1、7紧靠电气化铁路既有隧道二线隧道开挖综合施工技术紧靠电气化铁路既有隧道二线隧道开挖综合施工技术中铁二十二局集团有限公司二零一零年一月紧靠电气化铁路既有隧道二线隧道开挖综合施工技术1 立项背景该项技术是针对襄渝电气化铁路新大成二线隧道、贵阳铁路枢纽电气化铁路新二戈寨二线隧道以及六沾电气化铁路新官寨二线隧道实际开挖而研究开发的，实属自选项目。该项技术自2007年3月新大成二线隧道开挖开始，就着手对该项技术进行研究与实际应用，随后又于2008年在新二戈寨二线隧道开挖应用中推广，到了2009年10月针对新官寨隧道的复杂环境，我们在总结前两座二线隧道开挖的经验基础上，对新官寨二线隧道开挖进行更深入一步的
2、研究，在实际开挖中取得了令人十分满意的施工效果。该项技术重点是介绍新官寨二线隧道开挖围绕所采取的相应技术措施即关键技术与创新突破点，以及所取得的技术成果和经济与社会效益。2 国内外现状对于“紧靠电气化铁路既有隧道二线隧道开挖综合施工技术”研究与应用，为了做到心中有数以及汲取国内外在这方面的经验，我们查阅了大量资料并进行了国内外科技查新，在净间距、开挖与布眼、振动等方面都有具体数据，介绍如下。2.1 净间距国内外资料表明二线隧道与既有隧道净间距最小为2.5m，仅为一座隧道，其他均大于2.5米。2.2 开挖布眼国内外资料表明，二线隧道开挖均分三步以上开挖，第一步开挖断面积小于9.25。掏槽采用直眼
3、或斜眼两种形式，如图1和图2所示：图1 直眼掏槽形式 单位：cm图2 斜眼掏槽形式 单位：cm这两种掏槽形式其炮眼深度为1m左右。在开挖布眼方面，表现为布眼过多，每循环深度过浅和单独起爆断面过小的特点。2.3 爆破振动速度对工程爆破的爆破振动速度，目前国内提出“微振”新概念，即振动速度不超过3cm/s左右。我们所施工的二线隧道，最小净间距仅为1.49m；开挖分IIIII步，以II步为主，第I步开挖断面积竟达到33.5；炮眼深度为2m以上；在净间距3.5m以上可控制振速在3cm/s以下。查新结论写到：“综上所述，在上述检索范围内，经对比国内外没有净间距小于1.49m、第I步开挖断面积大于33.5
4、、第I步掘进深度大于2m的文献报道。”3 襄渝线新大成二线隧道3.1 工程概况襄渝线电气化铁路为扩大运输能力，于2005年至2009年修建新增二线工程。由于该铁路地处山区，需修建的二线隧道紧靠既有线隧道的有数十座，其中新建的二线隧道新大成隧道与既有线隧道距离最近、开挖最长。坐落于襄渝铁路宣汉县境内的新大成隧道，其二线隧道的岩性为泥岩夹砂岩，基岩裂隙水较发育，围岩级别为III级，开挖长度为3614.85m，高9.27m，宽6.9m，断面积52.5。受地形限制，紧靠既有线隧道进口一端，净间距3.5m4m，长度137.15m；紧接着一段净间距为4.04.64m，长度41m，合计长度178.15m，如
5、图3所示。图3新建隧道与既有隧道净间距走向3.2 隧道爆破掘进针对新大成二线隧道中长178.15m一段小净距的客观条件，为确保既有线隧道安全与行车的正常进行，并充分考虑到施工进度与施工效率，确定了导坑超前，而后扩挖的三步开挖法。第I步开挖即导坑超前是确保既有线隧道安全的关键所在，所以在二线隧道的断面上选择离既有线隧道最远的位置为第I步开挖。由于这步开挖离既有线隧道相对较远，因而在既有线隧道上产生的爆破振动速度较小。第I步开挖过后，为其左侧开挖即第II步开挖创造了更好的临空面，有利于岩石爆破和减振。导坑超前、而后扩挖的三步开挖法如图4所示。图4三步开挖和炮眼分布与起爆顺序使用施工现场现有的通用设
6、备即管棚钻机在第I步开挖中如图4所示位置钻一个中空直眼，钻眼直径为110mm，每次钻眼深20多米。中空直眼钻完之后，在中空直眼四周各布正方形炮眼4个，小正方形为0.7m0.7m，大正方形为1m1m，如图4所示。由一个大直径中空直眼及其周边的8个炮眼组成了中空大直径直眼掏槽形式。在中空直眼掏槽之外，再按正四方形布置12个炮眼，这12个炮眼间距以及第I步开挖断面上的其他炮眼间距与隧道全断面开挖的炮眼间距基本一致。边墙光爆炮眼间距为55cm，其他炮眼间距60cm80cm，这样第I步开挖断面（21.3）上布炮眼61个，炮深2m。第II步开挖按照竖向为一排线形布炮眼，排距70cm，间距84cm，边墙光爆
7、炮眼间距55cm,布炮眼24个，炮眼深2.5米。第III步开挖按照横向（水平方向）为一排线形布炮眼，由于第III步开挖临空面临大而且爆破岩石垂直下落，所以排距加大为1m，间距为85cm，拱部光爆炮眼间距为50cm，布炮眼46个，炮眼深2。8m。以上三步开挖合计断面面积为52.5，步炮眼131个，钻中空大直径眼1个。为了从根本上降低爆破振动效应，确保既有线隧道的安全，必须减少炮眼装药量。对于炮眼常规装药结构，减少装药量势必影响爆破效果，而炮眼水压爆破可解决这一矛盾。对于第I步开挖，水压爆破的实际单位用量为0.98g/m；第II、III步开挖，由于有宽阔的临空面，可以逐排起爆，所以单位用药量与第I
8、步开挖相比大大降低，约为0.45kg/m。根据炮眼分布的不同以及炮眼深度，按照单位用量对每一步开挖的每个炮眼进行了装药分配，每个炮眼装药量见表1。表1 炮孔装药量与起爆顺序分步开挖雷管段别炮孔数炮孔深单孔药量同段药量(MS)/个/m/kg/kgI步1420.83.23420.83.25420.62.47420.62.48420.62.49420.62.410420.62.411620.53.012520.63.013720.64.214420.62.415520.63.016620.63.6合计6137.6II步182.50.64.8362.50.42.44102.50.33.0合计2410.
9、2III步172.80.85.6362.80.84.8552.80.84.0742.80.83.213122.80.44.814122.80.44.8合计4627.23.3 爆破效果分析 实际单位用药量第I步开挖，设计掘进深度2m，爆后实际进尺1.8m，用药量37.6kg，则实际单位用药量为0.98kg/m。第II步开挖，断面8.8，设计掘进深度2.5m，实际进尺2.5m，用药量10.2kg，则实际单位用药量为0.46kg/m。第III步开挖，断面积22.4，设计掘进深度2.8m，实际进尺2.8m，用药量27.2kg，实际单位用药量为0.43kg/m。这三步开挖折合成全断面开挖，实际用药量为0
10、.66kg/m。 炮眼利用率第I步开挖，实际打眼深度为2m，爆后实际进尺平均1.8m以上，则炮眼利用率为90%以上。第II步开挖，实际打眼深度为2.5m，实际进尺为2.5m，则炮眼利用率为100%。第III步开挖，实际打眼深度为2.8m，实际进尺2.8m，则炮眼利用率为100%。 爆破振动速度监测结果表明，第I步开挖最大振动速度为2.13cm/s，第II步为0.92cm/s，第III步为2.49cm/s。 粉尘浓度使用TH-40E型恒流粉尘采样器（采样灵敏度为万分之一克的分析天平）对第I步开挖爆破后进行粉尘浓度监测。爆破3min后，未通风，把仪器放在爆堆边缘处，采样5min。监测结果表明，水压
11、爆破比常规爆破（炮眼无堵塞）粉尘浓度下降67%。4 贵阳枢纽电气化铁路新二戈寨二线隧道新二戈寨二线隧道地质较好，且净间距又大，相对新大成二线隧道尤其新官寨二线隧道施工比较容易，故对新二戈寨二线隧道爆破掘进简单扼要概括如下。新二戈寨二线隧道位于贵阳电气化铁路枢纽贵昆下行联络线上，全长140m，开挖宽度6.77.3m，开挖高度8.95m9.07m，开挖断面积53.2959.29，净间距1415m，围岩为白云岩，中厚层状，较坚硬，溶弱发育，地下水不发育，为浅埋隧道，埋深213.5m。二线隧道采取上下台阶两步开挖，台阶长为5m，下台阶（第I步）每循环打眼深2m，实际进尺为1.8m，振速3cm/s以内，
12、上台阶打眼深3m，实际进尺为3m。该二线隧道自2008年10月26日开始爆破掘进，到2009年1月17日贯通，用时83天，比计划工期提前163天完工，施工期间确保既有隧道安全与行车正常运行，节约成本88.92万元。5 六沾电气化铁路新官寨二线隧道前面已述及，新官寨二线隧道为不良地质，而且净间距又小，施工难度要比新大成和新二戈寨二线隧道困难的多，“精心设计、精心施工”尤为重要，下面将详细介绍该二线隧道爆破开挖设计、施工和爆破效果。5.1 工程概况5.1.1 新建新官寨隧道工程概况改建铁路贵昆线六盘水至沾益段增建二线工程站前2标段，新官寨隧道位于贵州省威宁县二塘镇境内，起迄里程SD2K498+85
13、4SD2K499+004,中心里程SD2K498+929，隧道全长150m。本隧道位于内昆疏解线上，为单线隧道，旅客列车设计行车速度80km/h，隧道建筑界限采用之隧-2A；轨道类型为次重型，铺设碎石道床，新II型轨枕及50km/h钢轨，设计内轨顶面至道床底面高度为67cm。本隧道位于既有内昆线老官寨隧道右侧，两隧道净间距为1.494.31m,埋深约222m。该段地质属于中山溶浊地貌，自然坡度1030，线路穿过马鞍山中部，上覆第四系全新统坡残积粘土、弱膨胀土，溶洞堆积粘土，下伏石炭系上统马平群灰岩夹页岩，灰岩为中厚层状，溶浊强烈发育，溶缝、溶隙、溶洞物较发育，岩体破碎，地表出露页岩多为强风化带
14、。隧道洞身左侧70120m外为老官寨发育断层，与隧道近平行，倾角70，断层走向北西50，倾向北东，受构造影响节理发育，岩层完整性差。从隧道顶岩土覆盖层和岩石倾向该隧道属于浅埋偏压隧道。5.1.2 老官寨隧道概况既有老官寨隧道位于内昆线K498+856 K499+004，隧道全长148m，2000年6月18竣工，为单线电气化隧道，设计时速80Km/h,老官寨隧道为不良地质，施工时出现溶洞、溶沟、泥囊，造成了几次较大的塌方，此外由于当时的施工水平和技术条件所限，老官寨隧道稳定性较差。5.1.3 新官寨隧道与老官寨隧道位置关系新官寨隧道全长150m,位于既有老官寨隧道右侧。两隧道之间的最小净距为1.
15、49m，（经查新国内外最小的净间距为2.5m）而且原来施工时此段出现过塌方后，改为明洞式开挖，衬砌混凝土以外全部为回填土，围岩无自稳能力所以堪称为零间距。新官寨隧道是整个六沾复线工程的重难点工程之一。老官寨隧道与新官寨隧道的沿线净间距如图5所示。图5新官寨隧道与老官寨隧道净间距图5.2 既有老官寨隧道加固措施5.2.1 采取HK160b钢拱架加固全隧拱墙架立HK160b钢拱架，纵向间距1.0m/榀，为防止钢架压坏水沟或电缆槽盖板，置于盖板上的钢架，其底部加设厚16mm、长1m、宽18cm的纵向钢板，钢架必须设防电板。钢架两侧设置22定位钢筋，定位钢筋嵌入衬砌内不小于15cm,环向间距1.0m，
16、交错布置，每根长约0.4m。钢架待新建工程施做完成后拆除。图6 HK160b钢拱架加固5.2.2 采取W型钢带衬砌加固由于全隧道衬砌厚度绝大部分不满足设计要求，因此全隧道拱部采用W型钢带对衬砌结构进行补强。钢带纵向间距1m /榀，表层涂刷防锈漆。图7 W型钢带加固5.2.3 裂缝采取骑缝锚杆加固仅对斜向、水平裂缝进行处理，裂缝宽度小于0.2mm不作处理，裂缝宽度大于0.2mm裂缝采用骑缝锚杆进行补强，锚杆采用25中空锚杆，每根长3m。沿裂隙两侧交错布置、距裂缝50cm，沿裂缝间距1m、梅花形布置。锚杆端头处凿15157cm的槽，待锚杆抗拔力达到设计强度后用膨胀水泥砂浆回填并与衬砌面打磨平整。图
17、8骑缝锚杆加固5.2.4 采取径向锚杆加固由于全隧道衬砌厚度绝大部分不满足设计要求，因此全隧道拱部采用25中空锚杆对衬砌结构进行补强，环向间距1m，每根长3m。全隧边墙采用22砂浆锚杆，纵、环向间距1m，每根长3m，以防止施工中边墙倒塌。锚杆过钢带中部的锚杆孔、锚杆端头，通过螺母与垫板连接，钢带表面涂防锈漆。 图9径向锚杆加固5.2.5 衬砌进行注浆加固对隧道衬砌背后采用低压充填注浆，确保衬砌与基岩密贴，注浆浅孔应穿透衬砌厚度，并进入围岩不小于0.2m注浆孔纵向间距11.5m，梅花形布置。雷达检测拱腰，边墙存在空洞处应加设注浆孔，确保注浆效果，注浆管可采用42钢花管，压注水泥砂浆，低压压浆，压
18、力0.30.5mpa。注浆时应从下至上进行分段注浆。注浆结束后在钢管处凿出10108cm（长宽深）的孔，采用膨胀水泥砂浆抹平。图10衬砌注浆加固5.3 新官寨二线隧道爆破开挖打管棚全隧V级围岩拱部及边墙设置68超前中管棚超前支护，中管棚每6.4m一环，环向间距0.4m，每环36根，每根长8m。具体布置见图11。图11中管棚施工布置图5.4 两步开挖法新官寨隧道二线隧道原施工方案分为三步开挖，即从隧道高3.52m以上高5.7m为上台阶，隧道高3.52m以下高3.52m为下台阶。而上台阶又采取中隔墙法分两步开挖。从实际爆破开挖发现，虽然出现了溶洞、填充物、孤石和泥囊，但岩石并非十分破碎，凝聚力还好
19、，此外如采取中隔墙法费工费时。鉴于此实际采取了上下台阶两步开挖。上台阶为第步开挖，开挖断面33.5，经查新为国内外同类工程开挖断面积最大。下台阶为第步，开挖断面27.55.5 掏槽形式炮眼布置5.5.1 上台阶上台阶即第步开挖，采取中空直眼掏槽形式，由一个大直径中空直眼及其周边的8个炮眼组成的。第步开挖炮眼分布见图11，布炮眼92个，中空直眼1个。图12 上台阶第步开挖和炮眼分布与起爆顺序图5.5.2 下台阶下台阶爆破开挖通常采取水平布眼横向为一排，从上往下逐排起爆，而我们采取的是楔形掏槽布眼形式，如图12所示，从里向外逐排（竖向为一排）起爆，这样的布眼形式，不但能起到减震作用，而且边墙光爆效
20、果好，下台阶布眼49个。图13 下台阶第步开挖和炮眼分布与起爆顺序图5.6药量计算与炮眼装药结构为了从根本上降低爆破振动效应，确保既有隧道的安全，必须减少炮眼装药量。对于炮眼常规装药结构，减少装药量势必影响爆破效果，而炮眼水压爆破可解决这一矛盾。经过试爆，对于第步开挖，钻孔为2m，炮眼水压爆破的单位用药量为0.83kg/m，而第步，钻眼深度为2.5m由于增加了一个大临空面，所以单位用药比第步大大下降，为0.43kg/m。根据炮眼分布不同以及炮眼深度，按照单位用药量对每个炮眼装药量进行分配，每个炮眼装药量见表2，第步开挖总装药量为49.9kg,第步为29.225kg。第步中空直眼掏槽中的8个炮眼
21、，其炮眼水压爆破装药结构如图13所示表2 炮孔装药量与起爆顺序分步开挖雷管段别(ms)炮孔数/个炮孔深/m单孔药量/kg同段药量/kg第步1420.7252.93420.7252.951320.5256.82571220.5256.38720.5253.6759720.5253.675101720.5258.925111620.5258.4121220.5256.3小计9249.9第步11030.7257.253102.50.7257.255102.50.669102.50.441092.50.5254.725小计4929.225图14炮眼水压爆破装药结构图5.7 起爆顺序及起爆间隔时间科学合
22、理地调配炮眼起爆顺序与间隔时间，不但可以提高爆破质量，而且还可以降低爆破振动效应，有利于既有隧道的安全。目前现场使用的导爆管起爆系统中毫秒雷管1-12段，其间隔时间小于50ms，而7段之后大于50ms，对于隧道爆破掘进，实际爆破表明起爆间隔大于50ms爆破振动不叠加，所以第步开挖雷管段别为1、3、5、7、8-12段，如图-6所示，同一级别起爆药量最多为8.925g（第10段）。第步雷管级别为1、3、5、9、10段，要特别指出的是边墙光爆炮眼与紧邻的邻排炮眼，间隔两段起外，其作用为形成“预留光爆层”，须知光爆层的作用是为光爆眼创造更好的临空面，极有利于光爆质量和减振。5.8 爆破振动速度监测为了
23、做到心中有数，在二线隧道爆破掘进时始终进行爆破振动速度监测，以便调整爆破参数。采用CD-1传感器、DSV测震仪以及笔记本电脑组成的测振系统进行爆破振动速度测量。测点选择在既有隧道靠近二线隧道的边墙上，测点高度为2m，测点与测点距离为5m。影响边墙稳定性的是垂直于边墙的振动速度，所以仅测这个方向的振动速度。测量结果为当净距离为1.493.5m，最大振速为10.5cm/s，净间距为3.5m以上，振速小于3cm/s。其振速波形见图15、16。检测单位:中铁二十二局二公司六沾项目部 检测地点:老官寨隧道洞内记录时间2009.10.16 18.39.44操作员 张军建、于传威炮 次1记录长度2.0000
24、 s仪器编号TC-4850距 离2.7 m记录速率16000,sps试验设备 爆破测振仪药 量49.9 Kg通道号 通道名称 最大值 主频 时刻 单位 量程 灵敏度 1 通道Y -10.5cm/s 421.073HZ 0.90781s m/s 33.574cm/s 29.785图15净间距1.493.5振速波形检测单位:中铁二十二局二公司六沾项目部 检测地点:老官寨隧道洞内记录时间2009.10.2708.27.45操作员 张军建、于传威炮 次1记录长度2.0000 s仪器编号TC-4850距 离39 m记录速率16000,sps试验设备 爆破测振仪药 量49.9 Kg通道号 通道名称 最大值
25、 主频 时刻 单位 量程 灵敏度 1 通道Y -2.500cm/s 76.191HZ 0.03406s m/s 33.574cm/s 29.785 图16净间距3.5m以上振速波形5.9 施工程序总的施工程序是先进行上台阶爆破开挖，上台阶开挖长90m后由大里程往小里程方向进行下台阶爆破开挖施工，上台阶由小里程往大里程方向同步进行。对于上台阶爆破开挖，全隧拱部及左侧边墙先设置68超前中管棚超前支护，再进行钻爆，全隧道打68管棚累计5250m。在爆破开挖时，先在上台阶掌子面上如图11所示的位置钻一直径为110mm的中空直眼，为避免重复工作，钻孔深为20m以上，每一循环出碴后初支紧跟。下台阶爆破开挖
26、，对于不良地质地段，要在靠近既有隧道的一侧边墙处打68中管棚，累计打中管棚500m,下台阶出碴过后立即进行仰拱施工。整个隧道上下台阶开挖长15m后，立即进行仰拱施工，随后二衬紧跟。5.10 爆破效果实际单位用药量上台阶实际单位用药量为0.83kg/m，下台阶为0.43kg/m。炮眼利用率上台阶炮眼利用率为90%以上，下台阶为100%。爆破振动速度净间距3.5m以上，最大振速小于3cm/s，其波形见图14；净间距1.49m 3.5m，最大振速10.5cm/s，其波形见图15。6 关键技术创新突破点经对三座二线隧道爆破掘进实际施工，分析总结有七项关键技术、两个创新和两个突破点。6.1 关键技术关键
27、技术分别为既有隧道加固技术措施、二线隧道爆破掘进分步开挖法、打管棚加固二线隧道防止塌方、中空大直径直眼掏槽、炮眼水压爆破、炮眼起爆顺序与间隔时间和爆破振动速度监测等七项。6.2 创新点创新点分别为中空大直径的直眼掏槽和炮眼水压爆破等两点。6.3 突破点第I步开挖断面高达33.5，而查新资料远远小于这个数值；第I步开挖每循环掘进深度为2m，国内外资料仅1m左右。7 技术成果和经济与社会效益1 单位面积炮眼数量第I步开挖，单位面积布炮眼为2.75个/，与同类工程相比，布眼数量大大降低、最少。2 第I步开挖断面积与每循环掘进深度第I步开挖断面积高达33.5，每循环掘进深度高达2m，在小净距条件下，开
28、挖断面积之大、掘进之深，在国内外均属罕见。3 实际单位用药量第I步开挖实际单位用药量0.83 kg/m，第步开挖实际单位用药量0.43 kg/m，折合全断面实际单位用药量为0.65kg/m，与同类工程相比比较低。4 炮眼利用率第I步开挖，炮眼利用率90%以上，II或III步均高达100%,与同类工程相比，炮眼利用率高。5 爆破振动速度监测结果表明，三步开挖，净间距3.5m，最大振速为2.49cm/s；两步开挖，净间距大于3.5m，最大振速为3cm/s，均达到微振的效果。6 粉尘浓度监测结果表明，炮眼水压爆破比炮眼无回填堵塞常规爆破相比，粉尘浓度下降了67%，很好地改善了作业环境，保护作业人员身
29、体健康。7 施工进度新大成二线隧道比预计工期提前半个月，新官寨二线隧道比预计工期提前2月。而新二戈寨二线隧道比预计工期提前的更多，提前了163天。这在国内施工中处于领先水平。8 经济与社会效益新大成二线隧道节省费用255.1万元（见财务证明，下同），新二戈寨二线隧道节省费用88.92万元，新官寨二线隧道节省费用190.6万元。该项技术在三座二线隧道实际应用共节省费用534.62万元。三座二线隧道爆破掘进施工自始至终确保既有隧道安全与行车正常运行，做到了“零”伤亡，无任何大小事故，产生了很好的社会效益。8 认识体会 通过三座二线隧道开挖实际施工，我们总结分析有如下九个方面的认识体会。8.1 知己知彼百战不殆我们把二线隧道开挖比作“己”，而把既有隧道比作“彼”。在二线隧道开挖施工之前，我们面会了既有隧道施工负责人和技术主管，详细了解到既有隧道开挖过程中地质概况，就连塌方次数、塌方位置、塌方范围大小等了如指掌。然后我们把既有隧道不良地质与二线隧道相牵连在一起，掌握了二线隧道不同地段地质情况，在哪个地段要打管棚，要打多深，做了准备。由于知己知彼了，施工中心中
