距超标。方案二：对倒车洞进行加大，保证其能够满足凿岩台车停放或调头使用，该洞室采用原设计大避车洞改扩，方便后期变更，减少回填作业。

2. 工艺工法及相关技术参数调整分析

1. 施工工艺流程

三臂凿岩台车施工超前支护、注浆→三臂凿岩台车爆破孔钻孔及装药作业→三臂凿岩台车退到安全位置→响炮→通风、排险、出渣→初喷→拱架拼装机拱架安装拱架→三臂凿岩台车施工超前→锚杆钻机施作系统及锁脚锚杆→湿喷机械手喷射砼→自行式仰拱栈桥仰拱施工→防水板铺挂台车铺设防水板→浇筑二衬砼。

（2）超前支护施工

管棚施工前一次爆破开挖需适当调整进尺，预留1-2米初喷后暂不立拱，以利于管棚角度控制。管棚施工采用三臂凿岩台车定位及钻孔，采用注浆机对管棚进行注浆，V级围岩或者地质较复杂地段采用跟管作业或者自进式管棚进行施工，可有效避免因地质原因造成钻孔塌孔，提高施工工效，降低三臂凿岩台车材料损耗。

（3）爆破开挖

勐腊隧道1号斜井工区涌水较大，裂隙水夹带泥沙，开挖时准备全断面（含仰拱）一次性爆破开挖，避免后期单独爆破仰拱时，泥沙沉淀较厚，炮眼被泥沙堵塞，增加施工难度。

（4）锚杆及锁脚施工

系统锚杆采用φ22砂浆锚杆+中空组合锚杆施工，采用锚杆钻机进行钻孔，中空组合锚杆安装前先组装完成，将装配好的锚杆部件利用锚杆钻机吊篮配合人工安装在孔中。锁脚锚杆在施作系统锚杆时同步进行，需在施工过程中调整划分每个工作臂的工作范围和钻孔顺序，尽量提高钻孔功效、缩短作业时间。

（5）喷射砼施工

利用湿喷机械手进行喷射砼施工，喷射角度及压力都是人工通过电脑自动控制，所耗用的人工减少，喷射效率得到极大提高、回弹率得到有效控制，保证喷射混凝土密实。

2. 单线隧道机械化配套施工优缺点

1. 施工优点

①大量采用机械化施工，提高了整体施工质量，特别是在超前导管和系统锚杆方面效果明显；

②便于施做超前水平钻，对于掌子面围岩富水的部位，三臂凿岩台车提高超前水平钻施做效率；

③能够严格按照设计方案施做炮眼，提高围岩开挖质量；

④使用湿喷机械手减少喷射混凝土施做时间，同时，能够有效的提高喷射混凝土密实度、强度，减少了喷射混凝土回弹量；

⑤采用仰拱栈桥提高了隧道施工安全系数，加快了仰拱施做工效，降低了人员投入，提高了仰拱浇筑质量。

2. 缺点

①单线隧道断面尺寸过小，机械设备无法正常进行错车作业，增加了各工序衔接时间和隧道保通难度；

②大量采用机械化作业，增加了设备维修保养难度，对项目后勤保证能力有了更高的要求；

③机械化作业，提高了现场对混凝土质量的要求，对现场管理团队整体协作能力有了更高的要求。

2. 总结：

在铁路单线隧道施工过程中使用机械化配套作业，在围岩比较好的段落效果明显，在以Ⅵ、Ⅴ围岩为主的段落经济效益及工效增加不明显。希望本文内容能够给相似条件下的长大隧道施工提供一些参考。

【参考文献】

1、董俊锋；单线铁路隧道机械化配套施工技术[J]；商品与质量；2018.10.03。

2、马殷军；新乌鞘岭隧道智能化机械化施工关键技术研究与应用[J];中国铁路；2021.10.30。