隧道工程辅助坑道进正洞安全控制技术分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘伟东（1990），男，汉族，陕西宝鸡人，本科学历，中铁二十局集团第二工程有限公司，工程师，研究方向为施工安全技术。-146-隧道工程辅助坑道进正洞安全控制技术分析 刘伟东 中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100142 摘要：摘要：隧道工程作为一项重要的基础设施建设工程，在现代城市化进程中起着至关重要的作用。然而，隧道施工过程中存在一系列的安全风险，为了降低坑道进正洞作业的风险，改善施工安全水平，现代隧道工程中引入了辅助坑道进正洞安全控制技术。本论文主要研究了隧道工程辅助坑道进正洞技术，隧道工程施工中采用适当的辅助坑道及进入正洞的技术，是保证工程施工 关键词：关键词：隧道工程；辅助坑道；进正洞施工；安全技术分析 中图分类号：中图分类号：U455.1 随着现代科技与技术的不断发展和更新，隧道工程施工中的辅助坑道进正洞技术得到了快速发展，在确保施工安全的前提下不仅能够有效地提高施工效率、降低施工成本，还能够提高施工质量。因此，本文将结合具体案例，对施工安全控制技术进行详细地阐述和研究。1 隧道工程辅助坑道进正洞施工安全技术概述 隧道工程辅助坑道进正洞施工安全技术是指在长大隧道工程施工过程中，通过在坑道口采用辅助坑道方式，实现坑道的快速进正洞，提高施工效率，保证施工安全的一种施工技术。该技术主要应用于地铁、矿山、公路、水利等工程领域，可以缩短隧道开挖周期，降低施工风险，提高施工效率，从而节约施工成本。辅助坑道进正洞安全技术通常包括棚洞开挖技术、套拱技术、正洞施工技术和内外钢筋混凝土套筒技术等多种方法。这些技术的实现过程可以通过机械设备、移动隧道壳体、封闭式切削方法和岩土切割机器设备等实现，同时，辅助掘进技术与现代计算机仿真技术的结合，也对辅助坑道进正洞技术的发展与应用产生了积极的影响。2 隧道工程辅助坑道进正洞快速施工的难点 2.1 隧道工程所处的地质条件可能会非常复杂 新建铁路兰州至合作线LHTJ3标项目（以下简称：兰合铁路 3 标项目）考勒隧道 1#斜井掌子面揭示岩性为加里东期闪长岩：深灰色，成份以石英、长石、角闪石等为主，中粗粒结构，块状构造，岩质较坚硬，节理较发育，多密闭，岩体较完整，呈块状至巨块状，局部节理面有黄褐色水锈,地下水不发育，弱风化。1#斜井洞身范围内地下水较发育，存在基岩裂隙水，施工中可能出现线状或股状出水。这些地质条件会增加施工的困难和风险，需要采取相应的措施来保证施工的安全和稳定性。2.2 施工空间狭小 考勒隧道 1#斜井坑道进正洞施工空间比较狭小，使得机械化施工设备的操作受限，安全风险高，增加了施工的难度。同时，施工空间狭小也会限制土方运输和支护材料的运输及安装，增加了施工周期1。2.3 环境保护要求高 对于坑道进正洞施工来说，环境保护是一个非常重要的问题。施工过程中需要采取措施减少噪声、振动、粉尘等对环境和作业人员的影响，同时要避免对地下水、生态环境等造成破坏。2.4 安全风险大 在施工过程中可能面临着地表沉降、支护结构大变形、坍塌、岩爆、涌水突泥等安全风险。为了保证施工人员的安全，需要加强监测和预警系统的建设，编制专项施工方案并制定相应的应急预案。隧道挑顶施工重难点在于斜井与正洞交叉口的施工，交叉口存在三维受力情况，极为不稳定，提前施作掌子面超前地质预报，探明前方地质中是否存在不良地质条件，在交叉口附近的开挖和立架施工时一定要减小对围岩的扰动，开挖后立即进行初期支护施工封闭围岩，尽量减少围岩的暴露时间。施工中支护参数应相应增强，确保施工安全，量测组设专人 24 小时监控该段围岩及中国科技期刊数据库 工业 A-147-支护变形情况，并将量测结果及时上报，一旦出现异常，立即撤离施工人员，在交叉口附近储备应急物资及应急逃生设备。3 隧道工程辅助坑道进正洞施安全工技术 工程概况：兰合铁路3标项目考勒隧道起讫里程：DK32+456DK47+115，全长 14659m，为单洞双线隧道。隧道内设人字坡，洞身纵坡依次为 0/94m 平坡，3/900m、7/1100m 上坡，10/4570m、5/7995m 的下 坡。隧 道 洞 身 除 进 口 端DK32+608.7655 DK36+023.7883 共计 3415.0228m 位于 R=3000 的曲线上外，其余均位于直线上。1#斜井洞口位于拱北沟附近一山体坡面处，采用无轨双车道运输方式，为永久工程。与正洞交叉里程DK36+250。与正洞相交角度为500917”，与正洞交叉段DK36+235-DK36+267.4为级围岩，采用swb-1 复合式衬砌类型，采用三台阶法开挖。3.1 地质勘察与分析 施工前需要进行全面的地质勘察，了解隧道所处的地层情况、岩石性质以及地下水位等信息。出口横洞位于低中山黄土梁峁区，第四系全新统坡积砂质黄土：稍湿-潮湿，稍密为主，级普通土，Oo=120150kPa；第四系上更新统风积沙质黄土，稍湿-潮湿，稍密-中密，级普通土，Oo=120-150MPa，上第三系上新统临夏组砂岩，强风化层厚 38m，级软石，Oo=300kPa；弱风化，IV 级软石，Oo=400kPa。工程范围内第四系上更新统风积砂质黄土具级自重湿陷性。隧道洞身顶部冲沟无常流水，无泉水出露。隧道洞身地层以上第三系上新统临夏砂岩为主，属弱富水区，预测隧道正常涌水量139m/d，隧道最大涌水量 417m/d。3.2 棚洞开挖 隧道工程辅助坑道进正洞技术中的棚洞开挖技术，是指在坑道口两侧挖掘深度不大而宽度较大的静态支护体，用于承受来自坑道侧壁和顶部的岩体压力，创造棚洞内施工工作面。棚洞开挖技术主要具有以下几点优势：从施工安全角度考虑通过进行静态支护，减少了对岩体的扰动，对原始岩土进行加固，有利于减少地基沉降，提高坑道的稳定性，并且在施工过程中也可以快速发现和修补出现的问题，提高施工质量和效益2。采用棚洞开挖技术后，可以在棚洞内进行施工，减少坑道口作业所带来的地表变形。通过棚洞开挖技术，可以同时进行坑道侧壁和顶部的支护和内部施工工作，加快了作业的进度，减少人员在危险作业环境下的暴露时间，通过 LEC 安全风险评估法计算，该方式降低了施工过程中的安全风险。辅助坑道延线路方向往正洞走向采用棚洞以上坡方式开挖到正洞中线位置，棚架高度均为 3.4m，在正洞上坡段，采取调整上坡坡率的方式，保证棚架均落在稳固围岩上，开挖棚洞前测量人员根据正洞每米抬高高程放出棚洞底脚开挖线，原则上底脚不允许超挖，如因围岩软弱引起超挖，棚架底脚需采用混凝土垫块垫实，保证棚架拱脚落于实处，保证开挖安全，棚架开挖至正洞拱顶位置时，再向前平坡开挖至正洞外侧上导坑拱脚位置处，开挖时棚洞钢架临时支护及时跟进。棚洞钢架采用 I16 型钢，间距 100cm，每处拱脚设置 2 根42 锁脚锚管。其它临时支护参数：22 砂浆系统锚杆，长度 3.0m，间距 1.01.0 梅花形布置，喷射 25cm 混凝土。施工中，棚洞临时支护体系中的顶部钢架横梁位于正洞初期支护外，下一步施作正洞拱架时不再取出，所以棚洞拱顶高程超出正洞设计开挖线，为了满足临时支护厚度和预留变形量需要。施工过程中，控制好上下断面连接处施工质量，边墙严禁有欠挖。斜井、横洞交叉口段，结构受力复杂，做好过程中围岩监控量测工作，加强安全技术管理与过程质量控制。项目部建立巡视检查、定期检查制度。对施工过程中的各项安全预案进行检查落实。对辅助坑道挑顶进正洞所制定的“物防、技防、人防”措施的落实情况进行监督检查。各项预案落实到位后，项目部督促作业队进行针对性地演练。确保在突发事件情况下，人力、物力、财力的组织到位和设备的正常运转。图 1 棚架钢架图示意图 3.3 套拱及正洞施工 隧道工程施工中的套拱及正洞施工技术是目前被广泛采用的一种坑道施工方法。简单来说，这种技术主要是采用套拱或正洞的方式，来支撑住坑道的侧壁中国科技期刊数据库 工业 A-148-和顶部，同时在这些辅助通道内进行坑道的进洞施工，这种技术最主要的优点，就在于它能够大大地减缓坑道施工的难度和降低安全风险。因为在施工过程中，可以降低工人施工过程中坑道顶部和侧壁塌方而导致的安全风险，而是采用套拱或正洞的方式让这些地方获得了充分的支撑和抵抗能力，和传统情况下的辅助坑道相比，这种新型的技术在施工过程中结构受力变形、岩体坍塌安全风险得以有效控制，且大大节省施工时间，提升施工效率，同时也能够降低施工成本3。套拱及正洞施工要点如下：（1）棚洞施做完毕后及时在其钢架内侧施作 C25喷混。（2）棚洞施工完成后，安装正洞初期支护钢架，钢架一侧落脚于辅助坑道交叉口加强门架横梁上，另一侧支在混凝土垫块上，在钢架分节和拱脚处各施做长 4m 的42 锁脚锚管两根。（3）棚洞内的正洞初期支护完成后，拆除棚洞一侧临时支护并进行正洞上台阶单向开挖支护，待正洞开挖和支护约 10m 后封闭掌子面，再拆除棚洞另一侧临时支护，进行另一端正洞上台阶开挖预支护，待施工空间满足后，两侧工作面可以同时施工、应确保在斜井宽度范围内仰拱闭合。施工过程中，做好安全技术管理措施，现场严格按照专项施工方案组织施工，以施工质量保安全。项目部加强现场的安全巡视检查，对于施工队为了抢进度未按照要求做好初期支护，给安全施工带来隐患，立即下发停工通知，要求其进行认真整改，整改到位后再恢复施工，确保了进洞的安全。在施工工期紧的情况下，项目部严格按照隧道超前地质预报方案进行检查落实，以确保前方开挖安全。图 2 辅助坑道底板增加底板钢架示意图 3.4 坑道支护 对于较稳定的地层，可以采用锚杆喷射支护技术。这种方法需要先进行钻孔，然后在钻孔内注入混凝土或喷锚材料，形成锚杆支撑体系。锚杆选材应符合设计规范，施工应按照施工方案执行，确保锚固效果和质量，锚喷支护做到喷浆料随拌随用，时间不超过规定，厚度较大时分层喷射，严格掌握水压、风压和喷射距离，做到厚度符合设计和安全要求，表面平顺。钢拱架支护适用于较软或不稳定的地质条件。在坑道顶部安装钢拱架来支撑坡体和地层，保持坑道稳定。钢拱架的制造和安装应符合相关标准，焊接质量要达到要求，确保拱架的强度和稳定性，钢架施工时做到加工正确，架立间距、倾斜度和垂直度符合要求。钢架的拱脚必须落在稳定的基础。接头板密贴，连接螺栓上齐拧紧，连接牢固。对于长期荷载较大的坑道，可采用预应力锚索支护技术。这种方法通过张拉预应力锚索来增加地层的抗拉强度，增加支护结构的稳定性4。预应力锚索的布置和张拉过程需要严格按照设计要求执行，保证锚索的预应力和固定效果。坑道支护完成后，需要进行衬砌施工5。常见的衬砌材料有混凝土、预制板等。衬砌施工应按照设计要求进行，控制混凝土的浇筑质量，保证衬砌的牢固和密实。考勒隧道 1#斜井位于临夏自治州东乡县境内，采用无轨双车道运输方式，为永久工程，与主洞交叉里程 DK42+840。与正洞相交角度为 475113”。与正洞交叉段DK42+422-DK42+855 为级围岩，采用 Vswb-1 复合式衬砌类型，采用三台阶设临时横撑法开挖，主要支护参数见下表。施工过程采用人工配合挖机开挖，尽量减少对围岩的扰动，机械开挖后人工修边，及时初喷并及早进行初期支护，保证施工安全，加强监控量测工作，及时反馈信息，做到信息化施工，对变形超限的初期支护要及时进行加固。4 施工过程围岩监控量测数据分析 斜井与正洞三岔口 20m 范围内、棚洞、正洞大小里程方向各 25m 范围内，监控量测点按纵向间距 5m 布设，斜井与正洞交叉段斜井侧拱腰处加设一处观测点，及时有效监测支护变形情况，增加监控量测频率，每天不少于 2 次检测，如每次量测变形值大于 5mm，应将检测频率调至 5-7 次，检测结果及时反馈。报警数值参照级围岩监控量测报警数值，并在所有取值中选择较小报警范围作为控制措施。通过对这些数据进行准确的量测和分析，可以提前发现潜在的问题，及时采取相应的措施进行调整和修正，确保施工过程的安全顺利进行。棚架支护技术在保证施工进度和质量的 中国科技期刊数据库 工业 A-149-表 1 主要支护参数 衬砌类型 预留变形量 喷混凝土 钢筋网 锚杆参数 钢架 二次衬砌 部位 预留变形量（cm）部位 厚度（cm）部位 网格间距 钢筋规格 部位 环距*纵距d（m）长度（m）部位 类型 纵距（m）拱墙（cm）仰拱（cm）Vswb-1 拱墙 10-15 拱墙 27 拱墙 20*20 8 拱墙 1.2*1.0 4 全环 I20a型钢 0.6 50 55 同时，最大限度地减小了对围岩的扰动，减少围岩变形，从而确保了隧道的稳定性。施工过程中监控数据变化可控，施工过程围岩监控量测数据一周累计变形量未超过报警值。详见图 3。图 3 施工过程围岩监控量测一周累计变形量统计 5 施工注意事项（1）辅助坑道交叉口的加强环必须深入正洞初期支护断面，保证为正洞的支护提供有力的支撑。（2）在辅助坑道向正洞转化的整个施工过程中，加强监控量测工作，并及时根据量测数据进行调整支护参数和施工工序。（3）正洞交叉口段开挖后要及时进行正洞仰拱、二次衬砌的施工，以便初期支护与仰拱尽早成环，确保施工安全，（4）加强交叉口段内的通风，在进入正洞的导洞内应设置逃生通道、逃生仓等紧急逃生设备。（5）对于围岩稳定性很差的沙层、块石土、碎石土或围岩破碎、浅埋、偏压地段，应另行编制说顶方案或采取加强后的挑顶方案。（6）棚洞及正洞施工锁脚锚管、系统锚杆应与拱架焊接成整体。增强支护结构稳定，确保施工过程中及后续支护结构的变形稳定。（7）拱架连接、焊接及锁脚与拱架连接逐点检查，确保焊接及连接质量。（8）初期支护喷射混凝土需满足设计厚度及强度，必须饱满密实。（9）正洞拱架与门架连接完成后超挖部分采用C25 喷射混凝土回填密实。（10）棚洞开挖时，注意控制拱顶标高，顶部初支内侧沿正洞开挖轮廓线布置，并预留 15cm 施工误差及沉降变形量。（11）棚洞采用矩形断面，断面内净宽 4.4 米，保证装载机可在棚洞内清渣，棚洞高度根据正洞开挖轮廓线标高计算进行控制。6 结语 隧道工程辅助坑道进正洞安全控制技术是隧道工程施工中的关键环节，通过合理的施工方法，降低了施工安全风险，保证工程的安全性和可操作性，同时提高施工效率和质量。在坑道进正洞的快速施工过程中，我们需要充分考虑地质条件、水文地质特征以及施工环境等因素。同时，在施工过程中要严格按照相关标准和规范进行施工操作，重视超前地质预报、围岩监控量测等工作，强化监测与数据分析，及时发现和处理可能出现的问题，确保施工的顺利进行和工程的质量安全，为建设更加安全、高效和可持续的交通网络做出贡献。参考文献 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