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导语 蒙华铁路隧道沿线穿越多种不良地质，工程施工难度大、风险高，控制性工程多。在总结和借鉴国内外铁路隧道修建技术的基础上，开展系列实践和创新： 1）针对软弱围岩确立快挖快支快封闭成环的施工原则，优先选用全断面法，其次选用台阶法，减少CD法、CRD法等复杂工法的应用； 2）强化初期支护结构实体质量，推行初期支护格栅钢架紧跟掌子面和初期支护仰拱及时封闭成环紧跟下台阶的“两紧跟”措施； 3）优化超前预报，把监控量测纳入工序管理，建立信息化平台，严格监控量测； 4）依托科研试验，优化系统锚杆、钢架和二次衬砌等支护参数，保证结构稳定； 5）推行机械作业，全面使用湿喷机械手、自行式仰拱长栈桥，研发应用马蹄形盾构，开展黄土隧道预切槽技术研究，改造二次衬砌台车等工装设备，确保工程质量； 6）据实及时变更，合理工程造价，提高合同及投资管理效果。 蒙华铁路通过多方面的探索和创新，有效解决隧道建设中一些突出的质量安全问题，保证隧道施工质量和施工安全。   引言 蒙西至华中地区铁路煤运通道工程（简称为“蒙华铁路”）是中国国家“十二五”规划纲要中的重大交通基础设施。 蒙华铁路隧道穿越砂层、黄土、砂泥岩、板岩、花岗岩、灰岩等多种地层以及富水断层、岩溶、瓦斯、湿陷性黄土、高地应力水平岩层等不良地质，施工难度大、风险高，控制性工程多。 蒙华公司在总结多年来铁路隧道修建经验和借鉴国内外先进技术的基础上，遵循隧道工程建设内在规律，结合蒙华铁路重载技术要求和建设管理机制，通过理论创新、管理创新、技术创新和试验段先行先试机制，取得成果后快速推广应用，实现了信息化动态设计，推动隧道施工管理和技术进步，有效解决了隧道建设中一些突出的质量安全问题，工程安全、质量、工期、投资得到合理有效控制。 1 工程概述 蒙西至华中地区铁路运煤通道工程连接蒙陕甘宁“金三角”地区与鄂湘赣等华中地区，是“北煤南运”新的国家战略运输通道。 线路北起内蒙古自治区浩勒报吉站，经内蒙古自治区、陕西省、山西省、河南省、湖北省、湖南省，止于江西省吉安站，全长1 814.5 km。全线隧道有228座、468 km，占正线总长的25.8%，其中大于10 km的隧道10座，最长的崤山隧道22.7 km。 隧道穿越砂层、黄土、砂泥岩、板岩、花岗岩、灰岩等多种地层以及富水断层、岩溶、高地应力水平岩层等不良地质，施工难度大、风险高，保证施工安全和施工质量是隧道建设的重中之重。 蒙华铁路线路里程长，施工队伍多且技术和管理水平参差不齐，进行高效组织与管理，实现参建各方合作共赢和共建目标，也是建设单位的重点工作。 2 加强超前加固支护，选择合适开挖方法 蒙华铁路隧道软弱围岩段约占总长的30%，主要有第三系未成岩地层、砂层及砂砾层、土砂层、砂泥岩互层、黄土及以黄土为主体的土质围岩、断层破碎带等。 针对软弱围岩确立了超前预加固支护、大断面快速开挖、初期支护快速封闭成环的施工基本原则，尽量加固保护和少扰动围岩，使围岩和结构共同承载。
通过合理的超前支护措施加固围岩后，优先采用全断面法施工，其次采用台阶法施工，实现快挖、快支、快封闭，提高了隧道施工机械化水平。 考虑围岩岩性和隧道埋深等因素，主要采用超前小导管注浆、双层小导管注浆、超前帷幕注浆、超前水平旋喷桩、地表注浆等加固手段，提高软弱围岩的物理力学性质，改善围岩条件。 软弱围岩段采用台阶法施工，减少了CD法、CRD法、双侧壁导坑法等复杂工法临时支撑等拆除工序和对围岩的多次扰动，大大缩短了隧道初期支护全断面封闭成环的时间（控制在6~10 d内），提高了施工工效，综合效益显著。 3 强化初期支护结构，以工艺工法和机械确保质量安全 明确隧道初期支护为主要承载结构，承担施工期的全部荷载； 二次衬砌作为结构安全储备，施工单位可根据监控量测信息，结合施工组织安排适时施作。 通过现场试验研究和理论分析，蒙华铁路隧道软弱围岩地段均采用格栅钢架支护体系。明确全线隧道（含辅助坑道）初期支护采用湿喷工艺，必须使用不小于15 m³/h的湿喷机械手施工，确保了初期支护混凝土质量，减轻了劳动强度和环境污染。
工程实体检测显示，蒙华铁路隧道初期支护全部达到或高于设计标准，有效保证了施工安全。
隧道初期支护仰拱封闭后及时回填洞渣以保证前方掌子面连续作业，后期采用自行式仰拱长栈桥（捡底一次不小于24 m，二次衬砌仰拱一次浇筑长度按台车长度控制），保证了基底无虚渣和积水，有效保障了工程实体质量。 在深埋老黄土、高地应力水平岩层等特殊段落，针对初期支护两侧拱腰或拱顶出现的混凝土开裂问题，创造性地采用限阻器，实现了初期支护结构变形在可变量内（单侧环向可压缩20 cm）动态调整，适应了该类地质条件下的围岩长期蠕变，有效控制围岩压力释放，保证了初期支护结构的安全。 该技术成功应用于阳山、段家坪等多座隧道，解决了初期支护混凝土开裂、初期支护侵界等问题，保证了隧道施工安全和结构安全。 4 优化超前预报，严格监控量测，指导设计施工 4.1.1 明确职责
4.1.2 预报原则 施工超前地质预报按照“简单地质条件从简判定，复杂地质条件由简入繁，特殊地质条件多手段验证”原则，采用地质调查与勘探结合、物探与钻探结合、长距离与短距离结合、地面与地下结合、超前导洞与主洞结合的方法，预报掌子面前方及周边一定范围的地质情况。地质复杂地段主要以掌子面地质素描、超前钻探和加深炮孔探查为主。 蒙华公司适当优化Ⅳ、Ⅴ级围岩的量测断面和量测频率，减少Ⅱ、Ⅲ级围岩量测工作量，进一步明确了不同岩层的预警管理值和管理办法。 要求监控量测必须纳入工序管理，真正做到“不量测不进洞，不安全不进洞”。全线采用“隧道施工监测信息化管理平台”，实现了监测数据采集、自动传输、分析和管理，参建单位技术和管理人员通过监测信息管理APP实现了手机实时查看量测数据。 监控量测通过变形总量、变形速率、初期支护表观现象和变形时态曲线等4项指标，对隧道施工安全进行综合等级管理，预警等级分为二级（黄色）和一级（红色）预警。出现预警时，信息平台自动发送预警信息至指定人员，各级管理人员能第一时间研究并采取处理措施，确保施工安全。其中，一级（红色）预警信息采取暂停施工、加强监测、启动应急预案等管理和工程措施。在现场实践中，通过监控量测预警并及时采取措施，消除了多次安全隐患，确保了施工安全。 5 依托科研试验，优化结构参数，保证结构稳定 自引进隧道新奥法施工技术以来，国内山岭隧道支护体系主要采用复合式衬砌。受工艺工装、技术管理、质量控制等因素的综合影响，往往存在“轻初期支护，重二次衬砌”现象，用紧跟二次衬砌来弥补初期支护质量不到位，并频频因初期支护质量问题引发隧道安全事故。 蒙华铁路遵循“隧道初期支护应确保施工期间围岩稳定及自身结构安全”的工程理念，积极开展科研试验，取得了初步成果。 系统锚杆的作用在业界争议颇多，主要是“锚杆万能论”和“锚杆无用论”。 针对锚杆施作专用设备较少、施作时间长、作业强度大、施工质量较难保证等问题，蒙华公司组织开展了锚杆试验。现场试验结果表明，无论岩石隧道还是土质隧道，系统锚杆的受力均很小，远远低于锚杆的设计强度，原因是: 1）施作时机滞后； 2）围岩本身的受力特征； 3）作业条件限制。 无论有无系统锚杆，初期支护的承载能力相比于受力状态均有较大的安全储备，特别对于软弱围岩隧道，不设系统锚杆能极大缩短围岩的支护时间，实现快挖、快支、快封闭。 根据试验成果及现场工程实践，蒙华铁路隧道初期支护设钢架地段原则上不设锚杆，同时加强钢架的锁脚锚杆（管）。其他地段锚杆结合现场围岩实际情况布设。 蒙华铁路原则上全部采用格栅钢架。型钢钢架刚度大，加工简单，架设后能较快速地提供对围岩的早期支撑作用，但质量大、架设难，与开挖面不易密贴，混凝土喷射不实；格栅钢架质量轻，安装快，用钢量少，能与喷射混凝土良好结合、协同受力。从受力角度，格栅钢架比型钢钢架应力小，且应力分布相对均匀。 为保证格栅钢架的制作质量，蒙华公司全线推广应用四肢主筋8字结连接格栅钢架，确定了H130、H150、H180、H230标准化钢架型号，全部采用工厂化集中生产、统一配送。高质量格栅钢架的推广应用，有效保证了初期支护质量和施工安全。 适当优化二次衬砌结构参数，可使隧道结构在安全的前提下工程更加经济、合理。蒙华铁路开展了二次衬砌结构试验研究。全线选取6座隧道，在Ⅳ、Ⅴ级围岩地段开展优化二次衬砌厚度、配筋等试验，取得了初步成果，并将进一步开展Ⅱ 级围岩取消二次衬砌试验研究。 6 鼓励机械作业，改造工装设备，确保工程质量 初期支护承担着隧道围岩荷载，对施工期间安全起到至关重要的作用，保证初期支护喷射混凝土的质量尤为关键。 蒙华公司强制要求拌合站集中供料，每个作业面必须采用湿喷机械手喷射混凝土。通过对全线隧道分布、工作面数量及开工顺序研究，分析了机械手合理配置数量和规格要求（不小于15 m³/h）。 蒙华铁路全线228座隧道，实际投入机械手339台，实现了施工掌子面全覆盖。蒙华铁路隧道施工工艺工法的优化为湿喷机械手使用提供了有利条件，尤其是全断面施工不需搭设台架，台阶法施工机械手能伸到掌子面，降低了工人劳动强度，减少了施工作业人员数量，现场仅2人即可操作，提高了施工效率。初期支护质量实体检测强度普遍高于设计值，有效降低空气中粉尘体积分数，隧道作业环境得到明显改善，保证了作业人员的职业健康。 白城隧道位于陕西省北部毛乌素沙漠南缘，为单洞双线隧道，隧道全长3 345m，隧道穿越地层为风积沙、粉砂、细砂、砂质新黄土，主要为Ⅴ、Ⅵ级围岩，最大埋深81 m。原设计为矿山法施工，主要采用CD法、双侧壁导坑法及三台阶大拱脚法施工。由于隧道下穿天然气管线、供水管线及包茂高速公路，隧道埋深浅，施工方法复杂，施工安全及工期风险较大。 蒙华公司多次对白城隧道施工方法和风险进行论证，经过多方比选，决定采用安全可靠的盾构法施工技术，控制施工期间邻近构筑物的沉降变形，降低施工安全风险。公司研究确定了盾构制作方案及技术参数，并将盾构优化为马蹄形结构，浅埋地段施工盾构管片厚度减少5 cm、隧道开挖断面减小15%。在白城隧道掘进工作中，通过采取加强观测、控制掘进参数、渣土改良、及时同步注浆和二次注浆等措施，保证了油气管线、供水管线、包茂高速的安全，提高了机械化施工程度，取得了良好的社会效益。 蒙华铁路开展了黄土隧道预切槽施工技术研究。通过联合机械加工厂家，引进国外预切槽施工技术，自行研制了拱架式预切槽超前支护设备，并在郝窑科黄土隧道进行了预切槽施工工艺试验研究和应用。通过试验确定了分块数量、切槽深度、搭接长度、外插角、喷灌混凝土配合比和强度等施工参数，达到控制土体沉降量极小的目标。预切槽设备的研制及应用可实现软土、软岩地质条件下的全断面、机械化施工，在复杂地质条件下控制地层沉降效果较好，但在不同地层适应性、切槽和灌注混凝土连续作业等方面还需进一步研究改进。 万荣隧道位于山西省万荣县境内，为单洞双线隧道，隧道全长7 683 m，其中粉细砂层段长1 200多m，设计主要采用管棚、旋喷桩超前支护，三台阶大拱脚临时仰拱法施工，局部地段采用CD法施工。施工中粉细砂地层分布不均，有全断面分布，也有半断面、局部分布，地层稳定性差，施工安全风险极高。 经过技术比选，在粉细砂层地段施工中采用了ST60和TY400水平旋喷钻机超前地层加固。根据砂层分布，在隧道开挖轮廓线及掌子面范围，按照15 m和10 m长分别超前旋喷加固、开挖12 m和7 m的循环方式，加固开挖轮廓线外及开挖掌子面的砂层，制定了全断面、半断面旋喷加固技术方案及工艺措施，优化了旋喷桩径和高压喷射参数，超前加固砂层后，隧道采用三台阶法开挖，加强锁脚锚杆施工质量，保证了施工安全。 隧道常用的二次衬砌模板台车混凝土浇筑所开的窗口多且窗口小，不便于振捣棒操作，输料管需要靠人工来回移动，作业强度大，现场难于实现逐窗浇筑，容易出现不密实和冷缝现象。 通过对二次衬砌混凝土现场浇筑工艺写实，蒙华公司对二次衬砌台车工装进行了改造，联合机械制造厂家研发了新型螺旋输送分窗浇筑模板台车，在模板台车上固定配置分料系统，输送料直接到达每一个窗口，优化了浇筑窗口的尺寸大小和位置，便于人工振捣。 逐窗浇筑工艺解决了混凝土易离析的问题，通过窗口采用人工插入式振捣，减少了混凝土表面蜂窝、麻面；配备了混凝土浇筑监测系统，通过隧道拱顶预埋继电器控制和判断拱顶混凝土是否灌满，有效避免了拱顶空洞，减轻了劳动强度，提高了施工质量。 7 据实及时变更，合理工程造价，实现合作共赢 工程变更、设计变更严格按照“先批准、后实施，先设计、后施工”的原则，依法按程序进行变更； 现场发生危及安全需要立即处理的情况，施工单位可采取应急处置措施，同时报建设、设计、监理单位，事后四方共同确认，纳入变更设计。鼓励参建各方根据现场实际情况，积极开展方案优化并推行优化节约奖励，按优化方案净节省工程投资的10%给予施工单位奖励补偿。 蒙华公司在开展诚信建设、分级管理的基础上，推行了分级授权自主变更设计。按照施工单位技术管理等级，将隧道开挖方法、超前支护方式、钢架间距调整、一定范围的围岩级别变更等交给施工单位自主确定，充分发挥施工单位现场管理和技术优势，激发施工单位自控自律、技术管理水平和现场质量安全管控能力，提高了生产效率和效益。目前全线隧道变更5 800余项，其中施工单位自主变更约2 400项，变更方案基本正确。 蒙华铁路采用单价承包模式，将隧道施工中的开挖、衬砌等项目的子项打开分别报价，现场实际量的增减都能体现在计价中，促使现场根据实际采取相应措施。根据现场实际，对单线隧道施工效率、使用湿喷机械手和仰拱长栈桥、钢结构集中加工配送等进行现场写实和测试研究，适时合理解决相关费用问题，对保证工程质量和施工安全起到了重要作用。 结论与展望 蒙华铁路作为国家投融资改革示范项目，在隧道建设过程中进行了多方面的创新和探索，蒙华铁路建设始终将项目工程质量安全放在首位，以质量安全为导向，研究制定符合客观规律和市场规则的建设管理办法，以工程质量保障了工程安全和施工安全，起到了较好的示范作用，其主要意义在于： 1）履行主体责任促进项目建设有序发展。蒙华公司从可研、初步设计、施工图阶段对勘察设计工作加强了管理，在保证项目功能定位的前提下，科学合理地确定了主要技术标准、线路方案、建设规模，对重大技术方案、工程措施等进行了优化，为项目建设奠定了坚实基础。施工期间责权分明，充分发挥施工企业技术优势，把技术方案、施工方法的选择权交给技术力量强的施工企业自主决定，充分发挥施工企业集团公司的技术优势，促使施工企业的质量自控体系高效正常运转，体现干负干的责任、管负管的责任，确保隧道施工质量安全有序可控。 2）优化施工方法推进隧道施工技术进步。隧道施工方法的选择与地质条件、施工机械、技术发展密不可分，但其宗旨始终是要保证施工安全。地质条件的复杂性导致了目前在隧道施工中产生很多开挖方法，但复杂的施工方法也会带来地层的多次扰动，工期、投资也会相应增加，在软弱地层通过超前加固改变地层性能，采用简便的开挖方法，实现快速、安全的目的，是隧道施工技术发展的方向。现场采取加强初期支护、控制台阶长度、及时封闭成环方法，这种简便的施工方法运用灵活、安全可靠，对促进隧道施工技术发展意义重大。 3）合理的机械配套提高现代化施工水平。机械化施工体现着技术文明的先进，在减少环境污染、减轻劳动者强度、改善作业条件上起着积极作用；根据隧道施工环境条件，不断研发实用新设备是蒙华公司追求的目标之一。隧道施工要从规模化、集中化、工厂化做起，落实钢结构集中加工，运用合适的大型挖、装、运机械设备，能提高隧道施工效率，二次衬砌仰拱混凝土大区段浇筑、二次衬砌台车分窗浇筑的模板台车改进、自动控制养护台车的使用，能从源头上保证隧道二次衬砌施工质量。 4）采用单价承包模式，实现单价合理、量价分离、风险共担，更加公平合理。通过据实计量、及时支付，大大提高了合同及投资管理效果，以人为本，及时合理、实事求是解决施工现场存在的费用问题，并控制分包单价合理，开展诚信建设、分级管理、班组长责任制，将技术、质量、作业标准落实到作业层、作业面，解决了质量管理“最后一公尺”难题，避免了“包而不管”、对班组“无手可抓”的现象，保证了工艺工法在作业层的可操作性，班组长的主动性、责任感和质量意识全面加强，避免了不合理的浪费，保障了参加各方的利益，实现社会和谐发展。  专家简介 |
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