秦東隧道施工的設備配置

■ 戴宇

1 工程概況

鄭西高速鐵路秦東隧道全長7 684 m，起訖里程DK333+312—DK340+996，設計為雙線隧道。隧道圍巖主要為砂質黃土和粉質黏土，其中Ⅳ級圍巖段長7 300 m，V級圍巖段長384 m，隧道洞身最大埋深200 m。根據圍巖條件及隧道埋深情況，隧道不同地段的開挖斷面面積在158.3～163.08 m2，襯砌后有效凈空斷面面積為100 m2，最大開挖寬度15.2 m、開挖高度13.18 m。正洞施工采用雙側壁導坑法、CRD法和三臺階弧形導坑預留核心土法等施工工法。

為滿足施工工期要求，設計有3座斜井作為輔助坑道。正洞進口淺埋偏壓段（DK333+390—+465）選用雙側壁法開挖；Ⅴ級圍巖淺埋段（DK333+465—+520、DK338+620—+670、DK340+840—+977）在超前管棚預支護下采用CRD法開挖。洞內Ⅴ級圍巖段在超前小導管預支護下采用CRD法開挖，洞內Ⅳ級圍巖段在超前小導管預支護下采用弧形導坑預留核心土法開挖。斜井Ⅳ級圍巖段采用正臺階法開挖，Ⅴ級圍巖段采用正臺階預留核心土法開挖。初期支護為型鋼加噴射混凝土。出渣采用無軌運輸，用挖掘機、裝載機給自卸汽車裝渣。噴射混凝土采用濕噴機施作。仰拱超前拱墻采用移動式棧橋配合自制模板進行施工，墻拱襯砌采用模板臺車整體澆筑。二次襯砌采用電子計量攪拌站拌和、混凝土運輸罐車運輸，混凝土輸送泵泵送入模，插入式振搗器配合附著式振搗器振搗。

2 設備配置

隧道施工設備的配置以滿足計劃工期為目的，合理的設備配置能夠提高隧道掘進速度，并節約企業生產成本。結合秦東隧道洞口施工、進（出）口端進入正洞開挖并形成穩定生產狀態為條件，分析和計算合理的施工設備配置規格和數量。隧道中間段因設置斜井而增加了工作面和出渣通道，設備配備過程完全相同。

2.1 洞口開挖設備配置

洞口土方包括進口端78 m明挖段、出口端19 m明挖段。采用風鎬配合挖掘機、裝載機自上而下分層開挖。進口端開挖數量22 500 m3、出口端12 100 m3。進、出口端出渣運距相當，約2 km。

（1）風鎬數量及空壓機排量確定。洞口土方均為非爆破挖掘，采用挖掘機、風鎬開挖。風鎬主要進行局部分割和邊坡修整，無固定作業數量，可選用適中規格如G8、G10、G15等，進、出口端各按4臺配置。初期可配置2臺移動式3.0 m3/min的小型電動或內燃空壓機，正洞施工時配置10～20 m3/min電動空壓機供給高壓風。

（2）裝載設備及自卸汽車數量確定。根據每班組需要完成的作業量、作業時間、進口端及出口端的計劃工期，確定裝載設備原則上可選用挖掘機、裝載機。秦東隧道設計為無爆破開挖，因此洞口的挖掘、裝載宜選擇具有挖掘功能的挖掘機。結合進洞后對挖掘機的使用要求，可選用20 t級的挖掘機。自卸汽車規格及數量的確定必須考慮不同開挖工藝（如CRD法）下的通行尺寸，秦東隧道開挖斷面較大，為提高出渣速度，選用12 t和15 t自卸汽車做為主要出渣運輸設備，進口端和出口端作業區均按4～5臺配置。

2.2 正洞開挖設備配置

（1）臺階法開挖設備。秦東隧道主要采用臺階法進行施工，開挖長度為7 300 m，占整座隧道長度的95.0%。因此，秦東隧道以臺階法施工為主進行設備配置，對其他工藝方法下的施工設備則以此為基礎進行適當調整。根據《秦東隧道實施性施工組織設計》規定，隧道開挖月進尺55～60 m，每循環≤1.2 m，月完成46～50個循環。每月按25個工作日考慮，則一個作業循環的總時間應控制在12～13 h，其中1/3時間（約4 h）用于挖掘和出渣，其余2/3時間用于初期支護和二次襯砌。

挖掘、裝載設備：洞身Ⅳ級圍巖段采用正臺階弧形導坑預留核心土方法施工，其中仰拱以上部分分上、中、下3個臺階以預留核心土法開挖，開挖在不能爆破的條件下采用風鎬配合挖掘機進行。導坑上（中）部用風鎬挖掘，上部臺階翻渣由人工或長臂挖掘機完成。風鎬數量上部2個臺階按4～6臺配置。下部采用挖掘機挖掘和裝渣，作業尺寸不受限制，繼續選用洞口施工用的20 t級規格。

運輸車輛：選用洞口施工時的15 t自卸汽車運輸。出渣時，上部洞渣翻至底部一起裝運出洞，每次出渣的數量以全斷面開挖進尺≤1.2 m計算。

選用挖掘、運輸設備時，按照1個循環的出渣總數量、需要運輸的總車次確定自卸汽車臺數。

（2）CRD法開挖設備。秦東隧道的進口端55 m、出口端137 m、中間50 m設計為CRD法施工，中間CRD法施工段通過3#斜井工區完成，設備配置方法與進、出口端相同。施工組織設計每循環開挖進尺≤0.8 m，55 m、50 m段用時30 d，137 m段用時70 d，每天須完成2.4個循環。CRD法施工帶有中間橫隔板，作業斷面小。上部用風鎬挖掘，洞渣用人力裝斗車經過橫隔板倒入停放在下方的自卸汽車。風鎬數量按左右兩側各3臺配置；下部采用挖掘機挖掘，并利用挖掘機裝渣，挖掘機的數量按左右兩側各1臺配置，選擇10 t級小規格。采用CRD法施工的秦東隧道進、出口端的運輸車輛均按5臺配置。

（3）雙側壁導坑法開挖設備。雙側壁導坑法施工段長度僅為進口端的105 m，設備配置原則上與正洞一致，其數量可根據分部開挖的作業面情況適當增加。導坑上（中）部用風鎬挖掘，人工翻渣到（中）下部。風鎬數量一個導坑按4臺配置。施工沒有鉆爆環節，3個導坑的上部工序為挖掘和初期支護的相互轉換，考慮備用和易損因素，3個導坑共計按10～12臺配置。下部采用挖掘機挖掘，并利用挖掘機裝渣，裝渣數量包括從上（中）部臺階翻下的洞渣。挖掘機數量按10 t級2臺配置，3個導坑同時作業時用1臺20 t級挖掘機備用。

運輸車輛的外形尺寸受導坑斷面尺寸、臨時水平鋼支撐高度限制（4.5 m），選用5～8 t自卸汽車運輸。隧道進口端采用雙側壁導坑法施工段長75 m，按5臺配置運輸車輛。

2.3 初期支護、基底處理及二次襯砌設備

洞口明洞及洞門鋼筋混凝土施工時，主要設備與正洞施工相同，包括混凝土設備、鋼筋加工設備等。

（1）初期支護設備。正洞洞口Ⅴ級圍巖段，設φ108 mm超前管棚進行預支護，洞身Ⅴ級圍巖段，設φ42 mm超前小導管注漿進行預支護。同時，在開挖后立即施作錨桿、型鋼剛架、掛網、噴射混凝土等形成初期支護系統。主要設備有管棚鉆進（水平鉆機）、（砂漿）攪拌機、注漿泵、混凝土噴射機、鋼筋彎曲機、砂輪切割機、鋼架加工采用的LWGJ250型鋼架冷彎機。

（2）基底處理設備?；滋幚頌樗嗤翑D密樁加夯實，采用的設備有地質鉆機、80 kg級內燃沖擊夯。

（3）二次襯砌設備。正洞、斜井洞身二次襯砌時，仰拱澆筑利用移動式棧橋維持洞內交通運輸的暢通；墻、拱襯砌采用液壓模板臺車整體澆筑。二次襯砌耐久性混凝土采用自動計量的攪拌站、混凝土輸送車運輸、混凝土輸送泵泵送入模。輔助洞室混凝土襯砌采用特制模板臺架、人工立鋼模、輸送泵泵送入模。主要設備有混凝土攪拌站、混凝土輸送車、混凝土輸送泵、模板臺車等。

2.4 隧道通風、施工用電、高壓風及排水

（1）隧道施工通風裝備。秦東隧道采用非爆破開挖，施工通風僅考慮施工人員、機械的通風需要，根據施工總體安排的生產需求，進、出口工區及斜井工區均采用壓入式通風，其中進、出口工區采用單管路壓入式通風，斜井工區正洞施工時采用雙管路分頭壓入式通風。

根據鐵路隧道通風要求及參數計算結果，隧道進、出口工區各配備SDF（C）-NO12.5型110 kW通風機1臺，風管選用φ1 500 mm PVC軟式通風管，可滿足洞內通風要求。3個斜井工區各配備SDF（C）-NO12.5型110 kW通風機2臺，安設2套通風管路，分別向兩端工作面通風，風管均選用φ1 300 mm PVC軟式通風管。局扇根據實際需要安裝，規格為14～22 kW的射流風機。

（2）施工用電。施工用電主要由地方電網T接后引出10 kV供電線路供電，各工區以柴油發電機組作為備用電源。具體配電情況如下：五個工區各設變電站一處。隧道進口容量800 kVA，出口容量1 000 kVA，3個斜井工區各設容量900 kVA。隧道進、出口工區和3個斜井工區各配備2臺250 kW柴油發電機組作為備用電源。

（3）高壓風。高壓風采取集中供風方式，其中進、出口端工區各配備2臺10～20 m3/min電動空壓機。風管均采用φ100 mm的無縫鋼管，管節利用法蘭盤連接。隧道外，供風距離超過800 m后，將洞外2臺空壓機移至洞內。同時安排高壓電源進洞，洞內可安裝1臺300 kVA變壓器。

（4）隧道排水。隧道設計資料顯示：隧道內部局部地段存在少量地下水，大部分段落基本無水。為避免自然排水對濕陷性黃土的影響，洞內每隔500 m左右設一個泵站，泵站間布置2條φ150 mm的管路。每個作業面常備2臺4～17 kW水泵，遇有積水時及時抽排至附近各泵站，再利用各泵站分級抽排至洞外排水溝。實際施工時發生多起局部出水情況，如在3#斜井與正洞交匯處出現滲水，初期流量4～6 m3/d，采用鐵制水箱收集滲水和滴水后，由潛水泵泵入混凝土輸送車內運出洞外。

3 超前地質預報與監控量測

針對秦東隧道的地質特點，采用超前水平鉆機、地質雷達裝備，進行長、短距離探測，結合地質素描法指導施工，并對施工組織進行完善和修正，同時在施工過程中加強監控量測。

（1）超前水平鉆孔。采用超前水平鉆機鉆進過程中鉆速和鉆渣的變化對開挖面前方較短距離（＜20 m）內的地質情況進行判斷，為提高其預報準確度，與地質素描配套使用。

（2）地質雷達。SIR-10B型地質雷達探測范圍約40 m，是一種非破壞型的探測技術，可現場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀。

（3）監控量測。根據隧道設計監控量測要求，預埋必要的傳感器，如土壓力盒、變形位移貼片等，定時、定點進行觀測和記錄。出現問題及時采取修正措施，并完善下一步的施工組織。

4 結束語

黃土類軟弱圍巖下的隧道施工，尤其是像秦東隧道雙線、大斷面施工，設備配置需要與開挖工藝相匹配。但如果開挖工藝轉換較多，則應按照作業項目隊（工區）所承擔施工范圍內的主要工藝開挖長度配置施工設備，避免因配置不足影響施工進度，也不能過渡配置造成資源浪費。

[1]杜永昌．高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M]．北京：科學技術文獻出版社，2006

[2]杜永昌．鐵路工程施工裝備選型配套手冊[M]．北京：中國鐵道出版社，2010