长大隧道快速施工技术

附件一编号年度类别专业中铁十局集团有限公司科技开发计划课题申请表课题名称长大隧道快速施工技术申请单位中铁十局三建公司申请日期2006年2月20日中铁十局集团有限公司科学技术委员会制课题名称长大隧道快速施工技术单位名称中铁十局三公司申请人姓名赵宇性别男年龄30职称工程师学历本科电话[phone]课题类别(A)A—集团公司投资B—经费部分自筹C—经费全部自筹投送专业隧道申请金额35（万元）起始年度2006.3结束年度2008.9一、国内外现状长大隧道尤其是单线铁路隧道，洞内断面小，地质复杂，各种干扰大，机械效率低，严重影响隧道施工进度，国内目前隧道施工单位对长大隧道施工还存在不同程度的组织管理不到位，机械设备配置不合理，施工通风不利等问题，因此对长大隧道的快速施工技术有待进一步研究。研究内容提要1、长大隧道开挖支护技术方案2、长大隧道装碴运输设备配套3、长大隧道施工通风技术4、长大隧道涌水防治技术5、长大隧道预防放射性物质危害措施6、长大隧道施工组织管理二、前期工作情况科研小组已成立，并进行了明确分工，对各阶段的科研任务进行了划分。取得设计单位的支持，同意在技术上给予咨询和指导，施工队伍已进场，洞口刷坡即将开始。三、研究设计内容、技术方案（见附页）（纸面不足，请另加页）附页：三、研究设计内容、技术方案1、工程概况磨石村隧道为单线铁路隧道，位于川滇菱形断块的东南端，地质构造复杂，存在多条断层破碎带、岩溶、突水突泥、煤层瓦斯、岩溶角砾岩等地质问题，并可能存在放射性物质。地表水主要为水库水、塘水及沟谷流水；地下水类型主要以基岩裂隙水、断裂带水、岩溶水为主。水量较丰富，磨石村隧道最大涌水量为6.2万m3/d。隧道进口里程为Dk13+800，出口里程为k20+485，全长为6685m，围岩级别主要为Ⅳ级、Ⅴ级，隧道设计为人字坡，进出口均为上坡施工。2、隧道开挖支护方案磨石村隧道大部分为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，开挖采用台阶法，台阶长度控制在3～5m，爆破采用光面爆破技术，钻孔选择多功能作业台车配备多台YT－28风钻施工。初期支护采用锚杆、钢架联合支护，初期支护紧跟作业面，仰拱及时施作，使初期支护尽早封闭成环。初期支护施工用风动凿岩机打眼、安装锚杆，拱部的中空锚杆用注浆泵注浆，喷射混凝土采用湿式喷射机施喷。隧道衬砌断面图如下：2.1确定合理的钻爆技术①合理确定爆破深度在大型机械装碴运输的条件下，为了提高掘进速度，应加大炮眼深度，提高循环进尺。磨石村隧道大部分地段为Ⅳ级、Ⅴ级围岩，根据岩石软硬及隧道断面大小，炮眼深度控制在2.0～3.0m,循环进尺在钻1.8～2.8m之间。O1O2O2r2=321r1=22233°51'轨顶面b=245b=245118h=6074052079080喷射砼、钢筋网、钢架预留变形量5cm二次衬砌隧道衬砌断面图注：1、本图尺寸以厘米为单位。②采用复式掏槽技术掏槽眼采用垂直楔形掏槽，将掏槽眼部位放在断面的中下部，根据围岩的不同，采用不同的爆破参数。复式掏槽中，第一次掏槽深度1.5m，第二次掏槽深度为2.8m,同时减少掏槽孔的单孔装药量，减少爆破对围岩的扰动。③周边眼间隔装药技术周边眼按爆破设计方案采用间隔装药法，使用导爆索连接各周边孔的药卷，小竹片固定药卷位置。2.2确定有效的支护措施①做好径向锚杆，按设计间距及长度打好径向锚杆，锚杆沿型钢边沿打，然后和型钢钢架焊接，使锚杆和钢架形成一个完整的受力环。②保护型钢钢架基脚，边墙型钢安装后用混凝土将型钢基脚包裹，增大型钢基脚受力面积。③仰拱、水沟紧跟掌子面，使初期支护尽早成环，掌子面积水及时排出。3、长大隧道出碴运输设备配套机械配套应遵循以下原则：施工机械与施工方法配套；机具选型上要考虑质量可靠、适用、高效、经济、维修方便；组合配套时要考虑设备外形尺寸与隧道断面相适应，各机械之间外形尺寸要适应，配套设备之间生产能力要匹配；充分考虑国产化。3.1装碴运输设备磨石村隧道单口作业面开挖距离长达3000m,装碴运输设备配备见下表每个正洞工作面装碴、运输设备表序号机械设备单位数量1250m3/h挖掘装碴机台1214t牵引电瓶车台63S14梭矿车台123.2..运输能力计算3.2.1电瓶车最大牵引力(下坡制动)Fmax＝Pc·Ψ·1000（kg）按Pc电瓶车的粘着重量Pc＝14tΨ粘着系数，隧道Ψ＝0.18计算得Fmax＝14×0.18×1000＝2520kg3.2.2.电瓶车牵引能力Fc＝Fmax/（110v2/2L－ω+i）－W式中电瓶车最大牵引力Fmax＝2500kg，ω—列车的单位阻力，考虑了起动附加阻力，查铁道部《牵规》ω＝8kg/tV—允许最高行车速度（4.17m/s）L—列车制动距离（40m）i—坡度单位阻力，采用本隧道洞内最大坡度i＝4.0电瓶车自重W＝14t计算得Fc＝2520/20.78－14＝101t3.2.3.单台电瓶车可牵引的梭矿数量〔n〕＝Fc/（Q+q）式中：Fc—机车牵引能力。前已算得Fc＝111t14m3梭矿每节最大载重Q＝22t14m3梭矿自重q＝14.8t计算得〔n〕＝101/（22+14.8）＝3（节）计算结果表明电瓶车牵引能力满足要求。3.2.4爆破后的最大松碴量需用梭矿数量〔N〕＝V×K/（m×u）（节梭矿）式中V—每循环开挖实方数量（m3）。贯通面附近围岩按Ⅳ级考虑，循环进尺1.8m，爆碴V=52×1.8=93.6m3k—土石松散系数，取k＝1.3m—梭矿容积m＝14m3μ—梭矿装满系数取μ＝0.9则〔N〕＝1.3×93.6/（14×0.9）＝10（节）按每组2节梭矿，爆破后的松碴运出需要的车组数量〔N〕＝5（组）。3.2.5.装碴、运输循环时间装车耗时t1：挖掘装载机生产能力标定250m3／h。由于单线隧道断面狭窄等因素，挖掘装载机的装碴能力实际约有标定能力的65％。装2节梭矿用时t1=（14m3×0.9×2节）/（250m3×0.65）=10min如挖掘装载机连续装碴，则共需要时间：Tc=1.3×93.6/（250×0.65）=45min计算运碴路途耗时t2：运碴途中需用时间，如果暂不考虑非正常因素，只计车速和运行距离两大要素，机动车牵引最大行车速度按TBJ404-87《隧道施工技术安全规则》第3.1.1条车速不超过15km/h，侧向过岔时速5km/h的规定，因此，计算时综合考虑平均速度，取V=10km/h。洞内距离按Dmax＝2.5km。运碴洞内行走时间为t2=（2.6/10）×60＝15min出洞和卸碴耗时t3：为了更方便地卸碴，采用牵出线方式，将梭矿车倒入卸碴线卸碴。上述作业预计需要10min，即t3=10min。空车返程耗时t4=t2=15min装运循环（装、运、卸、返）合计用时∑T=t1＋t2＋t3＋t4=10＋15＋10＋15＝50min平导出碴工序的最短时间为Td=10（进洞）+45（装碴）=55（min）∑t上面计算结果表明已形成运输循环，实际配置梭矿车组，按连续装碴配置梭矿车组N1=50min/10min≈5（组）即配备5台14t电瓶车和5组（10节）梭矿车在1个装运循环内，能满足装碴机连续装碴的要求，考虑多备用一台电电瓶车和一组梭矿。4、施工通风通风问题是困扰长大隧道施工的一个技术难题。磨石村隧道采用钻爆法施工，有轨运输出碴，洞内通风重点是尽快排出开挖爆破产生的有害气体和粉尘，使开挖工作面的空气质量达到作业人员工作的要求。根据需风量计算，开挖工作面所需风量1700m3/min，磨石村隧道洞内通风主要采用一台2DT64-125型对旋式轴流通风机，压入式通风，其设计可调风量为1200～4200m3/min；设计全压为1750～2080Pa。，风筒为直径150cm软风管，表面光洁度高，为减少漏风量，风管采用50～100m一节，减少风管节头数量。5、隧道高涌水防治技术方案5.1加强超前地质预报工作隧道施工中发生涌水、突水等地质灾害，主要原因是地质情况不明，不能随地质条件的变化适时改变开挖支护方法，在磨石村隧道开挖施工中我们将采用地质雷达仪系统进行现场地质雷达探测工作，加强超前地质预报，提前探明前面岩溶、断层、基岩裂隙水等的发育情况，特别是隧道穿越水库、塘水及沟谷流水地带时，要根据探测情况做好各种防治措施。5.2提高围岩自防能力在隧道开挖过程中，针对前方探明的断层、破碎带、岩溶及岩体裂隙水发育情况，可采取注浆加固（岩体裂隙注浆与超前注浆）、旋喷加固法使松散、破碎的围岩体能形成一相对的整体，以提高围岩体的力学能力和抗渗透能力。为达到注浆效果，要根据围岩性质采用相适应的注浆液和注浆方法。5.3重视开挖方式和加强工程结构为了降低隧道开挖对围岩的扰动与破坏，造成裂隙及破碎带围岩条件的恶化而导致隧道围岩的稳定性降低、涌水量增加，同时也为了保证隧道开挖面的稳定，防止坍塌；破碎地带在注浆加固后开挖采取弱爆破与机械开挖相结合的方式进行。a、爆破严格按照多打眼、少装药、短进尺、弱爆破的原则进行，控制开挖进尺，平均每环进尺不超过1.0m。b、开挖断面根据围岩条件情况而定，围岩破碎、稳定性差、围岩压力大的地方，可采取台阶法进行开挖，中心预留核心土，以防掌子面前方压力过大，造成坍塌；围岩条件较好处采取台阶开挖不留核心土或采取半断面开挖方式进行掌子面开挖。c、在开挖面开挖未完全处，采用机械、人工开挖，保证对围岩最低限量的扰动。d、涌水段加强工程结构在隧道开挖完成后，掌子面和围岩的稳定性差，必须加强支护工程结构来保证开挖后的稳定；较高的围岩压力与地下水压会对隧道长期结构的稳定造成威胁，因此涌水地段的初期支护结构必须加强，二衬必须紧跟上。5.4产生涌水拟采取的治理措施在隧道施工过程中大量的地下水从隧道中流失，会恶化隧道的施工环境，破坏地下水平衡状态，会导致区域的生态环境失衡，导致地层连通性增大，严重的会导致地表沉降或塌陷，故治理涌水遵守的原则是：堵排结合、以堵为主、限量排放、保护生态环境。涌水地段处治采用超前小导管加固周边围岩，钻孔引流地下水通过，再针对涌水段采取专门的围岩加固、止水、衬砌结构加强措施，保证隧道开挖及支护顺利通过。a、涌水地段注浆加固在隧道拱部120°范围内采取Φ42超前小导管注浆加固后再进行开挖，小导管根据实际情况可分两层或三层，上层（长度5～6m）外插角以30°～45°根据实际灵活掌握，环向间距50cm即可；下层（长度3～4m）外插角以5°为宜，环向间距30cm。具体布置见下图。注浆方式采取全孔一次注浆，注浆材料采用单液注浆，如果注浆孔较大，且围岩裂隙发育，需要采取双液注浆时，采取水泥水玻璃浆液，浆液参数根据现场实际情况试验确定。第一排注浆A1第二排注浆A2排水孔A5N导管注浆A3排水孔A6小导管注浆A4开挖横断面5~6mA23~4m开挖前进方向A3A5-A6开挖掌子面开挖纵断面b、涌水段开挖排水：正确的引排水方法关系到隧道能否安全开挖通过的关健。开挖后根据断面水量情况，采用钻孔的形式进行排水，钻孔深20m左右，具体可根据实际情况确定。当开挖后水量较小时，挂设橡塑排水管和透水管，把水引至隧道底排出。当水量较大且为集中股状时，用铁皮做成槽扣在出水口，下端焊接排水钢管和排水软管引致临时排水沟。当水里较大且为散水时，会造成喷射砼与围岩不能粘贴，此时可采用先立工字钢架，焊接连接筋后，挂模板，浇筑高标号吊板砼。c、涌水段的初期支护结构要加强为保证围岩与施工的稳定与安全.开挖完成后，初喷一层砼，以封闭围岩，然后采用工字钢环向支撑.在拱架接头处和墙脚处打设锁脚锚杆,并与拱架焊接牢固，安装径向Φ42注浆小导管代替径向锚杆，再安设钢筋网后进行喷射砼施工。d、涌水段注浆加强围岩并止水（初期支护后的止水）涌水段的总体处置原则是先底部注浆加固，再对涌水集中整治，最后对周边实施径向注浆补强。对底部岩体的破碎地带注浆加固可确保仰拱的安全开挖。顶部注浆在围岩稳定后进行，注浆从出水量小的排水管开始，若其他排水管发生串浆可关闭其排水管，等其他注浆结束后再对串浆排水管进行注浆。径向注浆，在顶水注浆完成后，对破碎围岩带，水力联系明显的部位，对未实施径向注