乌蒙山2号特长隧道横洞工区施工设计
石雪峰苗增润李向海柴永模
文摘：乌蒙山2号特长隧道位于第三亚欧大陆桥的中国云贵山区，隧道横洞工区独头掘进约6.4km且处于工期关键线路。本文就该工区横洞、平行导坑和正洞多工作面的有轨施工方案、洞外场地布置、轨道运输系统、通风设计、资源配置及工期安排等进行了实施性优化设计，尤其在轨道布置、设备选型和通风设计方面有独特之处，可供铁路客运专线特长隧道钻爆法有轨运输参照、选用。
AbstractWumengshantunnelline2islocatedattheYunguimountainousareawherepartofthethirdAsia-EuropecontinentalBridgehaspassedthrough.Thehorizontaladithasbeenadvancedfor6.4kmfromoneportalanditisonthekeyline,.Inthispapertheoptimizeddesignsofhorizontaladit,paralleladit,railconstructionprogramofmultiplefaces,arrangementofsiteoutsidetunnel,tracktransportationsystem,ventilation,resourceallocationandconstructionperiodarrangementarecarriedout,withitsuniquenessintrackarrangement,equipmentselectionandventilationdesign,whichcanbetakenasareferencefortheextra-longtunnelsonpassengerdedicatedrailwayline.
关键词：特长隧道钻爆法有轨运输施工设计
Keywords:Extra-longtunnel;Drill&blastmethod;Tracktransit;Constructiondesign
1工程概述
1.1隧道工程概况
乌蒙山2号隧道位于第三亚欧大陆桥中国贵州省威宁县龙场乡境内，在既有贵昆铁路梅花山车站至扒挪块车站之间，隧道起、迄里程为DK276＋090～DK288+356,全长12266m。初步设计分进口、横洞、出口共3个工区同时展开施工，其中横洞和出口工区由中铁十三局二公司承建，担负的正洞施工长度为10131.94m，横洞工区处于工期关键线路，工程监理范围示意见图1。
图1横洞工区工程范围示意图
1.2隧道设计
隧道出口DK287+809～DK288+356段为4线大跨车站隧道，其中DK287+809~+843段为双线至4线隧道的断面渐变段；
DK283+000线路左侧设有轨双车道运输横洞一座，长1590m，横洞中线与隧道中线平面夹角为13°20′47″；
自横洞末端DK283+000至278+900向进口方的隧道右侧30m，设有轨单车道+会车道的平行导坑一座，长4100m。
在DK284＋500附近增设斜井一座，斜井长度约200m，坡度约11％，以利横洞工区组成巷道式通风条件。
1.3隧道工程地质、水文情况
(1)地层岩性属第四系、三叠系、二叠系之黏土、粉质黏土，滑坡堆积、块石土、砂岩、泥岩，灰岩、白云岩夹泥质灰岩，页岩夹砂岩、泥灰岩，页岩夹泥灰岩、泥质灰岩、泥岩夹泥灰岩、泥岩夹砂岩、煤层及断层角砾等；
(2)隧道通过树舍向斜及阳关寨枢纽断层、赵家沟逆断层、树舍平移断层、高松树逆断层和小田坝2#逆断层、银坪平移断层等一组向斜和六个断层破碎带；
(3)地下水主要有岩溶裂隙水～管道水、断裂带和基岩裂隙水，断裂带裂隙水丰富、岩溶水较发育，部分地层含石膏对砼具有侵蚀，隧道最大涌水1.5万m3/d；
(4)本隧道不良地质主要由岩溶、滑坡、危岩落石、岩堆及断层破碎带、特殊岩土石膏等，其中，岩溶中等～强烈发育，施工极易遭受大量涌水及突水、突泥的危害；
(5)各构造带及可溶岩与非可溶岩接触带为产生岩溶突水突泥的高危部位。
1.4工程主要难点
(1)横洞工区独头掘进6.3km，是控制本隧道工期的关键；
(2)洞口场地狭小，存碴量有限，设计碴场最终高程比横洞洞口高程高20m左右，给碴场轨道布置和运输设备选型带来很大困难；
(3)独头掘进长度达6.3km，必须寻求巷道式通风方式，才能解决多工作面的通风换气问题；
(4)由于工期紧，主洞高峰期须设三个开挖面，出碴、进料量很大，需精心设计轨道运输系统、选配运输设备、并达到安全组织运输；
(5)隧道工程地质极其复杂，隧道设计有对断裂、岩溶、涌水及突泥等地质情况开展一、二、三级不同强度级别的超前地质预报，以提前探明地质，预报可能发生的地质灾害，并采取相应的工程措施。
2施工方案设计
2.1横洞及平行导坑施工
图2横洞掘进断面内轮廓图
横洞断面设计为双股轨道运输断面，断面布置图见图2。
(1)横洞和平导均采用钻爆法、无轨装碴、有轨运输方式掘进；
(2)钻孔爆破：采用人工8～9台手持式凿岩机钻孔、人工装药、非电毫秒导爆管起爆、光面爆破施工技术，进行全断面开挖，循环进尺3.5m，每天3～4循环，日进尺8～12m；
(3)装碴运输：在距洞口50m内采取无轨运输方式，用ZLC40C装载机装碴，8t自卸汽车运输，每荐炮在2h内出完碴；
(4)横洞掘进50m后换用新购的ITC312履带挖装机装碴，8t自卸汽车运输，每荐炮可在1h左右出完碴；
(5)掘进3个月后，横洞掘进总长达500m左右时，铺设轨道并更换成有轨运输系统，即一台25t内燃低污染机车牵引3辆25m3梭式矿车至弃碴场，此时，列车数量3列即可；
(6)横洞轨道采用4轨3线铺设，开挖面铺中心两轨，以利ITC312挖装机装碴和梭车接碴，在开挖面后100m位置，设对称道岔，将后部变成4轨双股轨道，并利用横洞口的2付渡线道岔，组成列车会让站及机车回龙线路，见图3；
图3横洞施工轨道布置图
(7)前面两轨用轨枕固定，对称道岔以后4轨，固定在隧道仰拱面上，轨距900mm，43kg/m钢轨，4轨双股轨道的线间距为1940mm，确保会车安全间距200mm时，允许车辆的最大宽度为1740mm；
(8)当横洞掘进到平导DK283+000位置时，用WZ160挖装机、风钻、通风机等导坑掘进设备进入横通道掘进，当达到正洞掘进面后，转向大里程掘进隧道上部导坑，以求与斜井大导坑尽早贯通，此时，横洞顶部布置的3条通风管分别向平行导坑、正洞掘进面(大风管)和正洞大里程方面的导坑掘进面压入新鲜风；
(9)由于本工区施工的关键线路是横洞---平导---正洞，为此，横洞到达后，其掘进配套设备快速掘进平行导坑，循环进尺3.3m，每日完成4个循环，月平均掘进速度达330m，平行导坑断面内轮廓及布置见图4；
图4平行导坑断面布置
(10)平导掘进与正洞新开掘进面平行作业，按正洞工作面最多为3个计算运碴和进料量，组织运输生产，因此，在平行导坑内设计有3处会车站，横洞工区的轨道布置图见图5；
图5横洞工区洞内轨道布置示意图
(11)平行导坑通过横通进入隧道正洞，横通道与正洞夹角为40度，通道口设单开7号道岔，线路最小曲线半径按45m设置；
(12)遇到溶洞地段时，施工中应进行详细勘查、了解地表水与出水点的联系、工序间紧密衔接、加强顶板检查及处理危石、多打浅眼和控制药量的爆破和实施超前支护或预祝浆等，采用引排水、堵填、跨越和绕行施工等措施通过，确保施工安全。
2.2横洞工区隧道正洞的施工设计
2.2.1横洞工区隧道正洞快速掘进
(1)横洞掘进1590m即平行导坑的起点后，可进入正洞开设掘进面(开挖断面约130m2)，也从横洞口取新风压入，当压入式通风长度超过2000m后，实现工区正洞快速掘进条件，必须是平导与正洞之间形成巷道式通风；监理工程师论坛http://bbs.job2299.com/
(2)在DK284＋500附近增设斜井一座，斜井长度约200米，坡度约11％，斜井掘进至隧道正洞位置后，须尽快按斜井断面向隧道小里程方向快速掘进上部，以求与横洞进入正洞并往大里程方向的导坑贯通，方能使横洞工区各掘进面形成巷道式通风条件；
(3)正洞采用全断面和微台阶为主的钻爆法施工时，循环进尺为3.5m，每日掘进2个循环，平均日掘进6.2m/d，月掘进160m左右；
(4)正洞工作面中心铺设单股轨道，用长12.5m的钢轨延伸轨道，采用无轨机械装碴、有轨运输的出碴方式；
(5)两台国产ZL50C型装载机(或1台挖掘机+1台ZL50C装载机)向3辆25m3搭接梭式矿车中装碴；
(6)距掘进面120m至220m位置分别铺一付对称道岔，组成会让站，确保正洞工作面不间断装碴；
(7)运输线路和道岔可满足列车运行速度达15km(重车)、25km(空车)条件组织运输；
(8)平行导坑经横通道进入正洞里程DK280+000，开设正洞第二个掘进面；
(9)按正洞最多开设3个工作面(此时平导掘进结束)计算运量，经过编制不同配置列车的运行图比较，釆用洞内外无线列调技术指挥行车，本工区用8列3x25m3梭式矿车编组运行，另外在横洞口增设1台25t内燃机车，助推列车上坡至碴场卸碴，即可满足运输要求；
(9)定购的3列25m3梭式矿车不仅可以搭接成列接碴、转载、搭接运行和搭接端头卸碴，而且可利用梭车两个走行转向架，通过道岔运行在相邻的两股轨道(两股轨道的线间距为2.5m左右)上，实现3台梭车横向行驶并沿两股轨道外侧卸碴，是本搭接梭车的最新亮点。
2.2.2正洞仰拱和二衬施工
(1)平行导坑至正洞的横通道按间距360m或420m设置，使隧道仰拱和二衬施工可以落后掘进一个横通道距离施作，以减少掘进、仰拱和二衬作业间的相互干扰；
(2)仰拱底的开挖可采用挖掘机和人工辅助完成，出碴使用梭车并从掘进的出碴横通道运出，这样，可不设仰拱栈桥；
(3)整幅浇注仰拱、填充及矮边墙，即用2台混凝土泵向仰拱模板内对称灌注混凝土；
(4)二衬施工紧跟仰拱，衬砌台车轨道固定在底部填充混凝土上面，以减少台车的下沉误差，与仰拱共用2台混凝土泵，从二衬台车两侧对称灌注混凝土至拱顶，以减少衬砌台车形变误差；
(5)仰拱和衬砌台车每循环衬砌12m，仰拱3天完成2个循环，月完成220m至230m，衬砌台车每2天完成1个循环，月衬砌完成155m至175m；
(6)仰拱和二衬工序之间，设置一台挂防水板台车并挷扎钢筋。
2.3横洞洞外场地布置和卸碴
(1)横洞出口左侧是山沟的下游，沟深约15m且场地较宽，由于是古滑坡，距下游既有铁路约1.5km，不宜在滑坡上弃碴，以免造成牵动古滑坡而影响既有铁路运输；
(2)在横洞出口约60m处的横沟下游砌筑沟坝，坝上游的主沟和支沟是横洞工区和斜井工区的共用弃碴场，见图6，由于碴场容积有限，碴场的最终堆积高程比横洞口高程高20m左右；
图6横洞外场地及碴场轨道布置图
(3)轨道在洞外的布置原则是尽可能展线，展线坡度按2％设计，最小曲线半径为R45m，轨道向两沟的上游方向延伸，以提高碴场高度，达到增大碴场容积的目的；
(4)为了减少梭矿列车的弃碴时间，选用的搭接梭车不仅可以搭接端部卸碴，而且还可以不摘钩使3台梭车的两个转向架分别走两股道，实现3台梭车在两股道上横向沿轨道外侧卸碴，两股轨道中心线间距约2.5m，卸碴最近点距轨道有0.8m左右，有利轨道稳定；
(5)除选用25t的内燃低污染机车完成洞内大能力快速运输工作外，横洞口备1台25t牵引机车，以利用2台25t机车推顶3辆搭接梭矿列车上2％坡道至碴场不摘钩卸碴；
(6)碴场配备一台装载机或挖机，以协助碴场道班完成轨道延伸、养护和换铺作业。
3施工通风系统设计
(l)乌蒙山2号特长隧道需多工作面平行施工，横洞掘进结束和进入平行导坑掘进900m期间，独头掘进长度约达2500m，本工区平导、正洞和正洞中向大里程方向的上导掘进面，均釆用横洞口三台风机通过管道压入新风至3个掘进面的通风最初阶段；
(2)平导和正洞继续向小里程方向掘进，必须与斜井工区上导掘进面贯通为条件，形成隧道巷道式通风阶段，此时，整座隧道废气都从斜井排出，横洞成为新风进入通道，通过平导中布置局部风机和管道向各掘进面送风，乌蒙山2号隧道三个工区通风系统设计见图6；
图6鸟蒙山2号隧道三个工区通风系统设计
(3)设计为压入式通风阶段的风机、风管，考虑了与巷道式通风阶段的局部风机的通用化设计，图中F1、F2和F3均系压入式通风阶段使用过的通风机，F0是巷道式通风阶段新设计并安装在斜井口的大流量、低耗能的低压抽风机；
(4)横洞工作面风量按允许平均风速0.25m/s计算为Q1，即工作面最少风量应为Q1=25×0.25×60=375m3/min；
横洞取一次爆破炸药用量125kg，通风15min后开始装碴，工作面风量为Q2=260m3/min；
按运输机车独头掘进通风最大长度2000m，洞内牵引重车2辆，空车1辆，内燃机功率270kw/辆，ITC312为电力驱动，机车重车1％下坡负荷率为0.65,空车负荷率为0.3,利用系数为0.8,实际最大功率为：
∑N=2×270×0.65×0.8+270×0.3×0.8=346kw
稀释内燃车辆废气所需通风量按每kW需4m3/min计算风量Q3。
Q3=4×346=1382m3/min，所需量取Q1、Q2、Q3之最大值1382m3/min。
风机风量考虑海拔高度2000m的影响，风量增加20%，实际取通风机设计风量为1800m3/min。
(5)风机全压及功率
取通风软管直径Φ1.4m，2000m管道，风阻系数
Rf=(6.5аl)/D5=(6.5×0.002×2000)/1.45=3.42N·S2/m8
管道通风压力损失
hf=RfQ2/Pc=3.42×302/1.66=1854Pa
取设计全压2200Pa.
(6)F1通风机选用天津市通创风机有限公司生产125AD-FS90型变级调速轴流通风机，设计风量为1800m3/min,全压2200Pa,电动机功率为95kw，双级调速。
(7)从斜井抽出的总风量应能大于平行导坑继续掘进和向正洞施工的各工作面局部风机的风量之和，并留有增加工作面的余地。经计算确定从斜井抽出风量总和为9600m3/min,采用2台风机并联抽风，每台风机的风量为4800m3/min,全压取750Pa，电动机功率为84kW，需专门设计制造。
(8)该通风方案关系到乌蒙2号隧道工程三个工区成败全局，各工区必须合作协调，方可取得施工最大胜利。
4主要资源配置
4.1主要机械设备配置
(1)轨行主要设备
轨行主要设备见表1
表1轨行主要设备配置表
序号 设备用途 设备名称 型号 单位 数量 备注 1 出碴运输设备 内燃机车 25t 辆 8 2 搭接梭矿 SSD25 节 9 3 搭接梭矿 SSD20 节 16 4 挖掘装载机 ITC312 台 1 德国 5 挖掘装载机 WZ160型 台 1 南昌凯马 6 装载机 ZL50C侧卸式 台 7 7 履带挖掘进 CAT320C 台 4 上海 8 轨
道
及
配
件 钢轨 43kg/m m 28000 9 钢枕 [12.6/1.3m 根 16650 10 木枕 15×15/1.5m 根 1200 11
12 单开道岔 7号左开 个 11 7号右开 个 11 13 对称道岔 5号 个 7 14 渡线道岔 6号 个 3 15 轨用垫版 43kg/m轨用 块 2400 16 道钉 个 9600 17 鱼尾板 43kg/m钢轨 个 4480 18 螺拴
螺拴 M22×135 个 13440 鱼尾板 19 M20×80 套 35986 钢枕 20 扣板 70型 块 35986 21 轨道维修设备及工具 门吊 10t 台 1 维修站 22 材料平板车 载重8t 台 3 23 起道机 液压 个 6 24 千斤顶 手动50t 个 2 25 千斤顶 手动20t 个 2 26
混凝土设备 轨行模板台车 长12m 台 2 27 挂防水板台车 长6m 台 2 自制 28 混凝输送灌车 6m3 台 6 29 混凝土泵 HB60型 台 4 30 砼喷射机 TK961 台 5 成都 (2)其它设备
横洞工区其它设备配置见表2
表2横洞工区其它主要设备配置
序号 机械设备名称 规格型号 产地 数量 备注 1 自卸车 8t 東风 3 新 2 混凝土搅拌机 HZS50 山东 2 2 3 风动凿岩机 YT28 天水 100 新 4 空压机 20m3 蚌埠 4 1 5 空压机 40m3 天津 2 1 6 轴流通风机 95kW 天津 3 新 7 电焊机 75kW 无锡 12 1 8 注浆泵 ZTG60/210 四平 3 2 9 发电机 200kVA 江苏 1 2 10 切筋机 QJ 洛阳 2 1 11 弯筋机 GW32 洛阳 2 2 12 变压器 630kVA 安庆 3 1 13 变压器 500kVA 安庆 2 1 14 管道增压水泵 150SG100-15 3 新购 15 无线列调系统 选购 深圳 1套 新购 16 射流通风机 SSF-6P-NO16型55 山西 3 新购 4.2施工给排水、供电方案
(1)施工用水在山坡上修建水池，再用直径200mm、150mm管道送入洞内，在洞内150mm管道适当位置，安装150SG100-15管道增压水泵(扬程15m、7.5kW/台)，提高水压并送到各用水工作面；
(2)施工排水沿洞内水沟自流排出洞外；
(3)横洞及横洞平导采用三相四线制供电，Ф185mm2导线为用电设备提供380V动力线，平均每公里电压下降约10％，3.5～4km的独头掘进长度电压将降低35%～40%，则所有以电为动力的设备将无法正常工作，因此，必须10kV高压电进洞供电；
(3)供电分三阶段布设，第一阶段在横洞掘进2km以内时，在横洞口建立一个变压站，安装2台500kVA变压器，负责洞口场地、横洞中掘进和出碴等设备用电；
(4)第二阶段为平导掘进超过2km时，采取70mm2高压电缆引10kV高压电进洞，在平导里程PDK282+500处，设变压器洞室，安装3台630kVA的变压器，为洞内各用电设备供电；
(5)第三阶段为平导掘进至PDK280+500里程处，再设一个变压器洞室，将原变压器洞室中的2台630kVA变压器向前移至PDK280+500处安装并供电；
(6)如变压器温度过高，可以设置一台15kw射流风机为其降温。
4.3劳动力配备
横洞工区安排1个隧道综合施工队，有开挖、支护、衬砌、出碴、机械加工、混凝土生产运输、碎石加工和后勤保障等7工班个。
高峰期劳力配置见表3。
表3横洞工区劳力配置
工班 岗位名称 数量 合计 备注 开挖工班 工班长 1×4 20×8＝160人 4个掌子面两班倒作业 风枪手 16×4 爆破排险 2×4 安全员 1×4 支护工班 立拱架 6×2 20×4＝80人 4个掌子面两班倒作业 喷射手 3×2 上料 6×2 拌料及运输 5×2 机加工工班 电气焊工 5 10 普工 5 衬砌工班 防水板安装 6×3 42 支模振捣和混凝土工 8×3 保障工班 空压机司机 2 30 装载机司机 2 电工 2 风水管维修 4 其它 20 砼拌和、运输和碎石加工工班 工班长 1 24×2＝48人 2班倒循环作业 拌合机司机 4 装载机司机 4 上水泥 6 砼运输 4 砂、碎石加工 10 运输工班 工班长 1×2 69×2＝138人 2班倒循环作业 挖装机司机 5×2 辅助挖装机人员 10×2 机车司机 14×2 列车无线列调 2×2 调度兼搬道岔 15×2 修理工 4×2 电工 4×2 电焊工 4×2 轨道拆装及养护 10×2 合计 508人 5施工进度计划
5.1各作业面进度指标
月掘进指标见表4
表4各工区不同围岩月掘进进度表
主要技术指标 Ⅴ级围岩（m/月） Ⅳ级围岩（m/月） Ⅲ级围岩（m/月） 横洞（中部平导）开挖支护 120 200 330 正洞（平导运输）开挖支护 60 110 170 仰拱、填充及矮边墙 每月230m(按3天2组计，每组长12m) 正洞二衬砌施工 每台台车175m/月（按2天一组，每组12m） 无碴道床施工 单作业面1450m/月，按每天一排50m计 5.2工期安排分析
(1)本标段工程施工合同总工期为37个月，到2010年4月30日完成全部合同工程，按提前1个月完成安排；
(2)横洞工区自2007年6月1日上场开始施工准备，至今己完成横洞掘进及仰拱施工约600m，具备了换成大能力有轨运输的条件，日后横洞的掘进速度可以稳定在270m至330m/月水平，照此计算，2009年4月30日平导可以掘进至终点PDK278+900位置，离标段分界里程DK278+224.06仅有约676m；
(3)2008年4月1日起，横洞工区在正洞内开始第一个全断面掘进工作面施工(里程DK283+000)，该作业面于2009年12月31日前完成3000m隧道的掘进和二衬任务至里程DK280+000处；
(4)2009年1月1日起，正洞内开始第二个全断面作业面掘进(DK280+000)，同年9月15日之前，完成至DK278+850m的隧道掘进、仰拱、填充、矮边墙砼和隧道二衬施工；
(5)从平导终点通过横通道进入隧道正洞的第三工作面并掘进于2009年5月20日开始至终点的626m隧道，在2009年9月30日之前完成掘进，10月开始用第二工作的模板台车完成最后626m隧的二衬任务，仰拱、填充、矮边墙的砼施工，可以采用栈桥与掘进同时施作，并在同年11月30日之前完成；
(6)无碴道床施工从本工区的大里程向小里程方向施作，釆用长50m(4根轨长)的排架2付，施作正洞内的双线无碴道床，每天完成双线50m，4100m道床可以在2010年1月l日至3月31日之间完成，至此，乌蒙山2号隧道的土建主体工程全面完工，比计划工期提前1个月。
主要参考资料
1铁道部第二工程局主编的《铁路工程施工技术手册上、下》；
2关宝树《隧道工程施工要点集》人民交通出版社，2003
作者信息例表
姓名 联系电话 Email 单位及职务 石雪峰 15985479989 6shixuefeng@163.com 中铁十三局集团二公司隧道公司经理横洞工区项目长 苗增润 15985479988 中铁十三局集团二公司
乌蒙山标段项目总工 李向海 13756656987 pretty-lxh@163.com 中铁十三局集团科技部科长 柴永模 13689096649 cym1941@163.com 中铁西南科研院研究员(退休)
6
|
|
