单线长大铁路隧道机械化配套施工适应性分析
０ 引言
交通强国，铁路先行，隧道在铁路建设中占比很大，截至２０２５年底，投入运营的铁路隧道超１.９万座，总长超２.５万ｋｍ。近年来，机械化配套在隧道施工中应用范围越来越广。长大断面铁路隧道地质条件复杂，施工难度高。在建设过程中使用机械化配套施工，既可以减少施工工期，又能合理保障施工质量与安全，对于高品质、高质量地完成项目建设具有重要意义。
目前在单线铁路隧道机械化配套施工方面的技术尚不成熟。铁路单线隧道作业面狭小，大型机械洞内操作会受到一定限制，导致工效降低。如果大型机械适应现场施工问题无法妥善解决，机械化配套施工在单线隧道施工中的应用将会受到制约甚至失败。以三臂凿岩台车为代表的机械化施工属于钻爆法一种，金明等指出，随着隧道施工机械化进程发展，使用凿岩台车钻爆来替代风钻钻爆是今后地下开挖工程的发展进程之一。代聪等研究指出三臂凿岩台车在施工进度、环保、安全和适用性方面明显优于传统的人工钻爆方法。一方面，其相较于普通钻爆法减少了掌子面施工人数，改善了洞内作业环境，降低了发生事故的风险概率与工人劳动强度，进一步保障了施工的安全性。另一方面，采用三臂凿岩台车施工，缩减了质量管控环节，从而使得工程质量从责任人员操作到直接管理机械设备操作的转变，进一步提升了施工质量。
本文以曼木树单线铁路隧道３号斜井工区为例，从大型机械与隧道断面匹配性、加宽段设置、安全步距设计、全断面带仰拱开挖工法设计、超前预支护和掌子面稳定措施等方面入手研究、分析及解决适应性问题，以提高机械化配套工装在单线铁路隧道的应用效率。
１ 工程概况
１．１ 隧道基本情况
玉溪至磨憨铁路共有８座工期风险极高的隧道，需要从多方面研究解决工期风险的措施，曼木树隧道工期风险位列８座工期风险极高隧道之首。曼木树隧道位于云南西双版纳勐腊县境内，地处横断山脉，全长为１１６３７ｍ，隧道最大埋深为６６０ｍ，曼木树隧道原设计采用“１平导＋３斜井”的辅助坑道模式，平导长为１０６８ｍ，１～３号斜井分别长为１０６５、１６８９、１３１０ｍ。具有施工难度大、施工条件苦和地质条件复杂等特点。机械化配套施工方案作为玉磨铁路研究解决工期风险方案之一，滇南指挥部组织研究决定在曼木树隧道出口先进行机械化配套施工试验研究，待３号斜井进入正洞后进行推广。
隧道围岩主要以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主，隧道围岩主要为砂岩夹泥岩地层，中层状，弱风化带，砂岩为细粒结构，钙、泥质胶结，质较硬，一般厚５～２５ｃｍ，约占７０％，泥岩为泥质结构，泥质胶结，岩质软，局部层间有泥化现象，约占４０％。岩层走向与线路夹角约为５０°，倾向掌子面左侧及小里程方向，倾角约３５°。岩体情况为“较破碎－局部破碎”，结构面情况为“较发育－局部发育”，层间结合情况为“一般－局部较差”，围岩受结构面切割部分呈碎石状压碎结构，地下水一般发育。隧道结构断面为单线铁路无砟轨道形式，Ⅳ级围岩初期支护断面宽为７.３ｍ，高为８.５６ｍ，二次衬砌断面尺寸为宽５.４ｍ和高８.１６ｍ。Ⅴ级围岩初期支护断面尺寸宽７.４ｍ，高８.６１ｍ，二次衬砌断面尺寸与Ⅳ级围岩断面相同。Ⅳ级围岩衬砌净空断面图见图１。
１．２ 设备及工艺概况
施工中使用的传统设备主要有挖掘机、风钻凿岩机、液压泵送湿喷机和装载机等机械。这些传统设备限于一定时期的生产力水平，设计的固有参数主要以借助人工操作为基础，设备自身性能仅是辅助，导致施工工效受制于人工工效，整体施工效率较低，可能出现的操作失误或意外情况几率大大增多，唯有提高操作人员水平才能提高工效，机械设备的普适性不高。在装备了自行式仰拱栈桥、三臂凿岩台车、自动化防水板铺挂台车、湿喷机械手以及智能二次衬砌浇筑台车等进行机械化配套施工后，其施工工效相比于传统机械工艺明显提高。以湿喷机械手现场操作工效为例，其喷浆速度比传统的小型湿喷机更快，在花费更少工时情况下，也能保障喷射的安全及质量。通过采用机械化施工设备，改进施工工艺，并加强现场的施工组织管理，能有效发挥机械效能，提升工效指标。
２ 设备选型
由于单线隧道断面面积较小，为了便于设备灵活操作，采用轮胎式行走设备，并结合流水线作业工法，在掌子面与仰拱之间加宽隧道段进行错车，在施工完毕后开出隧道外。装备主要包括液压湿喷机械手、三臂凿岩台车、智能化二次衬砌浇筑台车以及自动化防水板台车等，设备及其装备性能见表１。
３ 机械化配套工装适应性分析
３．１ 设备操作断面分析
根据凿岩台车尺寸、性能及多方面情况考虑，隧道最小断面尺寸为５.４ｍ×８.１６ｍ，满足设备操作和进出隧道的要求。维持现有衬砌断面尺寸不变的条件下，在无二次衬砌混凝土浇筑时，全部装备可在掌子面与仰拱之间或加宽段内完成错车。无干扰情况下，在二次衬砌混凝土浇筑时，罐车在车辆进入掌子面后再进入二次衬砌作业面。三臂凿岩台车过台车示意见图２。三臂凿岩台车与装载机、输送泵错车平面图见图３、图４。
如图３、图４所示，为确保开挖与支护工序的安全衔接以及施工能有序进行，三臂凿岩台车、灌车和装载机等均在掌子面与仰拱之间错车。由于在二次衬砌施工时，需要先进行掌子面的开挖支护，因此，其混凝土的浇灌时间会增加。按照Ⅴ级围岩浇筑每延米需８.６ｍ³的混凝土计算，第一板二次衬砌共需要１０３ｍ³混凝土。按照每延米断面增大１０ｃｍ来考虑二次衬砌预留变形量的影响，仰拱的环向混凝土长度为２１ｍ，每板二次衬砌共需要最大方量的混凝土体积约为１３０ｍ³。以灌车容积为７.５ｍ³计算，须要约１８车混凝土。因曼木树隧道最大施工区间长度小于２ｋｍ，以１ｋｍ来计算影响长度，对现有输送泵的泵管改装后，每板二次衬砌每个工序的混凝土罐车平均等候时间为１０ｍｉｎ，最多可穿插到开挖支护中的２个工序，每月可浇筑７板，计算得到的干扰时长为１４０ｍｉｎ。综上所述，当隧道内正洞的断面宽度大于等于５.４ｍ时可满足机械化配套施工。
３．２ 开挖工法分析
不同开挖工法对隧道围岩稳定性产生不同程度的影响，机械化配套施工相比于传统施工工艺优势明显。传统施工工艺如三台阶法，难以满足需占用较大空间大型机械化配套设备的施工要求。台阶法更适用于双线、三线等断面面积更大的隧道施工，若隧道断面较小，特别是单线隧道，其施工空间有限，大型设备不利施展，存在一定局限。因此，为确保单线隧道的围岩稳定性，需要使用全断面带仰拱开挖，全断面带仰拱开挖工法图见图５。只有进一步增加每循环开挖的进尺数，才能有效提升机械化设备配套施工的工效。
根据现行隧道相关施工要求，Ⅳ级围岩的仰拱和拱墙部位通常不设拱架。但采用大型机械化配套施工后，步距和每循环进尺相应增长，从施工安全角度考虑，原本的Ⅳ级围岩的拱架结构参数存在一定安全风险。为解决这一问题，需在第一时间尽快使隧道实现封闭成环，即采用全环开挖的施工工艺，保障机械化配套施工的安全进行。
施工调配布置图见图６。为提高工效，出渣时采用１台装载机与１台出渣车装渣，２台出渣车在仰拱与掌子面间候车，完成２车渣后同时出洞，见图６（ａ）。喷浆时采用两台机械手和两台罐车同时喷浆，拱顶由１台机械手喷浆，见图６（ｂ）。
３．３ 超前支护分析
为满足隧道施工安全和施工进度要求，全断面开挖工法情况下，通常不使用小导管进行超前支护。围岩拱架采用全环施工，Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩分别采用直径６０ｍｍ或７６ｍｍ、直径８９ｍｍ的管棚进行超前支护，可有效确保全断面每循环开挖的安全性和进尺要求。管棚设置示意图见图７，在部分松软区域需采用超前帷幕注浆以加固结构。拱墙１２０°以上范围均是Ⅳ级和Ⅴ级的工程范围，其中管棚施工的环向间距Ⅳ级围岩为０.５ｍ，每环共安装２１根管棚，管棚每循环施工距离为１５ｍ，搭接长度为３ｍ。Ⅴ级围岩的管棚施工环向间距较Ⅳ级围岩短０.１ｍ，每环施工共１７根管棚，Ⅴ级围岩的管棚每循环施工长度为２０ｍ，搭接长度为５ｍ。
大型机械化配套施工组织中，管棚打孔主要采用三臂凿岩台车进行钻孔。钻孔前，需要预先保留１榀拱架不进行装配，同时需要注意管控钻孔的外插角。针对简单隧道地段，可采用传统的钻孔、安装和灌浆流程进行。针对复杂的隧道地段，可采用跟管工艺进行施工，需注意避免塌孔，需按低到高的顺序进行灌浆，灌浆压力范围为１～２ＭＰａ；需注意注浆不能留下空隙，并为全断面开挖施工打下有力的基础。
３．４ 安全步距分析
选择机械化配套施工后，由于一次性封闭成环技术和全断面开挖工法保障了工程安全，且因为大型装置在原有的安全步距（注：Ⅳ级围岩仰拱的安全步距为３５ｍ，二次衬砌的安全步距为９０ｍ；Ⅴ级围岩仰拱的安全步距为３５ｍ，二次衬砌的安全步距７０ｍ）下制约因素较多而难以工作。全部的轮胎式装置在施工结束后都需要开至辅助坑道处或者开出洞外。可移动仰拱栈桥的搭接长度为２５ｍ，加宽段错车区的长度需３０ｍ，安全步距分析见示意图见图８，装备作业区的长度为２５ｍ，因此，仰拱所需的安全步距为８０ｍ，全液压自动行走二次衬砌台车的长度为１２ｍ，自动式挂台车的长度为６ｍ，预留设备安全距离５ｍ。由于出渣车驶出仰拱栈桥的水平距离为７ｍ，所以二次衬砌安全步距需调整到１１０ｍ。
３．５ 施工工效分析
根据常规的隧道施工设备配套和施工组织设计安排，统计各个围岩各道施工工序的耗用时间，Ⅳ级围岩每循环进尺２.４ｍ、Ⅴ级围岩每循环进尺０.８ｍ，施工工效分析情况分别见表２、表３。
本文提出的大型机械化配套施工选用全断面法开挖，在Ⅳ级围岩管棚施工情况下，每进尺１２ｍ、管棚长１５ｍ、搭接长度为３ｍ时，施工一次。在Ⅳ级围岩管棚施工时，每进尺在１５ｍ，管棚长２０ｍ，搭接长度为５ｍ时施工一次。在施工效率计算时，折算到开挖的循环进尺中，按照施工速度和设备性能，计算得到工效分析见表４，仅列出与常规工艺工效不同的施工工序及内容，扒、装、运洞渣等耗用时间未发生变化的项目不再列出。
按照每循环进尺数和每循环工效分析指标，每月的有效工作日以２５天计算，得到Ⅳ级和Ⅴ级围岩的月进尺对比结果见表５。
由表５可知，在选用机械化配套施工后，实际月进尺得到较大提高，平均月进尺可达１２７ｍ，可按时在工期内完成工程任务。曼木树隧道３号斜井工区自采用大型机械化配套施工以来，工效稳步提升，月进尺最高１３５ｍ，且持续稳定。单日围岩的收敛变形速率从１６.５ｍｍ减少到小于等于５ｍｍ，能有效控制围岩的收敛变形。工序的循环时间也进一步缩减，由之前的２４～３０ｈ缩短为１７～１９ｈ，最快的循环时间为１６ｈ，月进尺由之前的每月４０～８０ｍ提高到１１０～１３５ｍ。同时大型机械化配套施工为隧道按期贯通提供了有效保障。
４ 结语
通过曼木树单线隧道施工过程中机械化配套工装进行适应性分析，讨论了不同机械化设备的操作断面、开挖工法、超前支护、每循环开挖进尺、拱架设置、安全步距和工效。研究结果表明，三臂凿岩台车与拱架拼装台车或全断面台架及湿喷机械手等组成的大型机械化配套设备对实现全断面开挖工法是安全有效的，对保证隧道施工安全、降低安全风险及加快循环进尺方面作用突出。