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高速铁路隧道施工

《环球市场信息导报》 2013年5月14日 作者:侯彦博

文章关键词: 高速铁路   隧道施工  
    目前国内高速铁路飞速发展,隧道比例大、断面大、地质结构复杂;本文以隧道施工组织与管理为根本出发点,从开挖爆破设计、施工通风、支护方案等方面论述了隧道施工技术,将施工各要素进行科学、合理地安排,在一定的时间和空间内有组织、有计划、有秩序地开展施工,有利于指导隧道工程的施工管理。
     现代铁路隧道必须加强施工管理,强化资源配置,坚决贯彻“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的施工原则,统筹安排、科学施工。高度重视爆破方案与施工通风方案设计、加强支护、进行地质分析与监控量测工作,做好各项施工预案,正确选择施工方法,为安全、优质、快速施工创造条件。

  1、优化爆破设计方案、减小围岩扰动、确保开挖质量

  针对不同围岩的地质特性,设计不同的爆破方案,合理布置炮眼,严格控制炮眼间距与装药量,在减小围岩扰动的同时,确保设计轮廓尺寸,减小施工成本。隧道开挖施工爆破直接影响隧道的稳定性,爆破方案必须考虑最大限度减少对围岩的扰动,减少应力集中,有利于形成自然拱,以最大限度保护周边岩体的稳定性,发挥围岩的自身承载能力,针对现场围岩岩性进行优化爆破设计,不断调整爆破设计参数,制定相应的爆破方案是隧道开挖控制的关键。

  在钻爆设计时要充分考虑爆破对地质条件的影响: 岩体层厚<0.5m,节理裂隙极为发育的岩体,爆破易引起垂直层理方向的掉块或坍方,在易坍塌之处均采用密钻眼,少装药的爆破技术。 破碎岩体,层破碎带的岩体破碎,有时软硬间隔,处理不当会引起严重坍方,除采用隧道减轻振动控制爆破技术外,还应采取台阶法或分部法开挖,并严格控制循环进尺在0.5~1.0m内。 非均质岩体对爆破作用的影响十分明显,分部开挖时应将石质差的一侧先开挖或掏槽区设在该侧;爆破参数应根据两种岩体的特性分别采用;为防止掉块,坍塌,开挖后及时支护。 人字形节理发育成人字形,隧道拱部易出现坍塌,爆破时应控制药量,加密炮眼。

  一般双线隧道采用台阶法分次松动爆破开挖,宜采用楔形陶槽,在对称的陶槽眼中间加一排预裂空眼,先起爆预裂孔,预裂孔装药量少,可有效降低震速;爆破雷管跳段时差控制100ms左右,避免爆破地震叠加;为了减少上半断面掏槽爆破对拱部围岩的影响,拱部周边布置密空眼,将上半断面掏槽区尽量放在底部,减小主掏槽眼之间的间距,同时对上半断面周边炮眼采用密孔布置,隔孔装药的技术措施,以减轻爆破振动对围岩的扰动。对下半断面爆破,重视底板眼外插角、间距及装药量的控制,将地板眼分成3~4个段位起爆,减小爆破效应对底板围岩的扰动,严格控制底板的超挖,边墙周边密空眼布置,可以靠改变炮眼的起爆顺序来提高侧边墙的爆破效果,达到设计轮廓与减小砼回填量。

  爆破施工技术要点: 对隧道现场光面爆破进行试验,根据不同围岩岩性进行优化爆破设计,不断调整爆破设计参数,使光面爆破设计更符合实际情况,施工过程中要严格操作规程。 严控周边眼的间距,控制在35~40cm,并采用空气间隔装药,提高光爆效果。 现场工程技术人员负责指导监督钻眼质量,确保钻眼的深度、方向、角度、间距按光面爆破设计的要求实施,特别对周边眼应严格控制。出碴时,准确控制好开挖底部标高,使下一循环放样、钻孔准确无误。 严格控制装药量,并用炮泥堵塞严密,封堵长度不得小30cm。 发现瞎炮,应首先查明原因,如果是孔外的导爆管损坏引起的瞎炮,则切去损坏部分重新连接导爆管即可,但此时的接头应尽量靠近炮眼,如因孔内导爆管损坏或其本身存在问题造成瞎炮,则应参照《爆破安全规程》有关条款处理。

  2、施工通风

  目前双线铁路长大隧道均采用双风机单风管压入式通风。依据相关规范要求及结合实际情况,采取压入通风为主,辅以辅助坑道通风。一般结合辅助坑道的具体位置,将分为三个通风阶段,即两掌子面未过竖井前的压入通风阶段、掌子面过竖井后的通风阶段,隧道贯通后的通风阶段。本文以有斜井的的无瓦斯隧道(独头掘进2600m)为例介绍施工通风。

  通风计算:依据规范及相关通风质量的要求,对瓦斯的绝对涌出量(有瓦期涌出的隧道)、同时作业的最大人数需要量、内燃作业所需要的风量、爆破排烟需风量、巷道回风量等进行计算,五者取大。在采取无轨运输时,内燃设备+作业人员与瓦斯涌出量及回风要求三者取大即可满足要求。

  内燃设备+作业人员需要风量计算:洞内同时工作的内燃设备是在上部装运与二次衬砌时需风量最大,因此主要设备为装载机、运输车辆及砼运输车辆。由于独头最长仅2600m,同时在洞内工作的运输重车最多仅3台(15Km/h)、二次衬砌运输罐车考虑1台,装载机1台,其功率累计为:∑N1=3×225+1×162+1×125=962(KW)。同时工作的人员只有司机、二次衬砼的工人、其它人员,按30人考虑为保守计算,两者需要风量为Q1=3×962+3×30=2976m3/min。(隧道施工规范规定每人、每KW均为3m3/min。)

  按允许的回风速度计算风量:《铁路隧道施工规范》规定按最低允许风速计算的需风量为Q3=120×0.5×60=3600m3/min。

  计算风速确定:通过计算比较,计算风量3600m3/min。

  百米漏风量计算:加强管理可将百米漏风控制在1%以内,最大独头距离约2600m,则漏风量约26%。

  通风机选型与布置

  送入到最大通风位置的实际风量估算:到最大通风位置的实际风量仅为:3600×(1-26%)=2664m3/min。 通风机选择:①轴流风机选择:根据计算需要风量3600m3/min,而计入漏风后实际风机的供风量应该达到3600/0.74=4864m3/min。根据这一通风量要求,可选择2×220KW风机或选择2台2×135KW风机。前者供风量可达到5000m3/min,后者单台约2600~3000m3/min,两台合计约5200~6000m3/min。②射流风机选择:由于通风量满足要求,但要满足回风巷速度,故在洞内适当位置布置射流风机,依靠其升压将洞内平均风速提高到0.5m/s的要求。由于边界条件复杂,计算比较困难,依据经验单口可选择2~3台75kw射流风机能满足要求。是否能满足要求可依据实际通风质量检测情况调整。

  通风管选择与管理。轴流风机选择风螺旋风管,管径不小于1.8m,拉链连接靠连接。设置专门班组进行通风管理负责通风机、通风管安装,维护,以及通风方式变换,承担通风效果的责任。

  3、初期支护方案正确、施工及时、二衬紧跟

  针对不同的围岩级别,特别是软弱围岩地段,根据设计文件与现场地质情况制定正确详实的支护方案,对洞口存在堆积体,滑坡体,浅埋及软弱地层等不良地质隧道,可采用大管棚、小导管注浆超前支护,地表注浆加固及地面旋喷桩加固等措施;部分洞口设置抗滑桩保证坡体的整体稳定,进洞后尽快施做洞门。洞内爆破作业后,先进行初喷,封闭开挖岩面后开始出碴,软弱地层段采用加强格栅钢架、锚杆、钢筋网、喷射砼为主要支护手段,必要时强化支护措施,同时减少对岩体的扰动,抑制围岩过渡松弛变形,加强施工组织指挥,要争分夺秒以最短的时间进行初期支护,严格把好初期支护的施工工艺质量关。在初期支护基本稳定后及时施工防水板与二衬砼,在二衬迅速形成闭合环,防止围岩松弛变形,确保隧道施工安全。为加快隧道施工进度与确保施工质量,仰拱采用定型钢模与2组15m工字钢栈桥施工(仰拱砼施工与养护不影响其他工序作业),二衬台车长度一般采用12m,砼采用输送泵入模,附着式振捣器与人工相结合进行捣固,保证砼密实与质量。

  4、其他施工技术方面

  做好超前地质预报、进行地质分析。结合设计文件采用不同的探测方法,尤其对于不良地质地段,在开挖前必须采用地震波、地质雷达探测、超前地质钻、超前炮孔等方法做好超前地质预报,同时做好预加固、预支护等辅助施工措施。地震波探测长度为100m、地质雷达探测长度为30m、超前地质钻长度为50m、超前炮孔长度为5m。隧道施工地质技术是隧道施工中的关键工序和科学技术,配备地质专业技术人员,建立隧道施工信息平台。在隧道施工前认真做好现场勘查工作,仔细核对设计文件,施工过程中做必要的补测和验证。根据围岩类别采取长、中短程组合探测,根据超前地质预报的地质变化情况,结合地质素描、地表调绘、地表水监测情况、和设计已探明的地质资料,制定与现场地质相适应的施工方案与安全技术保证措施,预防坍塌事故的发生。

  加强监控量测、预见事故和排除险情。在隧道施工过程中进行施工监控量测,使用专业量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测、及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息,预见事故和险情,作为调整和修改支护设计的依据,并在复合式衬砌中,依据量测结果确定二次衬砌施作的时间。监控量测的必测项目有4个:①地质和支护状况观察,②周边位移,③拱顶下沉,④锚杆或锚索内力及抗拔力。根据围岩条件及地表沉降要求有以下7个选测项目: ①地表下沉,②围岩体内位移(洞内与地表设点),③围岩压力及两层支护间压力,④钢支撑内力及外力,⑤支护与衬砌内应力,⑥表面应力及裂缝量测,⑦围岩弹性波测试。?由专业技术人员进行监控量测工作,对监控量测数据做好记录,及时绘制各种相关曲线和图表,并进行相关量测数据的分析与处理:①当位移-时间曲线趋于平缓时,应进行数据回归分析,以推算最终位移和掌握位移变化规律。②当位移-时间曲线出现反弯点时,则表明围岩和支护已呈现不稳定状态,此时应密切监视围岩动态,必要时停止开挖,并制定相应的支护补强措施,调整原支护参数或开挖方法,排除险情与安全隐患后,方可继续作业。

  水沟电缆槽。目前中铁二局率先推行水沟电缆槽移动模架,确保了砼的内实与外观质量。

  经过对铁路隧道施工技术的总结,体会到铁路隧道施工必须按照“预报超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的原则施工;正确选择爆破参数、合理控制开挖进尺、加强支护是隧道施工的核心工作;地质分析、强化资源配置、认真执行各项技术规范隧道施工安全的重要保障。

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