第２１卷第４期 石家庄铁道学院学报（自然科学版） Ｖ。１．２１ Ｎｏ．４ ２００８年１ ２月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ ＲＡＩＬＷＡＹ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）Ｄｅｃ．２００８ 太行山隧道进口快速施工技术 张铁军 （中铁十一局集团有限公司第一工程公司，湖北武汉４３００７１） 摘要：主要介绍太行山隧道进口快速施工技术，重点详细的介绍了其中机械设备选型配套 及科学施工组织管理两个方面。 关键词：隧道；快速；施工技术 中图分类号：Ｕ４５５文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—０３００（２００８）０４—０１０９—０５ １ 工程概况 太行山隧道是石太客运专线铁路重点控制工程，全长２７．８ ｋｍ。太行山隧道进口段位于山西省盂线 境内，长３ ９４６ｍ，为双洞单线隧道，两线间距３５ １３１；按新奥法原理设计、施工；采用高性能耐久性混凝土、复 合式衬砌，初期支护与二次衬砌之问设分离式防水层；洞内设水沟、通信信号电缆槽及各类洞室等，每４２０ ｍ设横通道１处；隧道口设倒置喇叭型缓冲结构，采用钢筋钢纤维混凝土。隧道所处大部分围岩基本分 级为Ⅱ级，开挖宽度９．７ ｍ，高度９．４３ ｍ，每延米开挖量７７．６３ ｍ ；初支由锚杆、钢筋网和喷射混凝土组成， 锚杆、钢筋网沿隧道拱部９０。范围内布置，锚杆长度２．５ ｍ，间距为１．５ ｍ，梅花形布置。 该段工程施工重难点：隧道独头掘进距离长，出碴和混凝土施工运输距离大，通风困难，循环作业时 间长，施工难度大；隧道通过地段岩层部分接近水平且呈薄至中厚层状，开挖后拱部易掉块，光面爆破须 不断调整参数，光爆设计和实施操作困难；隧道设计有电分相、非绝缘下锚段特殊地段ｌ０处，开挖困难， 二衬要更换台车模板断面；隧道部分洞身通过堆积体、断层、岩爆等不良地质地段。 工期要求太行山隧道进口段月开挖达到２１０ ｍ以上，如何进行机械设备的选型配套和科学的施工组 织是其成败的主要因素，不仅关系到施工的进度，同时还影响到施工安全、质量和效益。 ２隧道快速施工技术 ２．１机械设备选型及配套 ２．１．１机械设备选型考虑的因素 （１）隧道施工方法。隧道采用的是传统钻爆法施工，开挖以全断面法为主，局部软弱围岩段采用短台 阶法；装运以机械化为主，无轨装碴、无轨运输方式；二次衬砌采用全断面整体液压钢模衬砌台车。 （２）隧道工期。隧道要求必须在２００７年年底贯通，施工组织设计相应要求月开挖进尺必须达到２１０ ｍ以上。 （３）隧道本身的规模。隧道长，投资大，适合大型机械设备发挥其能力，相对摊消成本也较低，比较经 济。因此从经济的角度讲，根据隧道的规模来选配机械设备，要考虑投入产出的关系。 （４）隧道断面形状和尺寸。因为隧道断面空间有限，设备选型时除考虑其性能、相互间的匹配外，还 必须考虑设备的外形尺寸、工作半径和相互间错车、干扰等要求。 （５）环保、职业健康要求。洞内的空气污染主要来自于爆破产生的粉尘、有害气体和设备产生的废 气，对于独头长距离的隧道，洞内通风距离长，排烟难度大，因此应尽量选用电动设备，少用或不用内燃设 备，并且选用大功率通风设备，以改善洞内工作环境，保证操作人员的身体健康。另外也应适当考虑设备 收稿日期：２００８—０５—１６ 作者简介：张铁军男 １９７６年出生工程师 １１０ 的噪音污染。 石家庄铁道学院学报（自然科学版） 第２ｌ卷 ２．１．２机械设备配置基本模式 隧道施工的机械设备配置主要围绕四条施工流水作业线进行，即开挖作业线、喷锚支护作业线、二次 衬砌作业线，此外还有风水电保障设备。我们隧道机械单线设备选型和配置基本模式如下：多台风枪同 时打眼；ＷＡ３８０装载机、ＺＬＣ５０Ｃ装载机或ＩＴＣ３ １２隧道挖掘装载机装碴＋２６２９Ｋ北方奔驰自卸汽车运碴； 成都岩峰ＴＫ５００湿喷机喷射初支混凝土；ＪＳ－７５０ Ｘ ２混凝土搅拌机＋欧蔓２６０混凝土输送车＋ＨＢＴ６０Ｃ混 凝土输送泵＋钢模衬砌台车灌筑永久衬砌。 ２．１．３开挖作业线设备配置 （１）钻爆。采用自制走行式多功能台架（自带轮胎行走），分三层平台作业，配备ｌ９～２４台ＹＴ一２８风 动凿岩机钻眼，人工装药爆破开挖，通过增加风枪的数量来弥补钻孑Ｌ速度低的不足，减少钻爆循环时间。 （２）装碴和出碴。根据月掘进２１０ ｍ以上，则每天进尺７ ｍ以上（一天２个循环），考虑到供电、清碴 等辅助工作，因此每个循环出碴时间控制在２４０ ｍｉｎ以内。 装碴设备的确定。装碴设备的选型要以前一列车装碴后离开，下一列车到掌子面的行车间隔时间进 行确定，其时间包括：下一列车在设备洞室调头时间＋其在设备洞室到掌子面倒退行驶时间（每个设备洞 室间隔２５０ ｎ１）。取汽车调头时间为２ ｍｉｎ，列车在掌子面地段倒退行车速度为５ ｋｍ／ｈ，故可得列车到掌子 面的行车间隔时问为５ ｍｉｎ。 因此，为了装碴不滞后行车循环，装载设备必须在这些时间内把北方奔驰自卸汽车１０ ｍ Ｘ ０．９（０．９ 为装满系数）碴量装完，即要求装载设备装碴能力不得小于１０８ ｍ。／ｈ。目前，ＷＡ３８０、ＺＬＣ５０Ｃ装载设备３ ｍ ／斗，装载能力在１ １０～１２０ ｍ ／ｈ左右；德国产ＩＴＣ３１２隧道挖掘装载机，其装载能力为１６０～２１０ Ｉｎ ／ｈ 左右；以上装碴设备选型基本满足要求。因此，施工时可任选其中一种装碴设备，也可交替作业。 运输车辆设备的确定。以太行山隧道独头掘进４ ０００ ｍ、ＩＩ级围岩为例，每循环进尺３．５ ｎｌ，每循环需 出碴车数为４８．３车。则每车的平均时间要求为４．９７ ｒａｉｎ。 每一列车从装车到往返的总时间Ｔ＝２［Ｌ。／ ，＋Ｌ ／ ＋（ 一，Ｊ。一，Ｊ：）／ ］＋ｒ， ＋ 。其中， 为装 车时间，取平均５ ｍｉｎ，ｒ，’为错车、调车及卸碴时问，经验数据为４ ｒａｉｎ，Ｌ．为掌子面地段长度为２００ ｍ，Ｌ 为二衬台车地段长度为２００ ｍ，Ｌ为装碴处到卸碴处距离，按４ ０００＋７００＝４ ７００ ｍ计算， 为 。地段运行 速度，取５ ｋｍ／ｈ， 为 ：地段运行速度，取５ ｋｍ／ｈ，Ｖ为正常地段运行速度，取２０ ｋｍ／ｈ。 所以在２ ０００ ｍ内，Ｔ＝３２．４ ｒｎｉｎ。双线需列车数Ｎ＝３２．４／４．９７ Ｘ ２＝１３辆。 在４ ０００ ＩＩｌ内，Ｔ＝４４．４ ａｉｒｎ。双线需列车数Ｎ＝４４．４／４．９７ Ｘ ２＝１８辆。 根据计算，最长距离运输时单线隧道相应配备９辆自卸运输汽车，考虑不可预见性因素，施工时可适 当加备１辆。此配套施工运行效果：每循环出碴为４５～５０列，最快时出碴时间可缩短至２００ ｍｉｎ，一般情 况下２４０ ａｉｒｎ内可以完成一循环的出碴。 ２．１．４初期支护作业线设备配置 为了确保初支紧跟掌子面，配合２１０ ｎｌ进度的快速施工需要，配置２台成都岩锋ＴＫ５００湿喷机同时 作业。每台湿喷机工作效率５ Ｉｌｌ ／ｈ，一个循环喷射砼量为１．６（每延米数量）Ｘ ３．５（长度）＝５．６ ｍ ，喷射 时间为７０ ｍｉｎ，满足施工需要。 在洞外生产喷射所需的混凝土配备１台５００ Ｌ混凝土拌合机，生产能力１５ ｍ ／ｈ，大于双线两个隧道 同时作业１０ ＩＩｌ ／ｈ的施工要求。 喷射所需的混凝土采用２台三菱６ ｍ 灌车运输，一车拉运１次就能满足单线单个隧道施工需求，配 套计算合理。 其他，利用多功能自制台架、凿岩机配合锚杆注浆机施作锚杆等。 ２．１．５二次衬砌作业线设备配置 根据实际施工情况，二次衬砌单洞月平均进度需达到２３０ ＩＩｌ以上。高性能混凝土初期强度低，达到８ ＭＰａ拆模强度要求时间就需２ ｄ；刷油、立模、混凝土施工时间为１ ｄ；据此技术参数，二次衬砌每循环时问 第４期 张铁军：太行山隧道进口快速施工技术 为３ ｄ，如采用长度１２ ｍ液压式整体钢模衬砌台车进行衬砌，单洞每台台车月平均进度为１２０ ｎ／月。要满 足单洞二次衬砌月平均进度为２３０ ｍ／月以上的要求，施工时单洞配置２台１２ ｍ液压式整体钢模衬砌台车 进行衬砌。另外，每台台车配备一个简易台架进行灌注前的防水层铺设安装。 同时，为减少改装断面等不利进度因素，各隧道单洞施工区各配置１台６ ｍ长的小台车或１套拱架模 板，进行特殊断面衬砌施工。 为了满足衬砌混凝土施工一循环１１ ｈ的施组时问要求，在此时间内拌制混凝土Ｉ１．３５（每延米数 量）×１２（长度）：１３６．２ １１＇３ ，即要求砼生产能力１２．４ Ｉｌｌ ／ｈ。因此，洞外需配套设置一座以满足隧道双线 同时施工的自动计量拌和站，其生产技术参数为１２．４×２＝２４．８ ｍ ／ｈ。 通过上述技术指标，设备选型时采用ＪＳ一７５０×２混凝土搅拌机，其生产能力３０ Ｘ０．８５＝２５．５ ｍ ／ｈ，满 足施工需要。 此外，现场配备１台ＺＬＭ５０Ｅ装载机进行砼生产上料，４台欧蔓６ Ｉｎ 输送车运输砼，２台６０ ｍ ／ｈ的 ＨＢＴ６０Ｃ混凝土输送泵泵送施工。 ２．１．６风、水、电保障系统设备配置 （１）施工供风。供风量的计算，隧道使用的主要风动设备为风枪、湿喷机，空压机站的供风能力应能 满足各种风动工具及输送损耗所需要的风量。供风量的大小Ｑ供＝∑叫 ，其中，ｎ为同时使用的各种风 动机械（具）的台数，ｑ 为每台风动机械（具）的耗风量通过高压风量计算，左、右线同时开挖、喷浆最大需 风量１６０ ｍ ／ｒａｉｎ。其中，左右线风枪４０台，单台风枪需风量３ ｍ ／ｒａｉｎ，同时作业需风量１２０ ｍ。／ｒａｉｎ；左右 线湿喷机４台，单台需风量１０ ｉｎ ／ｒａｉｎ，同时作业需风量４０ ｍ ／ｒａｉｎ。 空气压缩机的配置，空压机的配置数量Ｎ＝Ｑ供／Ｑ：，其中，Ｑ供为计算供风量，Ｑ：为一台空压机的生 产能力。 经计算，空压机选型时采用４台移动式美国寿力牌空压机，总供风量为１７６ １１＇１ ／ｍｉｎ，总负荷功率７４１ ｋＷ（单台供风量４４ ｍ ／ｍｉｎ，负荷功率２４７ ｋＷ）。总供风量１７６ Ｘ ９２％＝１６２＞１６０ ｍ ／ｍｉｎ（洞内需最大风 量），满足施工要求。 整个供风系统采取４台移动式空压机＋￣Ｄ２００ ｍｍ高压无缝钢管供风枪、砼喷射机、风镐等风动机具 （机械）的动力用风。 （２）施工通风。根据隧道独头掘进深度的不同，将通风分为三个阶段。第一阶段：在左右线隧道掘进 ２００ ｍ范围内采用自然循环方式排出废烟、废气、粉尘等，置换新鲜空气。第二阶段：在左右线隧道掘进 ２００—１ ５００ １３３范围内，采用在距洞口１０ １１３＿处各安设一台现有Ｆｌ轴流风机压入式通风。第三阶段：在左右 线隧道掘进超过１ ５００ ｍ以后，由于左线隧道开挖超前右线约３００ ｎｌ，利用双线平行隧道和每４２０ ｍ一个 横通道的便利，在最靠近掌子面的横通道增加安置Ｆ２风机，配合两台Ｆｌ风机把左线污浊空气抽人右线， 达到左线输送新鲜空气，右线排出污浊空气的目的，具体通风方式及布置如图１所示。 风机Ｆｌ采用山西候马ＳＤＦ—Ｎｏ１２．５型风机， 风量２ ３８５ ｉｎ ／ｒａｉｎ，全压１ ３７８～５ ３５５ Ｐａ，功率 １１０ Ｘ２ ｋＷ，双级调速。 掌 Ｉ‘ 血 风机Ｆ２，定制天津通创风机有限公司 ＳＤＡ１４２Ａ一￥５５型风机，设计风量３ ０００ ｍ ／ｒａｉｎ，全 压７５０ Ｐａ。功率５５ ｋＷ，单级调速。 图１通风机布置 风管，江苏产直径 １．５ ｍ通风软管。 （３）高压供水。在洞外水源处设变频增压水泵，铺设￣ＤＩＯ０ ＩＴＩＩ／１的无缝钢管供水，到达掌子面附近时 铺设ｑｂ８０ ｍｍ的无缝钢管进行供水。 （４）施工供电。变电所内设３台变压器：＠ｓ９－６３ｏ／３５ ３５／０．４ ｋＶ供洞外及洞口段照明、水沟电缆槽施 工；②ｓ９—１２５０／３５ ３５／１０ ｋＶ经左线右侧进洞；③ｓ９．１０００／３５ ３５／１０ ｋＶ经右线左侧进洞。 变电所总装机容量２ ８８０ ｋＶＡ，洞内总容量２ ２５０ ｋＶＡ，在４台压入式风机的电机开２高档２中档时， １１２ 洞内为最大负荷。 石家庄铁道学院学报（自然科学版） 第２１卷 高压进洞时，电缆根据变压器额定电流、负荷及电缆长期允许载流量选用ＹＪＬＶ２２—３×３５２铠装电缆。 ２．２隧道施工组织 ２．２．１关键工序施工组织 根据施工方案和所配机械设备，隧道ＩＩ级围岩的开挖作业循环时间一般为１０．５ ｈ左右，其中台架就 位、排危、测量用时１ ｈｌ０ ｒｎｉｎ，钻眼用时３ ｈ，装药爆破用时３０ ｒａｉｎ，排烟用时２０ ｒａｉｎ，出碴用时４ ｈ，初期支 护用时１ ｈ３０ ｒａｉｎ。 初期支护随开挖进行，ＩＩ级围岩一般先初喷一层砼，拉开一定距离后再行复喷，以缩短循环时间，加快 施工进度。 ２．２．２施工过程组织管理 施工组织中，根据动态分析和施工需要，增加运输车辆，组织上场掘进、初支、二衬等人员，保持持续 大干态势。同时强化过程管理，加强工序衔接和行车调度，以现场强有力的施工组织，使施工井然有序， 尽量压缩单循环作业时间。 另外实行项目和部门领导２４ ｈ值班制度，现场指导施工，发现问题及时解决，以扎实的基础工作确保 工程安全、优质、快速施工。 ２．２．３施工过程控制 隧道工程施工中的超欠挖是影响快速施工的一个主要因素。欠挖爆破补炮处理，延长了作业循环时 间，耽误了施工进度；超挖使得出碴量增加，喷射和回填混凝土增加了额外的工程量，浪费大量的人力、物 力，同样延长作业循环时间，耽误施工进度。 为了更好地进行隧道快速施工，让施工现场处于可控状态，超欠挖需采取以下控制措施： （１）勤放样，精确布跟。为了取得精确的轮廓线标注，每个循环都需进行测量放样。因掌子面开挖后 不是一个理论的平面，每个循环钻眼前，工程技术人员根据测量放样的掌子面不同部位不同里程的“五寸 台”尺寸进行调整，把最精确的设计轮廓线标注在掌子面上，并把周边眼孔位明确标出。 （２）严格钻眼。为了避免凿岩机凿眼偏差，确保周边眼平行且尽量不带角度，眼底尽量落在同一平面 上，选择有技术、有经验的工人钻制周边眼，减小开眼偏差，外插角控制在３。～５。以内。 （３）跟踪检查、分析和整改处理。坚持每循环中线和高程检查，尤其是隧道底部标高检查，进行光面 爆破效果评价和分析，为下一循环开挖提供参数，严格控制超欠挖。开挖后，采用画弧目测、全站仪配合、 断面仪每循环跟踪检测的综合治理方法进行超欠挖检查，及时处理，为下道工序奠定基础，避免工序返 工。 ２．２．４施工技术指导 （１）光面爆破技术。光面爆破的好坏是增进围岩的稳定和施工安全，减少隧道超欠挖、提高工程进度 和工程质量，实现隧道快速施工的基本组成部分。 隧道施工中需不断调整光爆参数：确定掏槽眼形式；周边眼光装药集中度和装药结构；周边眼间距； 光面层厚度。 通过提高钻眼质量和以上参数调整，现场爆破实施后效果：循环进尺达３．５～３，７ ｍ；开挖面平整，平 均线性超挖８ ｃｍ，最大超挖小于１５ ｃｍ，基本无欠挖；炮眼利用率９５％，炮眼残痕保存率达９０％；前后两个 循环衔接台阶最大为５ ｃｍ；石碴最大块度小于３５ Ｃ１ＴＩ，满足我标段ＩＴＣ３１２出碴设备要求；爆破碴堆集中， 抛距小于２０ｍ；爆破后围岩稳定，无剥落现象。 （２）特殊和不良地质地段施工。水平层状和软弱地质控制：遇到水平层、拱部易掉块或软弱围岩，采 取“多打眼，少装药”的方法，同时尽量避免沿着围岩走向和倾向打眼。周边眼采取小直径药卷间隔装药， 导爆索传爆，减少对围岩的扰动，加强其自稳；其次采用超前锚杆或超前小导管注浆进行加固围岩，防止 掉块、坍塌及超挖产生。 不良地质地段：堆积体、断层、岩爆等不良地质地段遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的 第４期 张铁军：太行山隧道进口快速施工技术 １１３ 原则进行施工，贯彻“不坍、不掉就是进度”的思想，施工方法做到稳妥可靠，在确保不坍的原则下再致力 加快施工进度。 ３ 结束语 为了满足工期，加快施工进度，太行山隧道进口通过对施工机械设备选型配套和现场科学的施工组 织管理，使得各工序组成的循环时问缩成最短，实现了隧道快速施工的目标。 在机械设备的配置方面不能盲目追求，投入产出失调，造成成本过高，得不偿失。如：德国ＩＴＣ３１２隧 道挖掘机，价值７００多万，只适合单线电化铁路小断面隧道施工，在客运专线较大断面中不如ＷＡ３８０、 ＺＬＣ５０Ｃ装载机使用灵活，现场实际操作装载能力相差不远，但其使用成本太高。 同时进行机械设备的配置要根据工程的性质和长远发展考虑其综合效益，不能追求一时得失。如： 移动式空压机的投入，虽然一时投入资金，但其为隧道的快速施工奠定了极大的基础，为隧道创高产创造 了有利条件。 参 考 文 献 ［１］铁道部第二工程局．铁路工程施工技术手册隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００３． ［２］中铁一局集团有限公司．ＴＺ２１４－－２００５客运专线铁路隧道工程施工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ［３］中铁三局集团有限公司．铁建设【２００５】１６０号客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版 社，２００５． Ｆａｓｔ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｔａｉｈａｎｇｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｔｒａｎｃｅ Ｚｈａｎｇ Ｔｉｅｊａｎ （Ｆｉｍｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ｌｌｔｈ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００７ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｔａｉｈａｎｇｓｈａｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｔｒａｎｃｅ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｏｒｇａｎ— ｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｆａｓｔ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ （责任编辑刘宪福） 本刊编辑部荣获“全国高校科技期刊先进集体＂荣誉称号 今年１ １月份，“全国高校科技期刊先进集体”评选活动结果揭晓，本刊编辑部榜上有名，河北省仅３ 家单位入选。 本次活动评选标准主要为四点：一是依据所办刊物的自身特色突出，并获省级以上奖励；二是具有良 好的学术研究风气，近５年编辑部成员公开发表学术论文平均每人３篇以上；三是编辑部体制健全，制度 完善；四是执行出版政策规范情况等多项指标。我校学报编辑部因在政治导向、刊物编校质量、年检情 况、学术研究、遵纪守法情况等方面成绩比较突出，被评为“全国高校科技期刊先进集体”。 此外，本刊曾经荣获２００８年“河北省优秀期刊奖”、２００７年“第二届北方十省市优秀期刊奖”、２００６年 “首届中国高校特色科技期刊奖”、２００４年“河北省优秀期刊奖”和“河北省高校优秀学报奖”。 （石家庄铁道学院学报编辑部）