1、0沙 坝 隧 道 初 步 施 工 设 计 方 案中铁第十五工程局1沙 坝 隧 道 初 步 施 工 设 计 方 案 本方案着重叙述沙坝隧道出口段使用臂式掘进机非钻爆法进行隧道施工的方案。1、设计依据1.1 新建铁路重庆至怀化线初步设计方案（铁二院，2000 年 6 月） 。1.2 铁道部 1999 年科技发展计划项目（99G54） “软岩隧道悬臂式掘进机总体方案研究报告” （石铁院，1999 年 9 月） 。2、工程概况进口 出口III类围岩7560 米 IV 类 围 岩斜井设计里程 DIK296+150，斜井与隧道平面交角 45，倾角 201239，斜长 253.78 米。III 类围岩自隧道
2、进口至出口，围岩类别依次为：5 米 IV 式 III 类明洞、125 米 III类、7560 米 IV 类、242 米 III 类、15 米 III 类偏压衬砌、 8 米 IV 式 III类明洞衬砌。自进口至出口，线路为+10、+7和-3 人字坡。图 一沙坝隧道位于重庆市黔江县境内。主要岩性为页岩夹砂岩、砂页岩互层。岩性单一，构造简单，但岩层倾角平缓。地下水主要为基岩裂隙水，和孔隙水，最大涌水量为 2500m3/d，水质对砼无侵蚀性。隧道进口里程 CIK290+400，出口里程 CIK298+355，全长 7955 米。设计斜井里程 DIK296+150，斜井与隧道平面交角 45，倾角 201
3、239，斜长 253.78 米。施工工期 37.19 个月。隧道进口地形陡峻。自隧道进口至出口，围岩类别依次为：5 米 IV 式 III 类明洞、125 米 III类、7560 米 IV 类、242 米 III 类、15 米 III 类偏压衬砌、8 米 IV 式 III类明洞衬砌。本方案中，出口将采用臂式掘进机非钻爆法开挖。23、总体施工安排隧道进口至斜井，即 CIK290+400 至 CIK296+150，全长 5750米，采用钻爆法施工。其中，进口段为主攻方向。主要采用瑞典阿特拉斯 TH568-13 门架式钻孔台车全断面开挖，德国 ITC312H4 挖掘装载机装碴，国产梭式矿车、电瓶车、防
4、运输干扰过轨梁有轨运输出碴，类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌，仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆槽紧跟的施工方法。斜井为副攻方向。采用下层平台可开启成门式的，自制多功能台架全断面钻爆、临时支护、防水板施工；国产（或进口）立爪装碴机、梭式矿车、电瓶车、防运输干扰过轨梁有轨运输、卷扬机辅助牵引出碴；类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌；仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆槽紧跟。出口段 8 米 IV 式 III 类明及 15 米 III 类偏压衬砌，共 23 米成洞，采用钻爆法施工。其余 2182 米采用悬臂式掘进机非钻爆法施工。其中242 米 III 类围岩，作为悬臂式掘进机非钻爆法施工试验段，长台阶
5、（台阶长 242 米）或微台阶（台阶长 1.52.0 米，待进一步讨论）开挖，先拱后墙衬砌，仰拱、铺底封闭紧跟，自卸汽车无轨运输出碴。在本段施工中，为提高隧道衬砌整体质量，准备采用掺纤维网（Fibermesh TM）聚丙烯纤维喷射混凝土（该工艺我局在神延线羊马河隧道已进行试验，效果良好，唯纤维网价格较高） ，以增强喷混凝土的抗折强度及增加喷混凝土的厚度成为可能。在初期支护可靠的情况下（以围岩量测为监控手段） ，仍准备采用先墙后拱的衬砌方法。在以后的方案叙述中，凡涉及使用先拱后墙施工方法的部分，遵循设计文件规定，必须使用先墙后拱的施工方法，则采取上述加强初期支护的方法来满足设计要求。其余 194
6、0 米 IV 类围岩，采用悬臂式掘进机非钻爆法全断面开挖，下层平台可开启成门式的自制多功能台架辅助施工，自卸汽车无轨运输、防干扰仰拱施工作业平台出碴，类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌，仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆紧跟的施工方法。出口 1940 米 IV 类围岩段，预留台架法钻爆、无轨运输施工模式。3非钻爆法施工模式效果不理想时，可以及时更换施工方法。4、接桩复测及洞外、洞内控制测量4.1 接桩、复测4.1.1 接桩现场点交所有平面、中线测量桩橛，及时固桩、护桩。主要桩橛长期保护，直至竣工验交。4.1.2 复测复测利用 GPS 全球定位系统。中线桩复测：利用 GPS 全球定位系统，测量隧道
7、进、出口切线和隧道中线上主要中线桩坐标，反算曲线偏交、中线点距。根据误差传播定律，推算复测结果与线路定测结果之间的对比关系，确定是否超限。高程桩复测：利用几何水准测量，配合 GPS 全球定位系高程拟合，进行高程桩复测。视交通、地形等情况，复测工作可在 3 7 内完成。4.2 洞外平面精密控制测量4.2.1 选点埋石选点时，各洞口必须有两个点位于隧道两端曲线切线、隧道中线或其延长线上。控制点埋石，必要时建立带强制归心装置的永久观测墩。4.2.2 测量方案利用 3 台套 GPS 全球定位系统，边连接式静态相对定位测量。由于该隧道不足 8 公里长，控制点间距一般不会超过 10 公里。在隧道进口、斜井
8、口、出口合适位置，各自选出 3 个点，布置成大致如图二所示的网形。图 二44.3 洞外临时、精密高程控制测量进行洞外平面精密控制测量时，利用几何水准测量，配合 GPS 全球定位系统高程拟合，进行临时高程控制测量，指导前期开挖。作为技术攻关项目，超前研究高等级 GPS 高程拟合方法。利用 S1级电子水准仪往返几何水准测量，或 TCRA1101 自动跟踪全站仪高程导线测量，为该隧道提供精密高程数据，指导衬砌施工。4.4 洞外、洞内联系测量利用 TCRA1101 自动跟踪全站仪边、角交会法，引测洞口三维控制桩，指导隧道施工。4.5 洞内控制测量沿隧道中线，利用 TCRA1101 自动跟踪全站仪，建立
9、梭形直伸式三维立体导线，注意多期观测值联合利用。布网形式如图三。图 三5、施工能力分析5.1 进口段门架台车模式施工能力这种模式，在国内外单线铁路隧道施工中已有大量成功经验。只要各工序衔接良好，配合得力，搞好平行作业，其实际施工能力能达到平均单口、单工作面月成洞 150200 米。考虑到其他因素影响，施工能力一般不会低于平均单口、单工作面月成洞 100140 米。5.2 斜井段自制台架模式施工能力这种模式国内使用较多。我局自铁道兵时期，就开始摸索、完善该施工模式。目前，在这方面已有很成熟的施工经验。根据我局使用情况，采用该模式施工，其实际施工能力，能达到平均单口、单工作面月成洞120150 米
10、，最高可达单口、单工作面月成洞 180 米以上。考虑到斜井施工等其他因素影响，施工能力一般不会低于单口、单工作面月成洞70 100 米。5.3 出口段悬臂式掘进机非钻爆模式施工能力5.3.1 悬臂掘进机有关参数5根据铁道部 1999 年科技发展计划项目（99G54） “软岩隧道悬臂式掘进机总体方案研究报告” ，研制中的臂式掘进机参数如下：外形尺寸（长宽高）：15m3m3.25m（扒碴裙板收拢）;掘进高度：8.0m; 卧底深度：0.6m；底盘静止时开挖宽度：6 米； 爬坡能力：16；最大切割岩石硬度： f13.2（约 100MPa） ；经济切割岩石硬度： f8； 卸碴高度：2m 或 3m 可调；
11、总功率：325KW ； 切削电机功率：160KW；液压系统电机功率：110KW； 下挖：0.5 米；供电电压：1140V； 机重：70T；出碴系统施工能力：150m 3/h；行走系统：履带； 接地压强：小于 0.14MPa。5.3.2 悬臂掘进机的掘进能力我国自制悬臂掘进机的岩石切割能力一般为 3060m 3/h，最高可达 80m3/h。国外悬臂掘进机的岩石切割能力一般在 5080m 3/h，最高可达 100m3/h。根据已有设备实际应用情况，悬臂掘进机的利用率一般为：20 60%。设掘进后岩石松散系数为 1.5。研制中的悬臂掘进机，在最高生产能力情况下，松碴排量为 801.5=120 m3/
12、h，即 2 m3/min，而悬臂掘进机的出碴裙板张开后有较大的容积，因而该机可以保证在连续掘进的同时，满足间断出碴的需要。悬臂掘进机施工时无需爆破，切割面平顺，可以有效控制超挖，只要搞好测量放线，精心操作，则单线铁路隧道的开挖断面可以控制在55以下。尽管悬臂掘进机工作时需不间断出碴，影响衬砌等工序施工，但该机的利用率并不高，每天都有大量的时间用于机器维修保养，而这段时间可以进行其他工序施工，因此臂式掘进机的开挖进尺几乎与成洞米相等。设臂式掘进机利用率为 20%（每天开挖、出碴的时间为 5 小时）时，成洞系数为 1，利用率与成洞系数成反比，则可以推算悬臂掘进机的施工能力。表一列出了在一定条件下，
13、悬臂掘进机的施工能力。6表一：悬臂掘进机施工能力对照表（单线电化铁路）岩石切割能力利用率日开挖量（m 3）日开挖进尺(m)月开挖(30 天)进尺(m)成洞系数折合月(30 天)成洞(m)20% 150 2.7 82 1.0 8230% 216 3.9 118 0.9 10630m3/h40% 288 5.2 157 0.8 12620% 175 3.2 95 1.0 9530% 252 4.6 137 0.9 12435m3/h40% 336 6.1 183 0.8 14720% 200 3.6 109 1.0 10930% 288 5.2 157 0.9 14140m3/h40% 384 7
14、.0 209 0.8 168另一出碴方案：用集装箱自卸车进行出碴运输，能有效解决悬臂掘进机不间断出碴，影响衬砌等工序的矛盾，提高悬臂掘进机的利用率。出碴运输采用日本 TCM 公司集装箱装碴自卸车。该车的自卸集装箱容积为 15m3，车头和自卸集装箱可以分离，在一台车头配置多个自卸集装箱的条件下，可在工作面附近倒换集装箱。配备 12 个集装箱，则能容纳隧道 3 米掘进的出碴量，可待衬砌工序完成后，再往洞外集中倒运废碴。此方案可有效减少工序干扰，提高悬臂掘进机的工作效率。自卸集装箱倒碴模式见图四。(我局机械厂可以自制集装箱)图 四5.4 出口段预留施工模式的施工能力7出口段预留自制台架法钻爆、无轨运
15、输施工模式。其施工能力可达70 90 米单口、单工作面月成洞。6、工期控制（最不利工期设计）6.1 最不利工期设计原则最不利工期为最差施工能力时，三条施工作业线工期的最大值，其大小应满足合同工其要求，否则需改变施工方法；隧道进口至斜井段同时完工； 科研试验服从施工工期要求。即：为确保工期，隧道出口试验段工期应小于最不利工期。6.2 前期施工施工准备 1 个月。进口段前两个半月，利用传统台阶法，完成 5 米 IV 式 III 类明洞、125 米 III 类围岩施工。斜井段利用 2 个月时间，完成 254 米斜井施工。出口段利用一个月时间，采用传统台阶法，完成 8 米 IV 式 III 类、15
16、米 III 类偏压衬砌施工，为科研试验创造条件。然后在 6 个月内，采用长台阶或微台阶、先拱后墙、非钻爆法施工，完成 242 米 III 类围岩施工，完成台阶法施工科研试验任务，月均成洞 40.4 米。6.3 最不利工期设计设最不利工期为 t；隧道进口门架式台车施工模式工期为 t1；斜井自制台架施工模式工期为 t2；隧道出口采用预留施工模式施工工期为t3；门架式台车作业线施工长度为 L。由非钻爆法施工模式向台架施工模式转换的工序转换时间为 0.2 个月。根据最不利工期设计原则，可列立如下关系式： 2.3),max(70194.6152.1321tttLt求解上述关系式可得：L=3285 米，t
17、=36.4 个月。即最不利工期8比合同工期短，采用的施工方法可行。因此，进口需完成 CIK290+400至 CIK293+815，全长 3415 米；斜井需完成 CIK293+815 至CIK296+150，全长 2335 米；出口需完成 CIK296+150 至CIK298+355，全长 2205 米。如果悬臂式掘进机使用效果理想，能够达到 120150 米单口、单工作面月成洞，其他两个口施工正常，则可大大缩短工期。7、出口段施工方案7.1 明洞施工进洞方式：刷仰坡，清危石，仰坡喷砼加固，打设 3.5 米长，22砂浆锚杆。喷 200#砼，厚 10 厘米。正洞进洞，拱部设置 4 米长小管棚加固
18、。出口段 CIK298+332CIK298+340，8 米 IV 式 III 类明洞，采用传统短台阶分部开挖法施工，及时封闭成环。7.2 出口段 III 类（偏压）段施工出口段 CIK298+340CIK298+355，15 米 III 类偏压段，采用传统短台阶分部开挖，先拱后墙施工。施工时预留图五所示的核心土，为后续施工提供工作台阶。待 CIK298+090CIK298+332 段，上半断面开挖、衬砌完成后，利用悬臂掘进机挖除核心土、落底，及时做仰拱、铺底封闭。仰拱封闭前，墙脚需加强支护，增设锁脚锚杆。图 五7.3 非钻爆试验段施工CIK298+090CIK298+332 段，全长 242
19、米，拟作为悬臂式掘进机台阶法非钻爆施工的科研试验段。从施工安全考虑，采用台阶法先拱后墙施工。上半断面 242 米开挖、衬砌完成后，再进行下半断面施9工。断面形式如图六。上半断面开挖、初期支护、衬砌交替进行。自卸汽车无轨运输出碴。初期支护和衬砌时，悬臂式掘进机无需退出。施工时应加强拱脚支护。可采取留足拱脚平台、扩大拱脚、增设锁脚锚杆、架设拱脚纵向托梁等措施，防止拱脚下沉。图 六下半断面非钻爆开挖、边墙衬砌左右错开，衬砌要及时。严格控制开挖宽度，搞好临时支护。根据量测情况，随时调整中槽、马口开挖长度。仰拱、铺底紧跟，尽早封闭。视隧道涌水情况，及时施做单边永久水沟、电缆槽。自卸汽车无轨运输出碴。7.
20、4 悬臂掘进机非钻爆全断面开挖施工模式CIK296+150CIK298+090 段，全长 1940 米，采用悬臂掘进机全断面非钻爆开挖、全断面衬砌施工，预留钻爆法施工设备。7.4.1 主要配套设备掘进：悬臂式隧道掘进机开挖、装碴，自卸汽车出碴；临时支护：自制多功能台架，风动凿岩机；仰拱、铺底先行：仰拱施工防运输干扰作业平台；衬砌：全断面钢模衬砌台车（双套模板，每板衬砌 8 米） 。自制多功能台架的下层平台开启后，可以跨行于悬臂式隧道掘进机之上，与隧道掘进机平行作业，为临时支护的及时施做提供工作平台。同时，自制多功能台架可以为钻爆法施工提供两层工作平台，加上地面一层，共三层，可以同时使用 12 支风动凿岩机平行作业。自制多功能台架与衬砌台车共用一套走行轨道。自制多功能台架示意图见图七。
