中铁十二局集团第二工程有限公司太原030032
摘要：杭绍城际铁路试验段牛头山1号隧道分左右线，均为单洞单线隧道，线间距小，隧道独头掘进距离长、断面小，洞内施工交通干扰大，隧道快速施工组织难度高。为有效解决牛头山1号隧道快速施工组织问题，本文对隧道开挖、仰拱及二次衬砌各施工工序组织，对施工机械设备选型及配套、工艺工法选择和出碴交通组织等进行研究。通过优化和改进，较大程度上解决了小断面小净距隧道的施工难题，有效提高了小断面小净距隧道的施工效率。
关键词：小断面小净距隧道立体化快速施工机械化选型配置爆破参数优化浅埋段施工合理化建议
1、工程概况
杭州至绍兴城际铁路牛头山隧道试验段位于绍兴市柯桥区，总长2.19km。主要工程为“两隧一桥”，分别为牛头山1号、2号隧道及牛头山大桥。牛头山1号隧道设计起点（进口）与杨汛桥车站相接，右线隧道长1864.864m，左线隧道长1856.864m。隧道单洞标准尺寸5.4米×5.55米，左右线均为单洞单线隧道，采用矿山法施工。
隧道为小净距隧道，标准开挖断面37.5平方且断面型式多达12种，独头掘进，施工组织难度大，存在工期风险。隧道穿越地段主要以凝灰岩、灰岩为主，不良地质条件含浅埋偏压、断层破碎带、岩溶等，牛头山1号隧道为全标段控制性、重难点工程。
2、项目施工难点
2.1隧道断面小，洞内施工组织难度大
牛头山1号隧道左右线均为单洞单线，且独头掘进，左右线净距为7米，隧道标准断面内净宽5.4m，内净高为5.55m，施工空间非常狭小。各工序之间相互干扰大，如何让各种大型机械设备进入场地且充分发挥作用、出渣车辆快速出渣、各种工序交叉作业时快速组织且有条不紊的进行等都是施工难点。如何在这“方寸之间”辗转腾挪，优化施工组织、强化资源配置、保障施工进度，是我们施工最大的难题。
2.2浅埋段地表加固施工难度大
不仅洞内空间狭小，洞外施工作业条件也很不理想。距离隧道出口220米处为浅埋段，最小埋深1.9米，该段设计采用钢管桩及钢筋混凝土盖板进行地表加固。由于现场施工便道狭窄，仅1.2米宽，施工所需要的挖掘机、钻机、施工用水、水泥、钢管等机械设备和材料难以运至现场，只能靠人工倒运，难度极大。浅埋段浇筑混凝土盖板时，由于道路狭窄，混凝土罐车运不上去，首次采用了输送泵接力，在绍兴炎热的夏天，采取此法可谓是大胆试验，我们制定了出现突发情况的多种预案，最终顺利浇筑完成。
2.3结构断面型式多样
牛头山1号隧道标准断面面积只有37.5平方米，除此之外，还有大断面、风机段等不同类型断面，断面型式多且断面转化频繁，给隧道施工组织和二次衬砌施做增加了很大的难度。
2.4受周围环境的影响大
牛头山1号隧道洞口紧邻村庄，扰民和民扰事件频繁，村民阻工多次发生，为避免发生矛盾，晚上严禁爆破作业，爆破时间仅限于白天，严重影响隧道的开挖进度。另外因为夜间施工所产生的噪音问题村民要求我方停止夜间一切施工，工程施工进展缓慢，窝工现象严重。
为解决制约施工的一个个难题，项目部组成科研攻关团队将难题各个击破，以下内容是我们在隧道快速施工技术方面的主要做法。
3、快速施工技术研究
3.1机械选型及工装设备配置
3.1.1挖装运机械配置
隧道出碴环节作为一个耗时的单一工序是快速施工中关键的一环，针对隧道断面小，路面宽度仅2.03米，合理选型至关重要。经过项目部科研团队攻关，最终采用装载机装碴，小型自卸车运碴的无轨运输方式。
出碴时，仰拱洞碴作填平处理后路面宽度可达5.9m（如图1），基本能满足装碴需要（装载机轮胎宽2.8m，汽车车厢宽2.5m），操作技术熟练的司机可实现并排装碴作业。
根据现场统计，平均循环进尺3.1米，单个掌子面出碴23车左右，在1km内用4-6台车运送，1km以后6-8台，可满足装载机连续不断地装碴要求。在司机熟练的情况下，2～2.5小时左右可完成出碴，此配置是高效的、经济合理的。
图2
3.1.3引进全液压带边模自行式移动栈桥
在工程开工之初，仰拱模板采用人工立模的方式，每次拆卸模板需要装载机的配合，费时费力。经过科研攻关人员多方调查，并结合施工现场实际，跟厂家一起研究设计了40米长全液压带边模自行式移动栈桥。
该栈桥主跨24米，可以满足2板仰拱钢筋绑扎和砼浇筑同时进行，互不干扰。不会出现砼浇筑完成并拆模后才能进行下板钢筋绑扎的窝工现象，节约时间，提高工效，加快了进度。
该栈桥带边模，实现了仰拱边墙和仰拱底板一次性浇筑，减小了因施工缝出现的隧道渗漏水风险，使二次衬砌施工质量得到保证。
该栈桥顶面设有钢盖板，机械车辆在上面通行时，工人可以在下面安全作业。
图3
3.2合理化建议加快施工进度
3.2.1动态设计
原设计隧道IV、V级围岩比例为61.85%。当隧道进洞70米时，现场开挖揭示围岩从硬度、完整性、裂隙情况、是否有水等方面判断均可达到Ⅲ级，该段设计为IV级围，台阶法开挖。我方委托试验绍兴市市政公用工程质量监督监测中心试验，对岩石进行取样试验，结果是岩石单轴饱和抗压强度为67.8-105.8MPa，为极硬岩。
2017年7月17日在项目部会议室组织召开了专家会，参会人员在现场踏勘的基础上，听取了施工、监理、勘察设计、第三方监测单位对牛头山隧道的施工、地质情况汇报，经认真讨论，形成专家意见如下：
1）掌子面地质为凝灰岩，灰色，中等风化。根据绍兴市市政公用工程质量监督监测中心试验结果，并结合隧道详细勘察报告和勘察岩芯，一致认为属于极硬岩，块状构造，节理不发育，岩体较完整，水文地质微有裂隙水，应判定为Ⅱ级～Ⅲ级围岩。应进行动态设计，调整围岩级别。
2）建议开挖方式由台阶法改为全断面。
3）建议取消洞内DK7+594～DK7+462段中管棚。根据围岩分类，隧道结构相应进行优化，开挖爆破后采用锚网喷支护。
4）加强隧道动态设计。后续施工中要注意观察掌子面围岩变化情况，做好监控量测，发生异常时，及时通知各方现场确定处理措施。
后续施工中每掘进20米，进行动态判定（五方现场确认围岩级别），相应动态设计调整。左洞IV、V变更Ⅲ级长度503米，右洞变更长度518米，IV、V段进尺为1.8-2.4米/天，Ⅲ级段约6米/天，左洞节约工期156天，右洞节约160天。
3.3.2优化爆破参数，增加循环进尺
每循环开挖进尺的多少直接影响施工进度的快慢。本隧开挖断面近似于马蹄形，面积约38平方，炮眼深度受开挖面大小的影响，如何将循环进尺最大化？为此项目部组成QC小组，在确定合理的炮眼深度、合理的掏槽技术、合理的光面爆破技术方面反复调整参数并试验，根据工程地质及现场施工条件，最终得出本隧全断面光爆参数：采用复合楔形掏槽，掏槽角度为45°、60°、72°，掏槽眼及底板眼深为3.5m，其他均为3.0m，最小抵抗线为60cm，周边眼间距45-55cm，外插角为3°。每循环开挖进尺由2.4米提高至3.1米。
掏槽眼和周边眼是爆破进尺和理想光面爆破的重要因素，特别是小断面的掏槽眼布置，显得尤为重要，炮眼及掏槽形式布置如图4所示：（图中数字为雷管段位数）
图4
3.3.3增加施工横通道，加快施工进度
牛头山1号隧道左、右洞长度分别约1860余米，设计只有3个联络通道，由于隧道断面小，挖掘机掌子面扒碴排险、装载机推台架、出碴车出碴均需要从联络通道掉头后倒行至掌子面。如果联络通道距离掌子面远的话，不仅增加机械车辆倒行时间，出碴时间加长，循环时间相应增加，进度减慢。并且长距离倒行大大增加了施工安全风险。
另外，如果联络通道不足的话，二衬混凝土浇筑时，输送泵及台车卡口梁会阻断道路，掌子面无法出碴，开挖工序将暂停，严重影响施工进度。
经过我方与设计方、业主方很多次沟通协商，最终达成“扩三增二”的一致意见，即将原设计3个联络通道宽度、高度加大，满足机械车辆通行。并新增2个横通道。
3.3.4优化设计，改全包防水为半包，取消和减弱衬砌配筋
现场揭示隧道围岩较好，大部分为Ⅲ级，总体干燥，局部潮湿，偶见湿浸，反坡掌子面低端未见积水。由于水量、水压与原设计变化较大，因此优化设计是必要的。已开挖段宜采用半包防水、排水型隧道设计。已开挖未施工二衬的Ⅲ围岩段落，可以取消钢筋，改用素混凝土结构。Ⅳ、Ⅴ级围岩段落优化衬砌配筋。
衬砌配筋优化后，不仅节约成本缓解了资金压力（钢筋结余量见表1），且衬砌施工速度由原来的3天/12米缩短至1天/12米。
表1
3.3小发明、小革新提高施工工效
3.3.1左右线衬砌台车相互转换技术
牛头山隧道断面型式多，且断面变化频繁，1号隧道从洞口开始，依次是22米大断面（半径3.2米），然后是28.5米标准断面（半径2.7米），然后是43.11米风机段（半径3.1米，单侧加大），然后是67.2米标准断面（半径2.7米），然后是12.6米风机段（半径3.1米，单侧加大），然后是100.4米标准断面（半径2.7米），然后是12.6米风机段（半径3.1米，单侧加大），剩余的是标准断面（半径2.7米）。
如果按照常规做法，将大断面衬砌施做完就要把台车退出至洞口，拆换面板为标准断面型，再推进洞进行砼浇筑。标准断面衬砌做完又要退台车、拆换面板，左右洞都是如此。在安全步距的压力下，这样不仅仅是耽误时间、花费大量的人工的问题，而且会面临掌子面停工。
经过项目部人员合力讨论，研究出了左右线衬砌台车相互转换技术，具体如下：
（1）第一部台车进场后，在左洞洞口按照大断面半径进行组装，台车组装完成并验收合格后，开始左洞大断面二衬砼施做。在此期间，联系第二部台车进场，并在右洞的空地上按照标准断面组装台车。（由于场地限制，为了不影响洞内出碴道路，只好在右洞场地上组装）
（2）左洞大断面二衬砼施做完毕后，将台车从左洞转换至右洞，开始右洞大断面二衬砼施工。然后将第二部台车转换至左洞，开始左洞标准断面二衬砼施工。
（3）右洞洞口大断面二衬砼施做完成后，将台车退出，拆换面板，按照标准断面半径组装，组装完成并验收合格后，进入右洞，开始右洞标准断面二衬砼施做。
考虑到风机段二衬施做时间长的缘故，经项目部研究决定，暂时跳开风机段不施作，先施做标准断面。
台车转换法的直接经济效益：①直接节约成本24200元。②节约时间6天。③消除了掌子面停工带来的成本、管理等各种风险。
3.3.2改善夜间噪音措施
措施一：将洞口空压站转移至远离村民居住区。措施二：购进鑫丰康牌低噪音变频通风机，通过改移空压站位置和改进通风设备，成功将夜间施工噪音降到了要求的分贝之下，解决了无法连续施工的难题，加快了施工进度。
4、结束语
在牛头山1号隧道施工中，独头掘进，单口通风，矿山法施工左洞于2017年4月1日进洞，在2019年1月25日贯通，月平均掘进84米，三级围岩段落月平均掘进160米。针对小断面小净距隧道成功实现了立体化快速施工。总结归纳起来有几下几点体会：
（1）针对小断面隧道，合理选择工装设备，合理的机械配置是实现立体化快速施工的必要条件。
（2）对于围岩较好的段落采用全断面施工，优化爆破参数，施工方的合理化建议等可以大大提高效率。
（3）技术创新，安全施工是快速施工的助推器。
参考文献
陈敬军、闫志刚《秦岭终南山特长隧道快速施工技术》
[1]张乾，赵德才，杨路通.岩溶地区特长圆形小断面引水隧洞施工关键技术研究[J].水利水电快报，2019（06）：43-47.