沙坝隧道施组

初 步 施 工 设 计 方 案

中铁第十五工程局

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

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20°12′39″，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米式类明洞、125米类、7560米类、242米类、15米类偏压衬砌、8米式类明洞衬砌。本方案中，出口将采用臂式掘进机非钻爆法开挖。

3、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米式类明及15米类偏压衬砌，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米类围岩，作为悬臂式掘进机非钻爆法施工试验段，长台阶（台阶长242米）或微台阶（台阶长1.5～2.0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（FibermeshTM）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1940米类围岩，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米类围岩段，预留台架法钻爆、无轨运输施工模式。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

4.3洞外临时、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、单工作面月成洞150～200米。考虑到其他因素影响，施工能力一般不会低于平均单口、单工作面月成洞100～140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、单工作面月成洞120～150米，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

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）：15m×3m×3.25m（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；

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：≥150m3/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30～60m3/h，最高可达80m3/h。国外悬臂掘进机的岩石切割能力一般在50～80m3/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80×1.5=120 m3/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，悬臂掘进机的施工能力。

表一：悬臂掘进机施工能力对照表（单线电化铁路）

岩石

切割

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

出口段预留自制台架法钻爆、无轨运输施工模式。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米式类明洞、125米类围岩施工。

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米式类、15米类偏压衬砌施工，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：

求解上述关系式可得：L=3285米，t=36.4个月。即最不利工期比合同工期短，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120～150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，φ22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。

出口段CIK298+332～CIK298+340，8米式类明洞，采用传统短台阶分部开挖法施工，及时封闭成环。

7.2出口段类（偏压）段施工

出口段CIK298+340～CIK298+355，15米类偏压段，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+090～CIK298+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+090～CIK298+332段，全长242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。

7.4悬臂掘进机非钻爆全断面开挖施工模式

CIK296+150～CIK298+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。

图    七

7.4.2开挖及装载

利用悬臂式掘进机全断面开挖。先在掌子面开0.5m深的槽口，再逐步旋转式扩大开挖，同时进行装碴作业。

7.4.3无轨运输出碴

利用悬臂式掘进机装碴，10吨自卸汽车出碴。去除辅助作业及设备维修时间，平均每天至少可掘进10个小时以上。

由于仰拱、铺底先行，需仰拱施工防运输干扰作业平台导车。导车方式如图八。

图   八

预计悬臂式隧道掘进机最高开挖速度40m3/h，松散系数取1.5，则松碴产量为60m3/h，1m3/min。单车装碴5 m3，装一车碴需5分钟。行车速度（含空车倒行）平均为15km/h，最高车流密度为（15000÷60）×5≈1250米。设碴场距洞口1km，则自CIK296+332至CIK298+150，需出碴用自卸汽车2～5辆。为方便会车，需利用设计的大避车洞位置，扩大开挖宽度、长度，在洞内设置一定密度的会车洞。

7.4.4超前支护

利用自制多功能台架和风动凿岩机，在隧道开挖的同时打设锚杆。喷砼作业可与衬砌同时进行，利用多功能台架、湿喷机进行喷砼作业。在围岩破碎带，可停止开挖，有限支护。

水平层页岩不易成孔，采用半自进式锚杆。砂岩成孔性好，采用普通砂浆锚杆。

7.4.5防水板、仰拱、铺底、衬砌

停止掘进时，防水板、仰拱、铺底、衬砌平行作业，仰拱、铺底、衬砌的砼浇筑依次进行，每次推进8米。利用多功能台架作为防水板施工的作业平台。铺底砼标号可适当提高，由于砼用量小，可以在几个小时内完成。

衬砌：用全断面钢模衬砌台车，两套模板（8米/板）交替使用，先墙后拱，一次衬砌成型。由于非钻爆施工超挖不多，每板衬砌的砼用量只有35～40m3，且仰拱、铺底先行，台车就位容易，衬砌速度比通常方法要快很多。

砼洞外拌合：2台JSY500A砼搅拌机。

砼运输：2台JCD6A砼输送车，1台HD60砼输送泵。

7.4.6局部钻爆法施工（预留施工方案）

个别地段石质坚硬，利用悬臂式掘进机不易开挖时，需采用钻爆法施工。

钻孔：恢复多功能台架的下层平台，利用三层平台，同时上10～12支风作业。

临时支护：利用多功能台架。

出碴：利用悬臂式掘进机装碴，自卸汽车运碴。

7.4.7施工排水

该段为3‰上坡施工，可以自然排水。由于隧道涌水量大，加上施工用水，在没衬砌地段，需沿隧道两边开凿排水沟。已衬砌地段，单边永久水沟、电缆槽紧跟衬砌施工。水沟用于排水，电缆槽用于放置进洞电缆。

7.4.7高压风

洞口配备3台L-22/7型压风机，总排气量66m3/min，可同时为12支风动凿岩机供风。

7.4.8洞内施工用电

高压进洞，洞内设KSGZY-315/6移动变电站（低压1140V）一台，给臂式掘进机的切割电机供电。考虑到臂式掘进机用电的特殊性，另配SJL1-360/6变压器（低压380V）一台，为掘进机液压系统、刮板输送机、混凝土输送泵站、喷砼设备、照明等设备供电。

KSGZY型移动变电站如图九所示，由高压负荷开关箱、干式变压器和低压馈电开关箱三部分组成。技术性能如下：

额定容量    315KVA            500KVA            630KVA

原边电压    6KV                6KV                6KV

副变电压    1200V/693V            1200V                1200V

原边电流    30.3A                48.2A                60.6A

副边电流    151.5A/262.5A        241A                303A

允许温度    130℃                130℃                130℃

外形尺寸    2200×820×1240    2300×870×1430    2400×920×1550

生 产 厂    沈阳，抚顺

图    九

7.4.9通风、除尘

通风：在洞外采用2DT-12.5型通风机，φ1400㎜/DSR型软质风管，将新鲜空气压入掌子面附近。风量1800m3/min，全压5000Pa，功率2×110KW，可保证在2000米的工作面风量不少于1150 m3/min，风速不低于0.348m/s。

由于车流密度小，内然废气在时间上更分散，所以施工环境将比现今的无轨运输出碴情况好得多。

除尘：在多功能台架顶层（喷锚作业面）和臂式掘进机台板上（掘进作业面），各安装一台国产湿式除尘器除尘。型号JTC-1型。主要技术特性如下：

处理风量150～200m3/min            过滤器工作阻力981Pa

除尘效率95～98%                    耗水量24L/min    

外形尺寸3.0×0.8×1.4米        质量250Kg

从英国引进技术国产化，镇江煤矿机械厂生产。

7.4.10洞内施工测量、位移量测及实时导向定位控制

配备莱佧TCRA1101型电动全站仪，兼具激光经纬仪功能，可以同时完成隧道控制测量、无接触断面测量、隧道掘进机实时定位放线、激光指向、隧道位移量测等工作。再增配1台数字水准仪及隧道周边收敛计等设备，可以建立比较完善的隧道测量、量测系统。这样就形成隧道开挖机械化、自动化作业线。

7.4.11相关图、表

a：掘    进

b：喷砼、仰拱、铺底、衬砌

图    十：臂式掘进机模式施工配套方案。

以上述配套设备为基础，如需将无轨出碴换为有轨出碴，仅需开发配套的转载输送机（该项开发很容易实现），并将“仰拱施工防运输干扰作业平台”改为“防运输干扰过轨梁”，就可以形成有轨运输施工设备配套模式。

8.1明洞及类围岩段

基本同出口。

8.2门架台车模式

CIK290+400～CIK293+815段，采用门架台车全断面钻爆开挖、全断面衬砌施工。

8.2.1主要配套设备

掘进：门架台车钻爆，挖掘装载机装碴，梭矿出碴，浮放道岔；

仰拱、铺底先行：防运输干扰过轨梁；

衬砌：全断面钢模衬砌台车（每板衬砌8米）。

8.2.2钻爆

轨行式门架凿岩台车钻爆，钻深4.5米，每循环进4米。

8.2.3有轨运输出碴

利用德国312挖掘装载机装碴，8立方梭矿出碴。成洞地段铺设双轨，每200米设渡线一付，方向一正一反。开挖地段铺设单线，每隔一定距离加会车道。仰拱施工地段设防运输干扰过轨梁。

8.2.4超前支护及喷砼

利用门架凿岩台车打设锚杆。芬兰诺麦特SPRAYMEC9150WPC砼喷射机组喷砼。

8.2.5衬砌

使用全断面钢模衬砌台车（两套模板，8米/板），先墙后拱，一次衬砌成型。

8.2.6施工排水

该段为上坡施工，可以自然排水。未衬砌地段，沿隧道两边开凿排水沟。已衬砌地段，永久水沟、电缆槽紧跟衬砌施工，水沟用于排水，电缆槽用于放置进洞电缆。

8.2.7通风

通风竖井配合机械通风。洞外采用ZDT-12.5型通风机，φ1400㎜DRS型软质风管，将新鲜空气压入掌子面附近。在3000米距离的掌子面，风量可达1000m3/min，风速不小于0.15m/s。

8.2.8洞内施工测量

配备莱佧TCR1102型电动全站仪，兼具激光经纬仪功能，可以同时完成隧道控制测量、无接触断面测量、激光指向等工作。

图  十一：门架台车模式施工配套方案。

进口门架式台车模式成套设备表

9.1斜井施工

钻爆法施工。斜井断面尺寸：宽4米、高4.5米。进入正洞后扩大断面，在洞内组装多功能台架和衬砌台车，形成自制台架施工模式。

9.2自制多功能台架模式

采用自制多功能台架全断面钻爆开挖、临时支护、防水板作业，衬砌台车全断面先墙后拱衬砌，仰拱、铺底紧跟，立爪扒碴机装碴，有轨运输出碴。施工方法及设备配套基本同门架台车模式，差异表现在如下方面：

9.2.1钻爆、出碴、临时支护

用自制多功能台架钻眼，钻深3.5米，每循环进3米，可同时上4～12支风动凿岩机平行作业。斜井设卷扬机等辅助牵引装置。砼湿喷机喷砼。

9.2.2施工排水

斜井底设积水井，泵送排水。

9.2.3通风

洞外设置2台ZL-6Z-11.2型通风机，串联布置，φ1250㎜WSFG型软质风管，将新鲜空气压入洞内。如果臂式掘进机使用效果理想，隧道出口段提前与斜井段贯通，继续采用非钻爆法施工时，可以利用斜井，改善通风效果。

图  十

二：多功能台架模式施工配套方案。

斜井自制台架模式成套设备表

自铁道兵时期，我局就积极承担贵昆线梅花山隧道，南昆线二排坡隧道，南疆线奎先隧道等长大隧道施工任务，具备丰富的长隧施工经验，掌握了先进的长隧远距离通风技术和快速施工设备配套技术。

我局领导高度重视科技进步和四新技术推广应用。先后高质量完成了南昆线乐善村2号隧道，中等长度单线隧道无轨运输施工机械设备配套的研究等多项科研试验任务，取得多项科技成果。在科技进步方面舍得花大本钱，从有限经费中，每年拿出几百万元用于科研开发。先后引进了GPS卫星定位系统、TCRA全自动跟踪测量系统、砼拌合站自动计量系统、仰拱、铺底防运输干扰作业平台等先进的施工、测量、计量、试验设备，可以为该工程试验项目提供有力支持。

自80年代起，我局就引进了多台2～4臂凿岩台车、挖掘装载机等隧道掘进、装载设备。通过多年使用和研究改进，摸清了此类设备的规律，积累了丰富的维修经验。对研制中的臂式掘进机，我局也积极跟踪研制情况，并委托河北省邢台矿务局培训悬臂式掘进机司机及维修人员。

我局与臂式掘进机的研制单位有长期合作关系，取得了很好的联合科研攻关业绩。如隧道通风机、通风软管、路基边坡压实机等项目工业性试验，都是在我局完成的。长期合作中结下了深厚的友谊，可保证更加密切地合作。在沙坝隧道施工时，将可聘请到研究、制造单位技术专家作现场技术指导。

我局自1996年，在全系统率先取得ISO9000标准质量体系认证以来，通过几年运行，建立了较完善的质量体系，可以在保证工期的前提下，高质量完成工程和科研任务。