您的当前位置:首页正文

高海拔长大隧道快速施工技术研究

2024-04-22 来源:榕意旅游网
高海拔长大隧道快速施工技术研究

摘要:在高原隧道建设过程中,高海拔地区由于特殊的低压、低氧环境,造成施工人员效能降低,施工机械设备功率减小,影响隧道开挖进度。另外,长大隧道一般距离都大于1000m,若前期施工速度达不到施工组织要求,后期抢工、赶工所产生的人员、机械设备费用会成倍增加,抢工及赶工阶段也会导致施工风险增大。因此,在整个施工阶段,自始至终需要关注隧道施工进度问题。本文以川藏铁路邦达隧道建设为例,在施工管理、技术管理、创新性技术应用等方面开展研究,以求实现隧道快速施工,降低施工成本,确保隧道如期完工。

关键词:高海拔 长大隧道 施工管理 技术管理 创新性技术 快速施工

引言:

川藏铁路是习近平总书记亲自谋划、亲自部署、亲自推动的世纪性战略工程,对推动西部地区特别是川藏两省经济、社会发展,具有重要意义。川藏铁路沿途多穿越高山峻岭,其中隧道占比超80%,隧道建设进度直接关系到川藏铁路能否如期通车的关键所在。

高海地区气候恶劣,地质条件复杂,在隧洞建设中面临诸多施工困难。为克服高原隧道建设的各种施工难题,对高海拔长大隧道快速施工开展研究是十分必要的。在长大隧道快速施工技术研究方面,陈家湘[3]针对不良地质隧道,通过采取优化设计、加强技术措施支撑来提高复杂地质隧道掘进速度。张潘[5]以长胜特长隧道为依托,研究了通过优化开挖、支护、施工设备等,从而实现隧道快速掘进的目标。姚大发

[4]针对某长大隧道工程实际情况,从决策控制与施工决策两

方面入手,对快速施工方面的管理技术及其具体应用进行深入分析。

基于以上文献对长大隧道快速施工方面的研究经验,结合川藏铁路邦达隧道2号斜井工程施工实践。本文深入探讨了施工管理、技术管理及创新性技术应用对推动施工进度的有力保障。

一、工程背景

川藏铁路邦达隧道2号施工斜井位于昌都市卡若区若巴乡叶绒沟南侧,洞口海拔高度4300m,氧气及气压约为内地的60%。斜井全长3666.5m(X0+000~X3+666.5段),洞身综合坡比-9.61%,最大埋深886.5m,双车道无轨运输,采用钻爆法施工。

斜井周边降雨量丰富,地下水主要受地表降水、层间水、地下裂隙水影响。隧道内水量主要由掌子面涌水及拱顶渗水组成,根据日常监测,其隧道正常涌水量为5200m3/d,最大涌水量为11000m3/d。

斜井洞身岩性主要为元古界片岩、花岗岩和玢岩,元古界片岩以Ⅳ级为主,花岗岩以Ⅲ级围岩为主,玢岩岩体较破碎,物探低阻围岩以Ⅳ级为主。其中Ⅲ级围岩2110m,Ⅳ级围岩1220,Ⅴ级围岩336.5m。

二、高原隧道施工影响进度常见问题 (一)岩层裂隙发育、岩层软硬不均

受地壳运动及岩层发育时间较短等影响,高原地区岩层裂隙发育,岩层软硬不均匀现场比较常见。导致在隧道爆破过程中,出现岩层滑落,爆破面轮廓不均匀,掌子面单次爆破进尺左右长短不一,造成结构超挖,开挖进尺效率低。

(二)突涌水频发

高原地区年均降雨量较大,受到岩层裂隙发育影响,地下水异常丰富。在隧道开挖过程中极易发生掌子面大量涌水,影响人工钻爆施工进度。尤其是反坡隧道,若涌水抽排不及时,容易造成掌子面被淹,导致现场被迫停工。

(三)喷射混凝土回弹率较高

针对高原隧道,目前没有专用混凝土添加剂,所采用的传统添加剂高原适应性较差,导致隧道喷射混凝土回弹率较高。而富水隧道加剧了喷射混凝土掉落程度,不仅增加了喷射混凝土超耗量,也增加了补喷时间消耗。

(四)隧道超挖

受爆破设计水平、打孔偏差、装药偏差、岩层性质多方面影响,爆破后,会造成开挖轮廓不同程度出现超挖或欠挖。一般施工单位为避免出现欠挖,在爆破设计过程中,会进行专门考虑,通过减小周边炮孔间距,增加装药量来解决。但由于多种原因的影响,很多隧道超挖严重,不仅造成出渣量增大,也造成喷射混凝土超耗量增加,无形中也增加了施工时间。

(五)工序衔接不畅

隧道施工分为多个不同工序,由不同的施工人员共同完成施工任务。测量工序由测量人员完成对炮孔进行定位放样;钻爆工序由人工或三臂凿岩台车进行炮眼钻孔打设,炮工完成炸药装填、引爆;出渣工序由装载机及渣土车配合完成出渣;拱架安装工序由施工人员按设计进行拱架架设;初支喷浆工序由喷浆手和混凝土供应系统共同完成。

另外,为保证所有施工工序运转正常,抽排水人员、挖机司机、技术员、监理、混凝土调度员也承担了重要角色。面对如此多的工序,如此多的配合人员,一旦一个环节出现问题,将影响整个循环系统的运行,导致施工进度受阻。

(六)材料、设备供应不充足

高原隧道建设一般距离周边城市较远,材料采购及运输周期较长。另外,在冬季,大雪封山、封路,也会影响材料、设备供应。若施工单位材料采购计划与实际需求出现偏差或易损设备储备不足,将直接影响现场施工进度。

(七)管理及施工人员能力、素质有待提高

高原地区低压、低氧环境,对人员健康水平要求较高,一些技术及管理能力较强的人员未能参与到高原隧道建设中。而部分施工管理人员缺乏高原施工经验,其业务、技术能力有待提高。

另外,部分施工单位由于首次参与高原隧道建设,很多施工人员多是在附近高原地区临时招用。由于前期没有合作经历,对其施工能力、业务能力不能得到有效了解,双方磨合时间增加。外加,很多不确定因素也造成了工人流动性大,直接影响了隧道施工进度。

(八)高原地区人机效能降低

受高原低压、低氧环境影响,人员劳动效能及机械设备功率将出现降低,而人机效能是影响高原隧道施工进度的关键因素。

根据调查显示,在海拔4300m处,与平原地区隧道施工人员相比,其劳动能效会降低40.6%,对隧道施工进度有不利的影响。

(九)新技术应用不足

部分施工单位在高原隧道建设中,照搬平原隧道施工经验,没有针对高原隧道建设特点,开展新技术、新设备、新工艺的开发与应用。采用传统施工手段,受高原地区功效降低等影响,导致施工进度大打折扣。

三、高原隧道开挖技术

以邦达隧道2号斜井为例,该隧道Ⅲ级围岩段开挖设计轮廓为56.2m2,前期使用人工钻爆,后期由三臂凿岩台车进行钻爆施工。以下内容为隧道开挖工序:

(一)炮孔定位

测量人员利用全站仪,根据设计炮孔位置在掌子面标记周边眼,并对掘进眼、掏槽眼等进行导向标记。测量人员两人,挖掘机一台,总花费时间21min。

(二)大机或人工钻爆 (1)炮孔打设

待炮孔放样完成后,使用三臂凿岩台车或气动凿岩机按设计孔深及角度进行孔位打设。三臂凿岩台车有两名大机操作手进行控制,人工钻爆需配备18人,总施工时间受岩层硬度影响。在Ⅲ级围岩状态下,两者所用时间相差不大,Ⅳ、Ⅴ围岩状态下,人工钻爆速度优于三臂凿岩台车。

(2)装药及爆破

钻孔完成后,根据设计装药量,使用人工进行炸药装填。大机钻孔工艺,配备10人进行装药,装药+起爆总花费时间约90min;人工钻孔工艺,由18人进行炸药装填,装药+起爆总工花费约60min。

(三)出渣

待爆破完成后,使用1台反铲装载机+8台自卸汽车进行洞渣外运,其总耗时约210min。

(四)排险及扒渣

使用挖掘机对拱顶及掌子面危岩进行排险,对掌子面底部进行残渣清理,为下一步打设底板炮眼做准备。最后,将剩余洞渣统一外运,该工序总耗时60min。

四、高海拔长大隧道快速施工技术

中铁十局川藏项目部为高质量、高标准完成川藏铁路建设,认真分析高海拔隧道快速施工制约因素,在施工过程中通过开展技术攻关,优化管理措施,使高原隧道建设速度有了质的提升。

(一)所采用的技术措施 1.爆破设计

爆破设计水平的高低直接影响到爆破效果,对隧道超欠挖及材料超耗量影响较大。施工单位成立爆破设计小组,邀请隧道爆破专家进行现场指导,根据岩层性质及爆破效果,实时优化、调整爆破设计参数,以求达到爆破面平顺,超欠挖控制符合规范要求。

在施工中,开展水压聚能光面爆破研究,并进行技术优化,有效提高爆破效率,减少炸药消耗,降低隧道内粉尘浓度。

2.超前地质预报

为准确掌握隧道开挖面前端地质及水文情况,提前预判施工风险,开展超前地质预报工作。综合利用地质雷达、瞬变电磁、TSP、超前钻孔等技术开展地质勘查、预报,及时了解隧道前端岩层变化情况,掌握突涌水风险。以便提前修改支

护参数,调整施工工艺,制度应急处置措施,确保安全快速通过风险区。

3.综合水治理

高海拔大坡度反坡排水是高原隧道施工需要面对与解决的棘手问题,高海拔与大坡度相互叠加,给反坡排水工作带来了巨大挑战。为确保反坡排水实施效果,在隧道最大涌水量、水泵选型、管道配置规模、清污分流系统设置、新型移动泵站的研发等方面开展了相关研究与技术攻关。

隧道最大涌水量计算以设计资料为依托,并考虑安全系数,为管道配置规模提供依据;水泵选择需考虑高原降效问题,并尽量考虑水泵耐磨性好,不宜损害的产品;充分利用清污分流系统及新型移动泵站,提高洞内反坡外排能力。

隧道内水泵需按一备一用设置,并安排专人24h进行维护、管理,确保隧道内整个反坡排水系统一直处于运转状态,保证洞内掌子面不出现积水,不影响隧道开挖施工进度。

4.隧道通风供氧技术

高原隧道由于其所处的低压环境,加剧了洞内粉尘、焊接烟尘,炸药爆炸产生的有毒有害气体的弥散。另外,低氧造成施工机械燃料燃烧不充分,加重了洞内空气污染程度。隧道通风系统对于提高隧道内空气质量显得尤为重要,而隧道

供氧系统对于缓解洞内施工人员疲劳,提高身体机能有很大帮助。

隧道通风、供氧系统是对高原隧道建设的有力保障,系统设计以保障施工人员健康,满足施工需求为出发点。隧道通风以轴流风机采取压入式通风,在隧道内设置环境监测系统,通过数据互联,实现洞内环境监测与风机供风自动控制。而供氧系统,采取弥散供氧、集中供应、个体携氧相结合的施工方案,力求供氧效果达到最大化。

5.新技术的应用

为提高新技术应用对施工进度的贡献程度,联合科研院所针对现场施工难题开展技术攻关工作势在必行。例如利用开挖爆破及炮眼钻孔产生的振动波为载体,研制新型超前预报探测手段,可以有效解决传统探测手段占用施工时间的弊端;针对高原富水隧道,研发针对高原施工的新型混凝土外加剂,以求降低混凝土回弹率,实现降低材料消耗,节省施工时间的目的;对传统三臂凿岩台车进行技术改造、升级,提高其智能化施工水平,并增加装药功能。可以大幅提高钻孔效率,提升钻爆效果,降低人员使用数量,加快工序施工速度;通过研究隧道断面激光可视化成像技术,利用激光设备直接将炮孔位置投影至掌子面,大大缩短人工放样时间,提高施工进度。

(二)所采用的管理措施 1.基于互联网的管理系统

基于互联网络,可以实现对现场施工进度的实时掌握。通过工程管理系统调度,对计划进度与实际进度展开多维度对比。有效下达预警提示,督促现场加快施工进度,该系统也是进度考核的重要依据。

智慧调度系统由监控系统、人员定位系统、工序管理系统组成。监控系统可以将掌子面的施工画面实时上传,方便上级领导掌握现场施工进度;人员定位系统通过设置于安全帽内的电子芯片,实现人员在隧道定位显示,方便管理人员进行管理;工序管理系统,以短消息的方式向下一道工序施工人员下达指令,进行工序提示,确保相关人员提前就位,缩短工序衔接时间。

2.建立、健全高原隧道施工进度管理规章制度

针对高原隧道建设的施工特点,施工单位通过认真分析、仔细研究,逐步建立覆盖施工全流程的施工管理制度。并在运转过程中不断进行优化、完善,最终形成具有高原隧道建设特色的施工进度管理制度。

另外,施工进度奖惩制度是加速现场施工效率提升的有效经济手段。该奖罚制度奖罚金额与考核办法不脱离实际,在

起到激励作用的前提下,不超越施工单位承受能力(采取现金奖励的方式优于数字货币)。

施工单位需建立专门机构,专人负责监督各项管理制度的推进与落实情况,确保各项规章制度对提高高原隧道施工进度作用的可持续性。

3.施工管理对施工进度的提升

(1)微信平台对施工进度的提升作用

由于网络信息技术的发展,目前,在隧道内可以做到实时通信。为了提高施工效率,及时解决施工中遇到的问题,可以通过微信群聊的方式,项目所有管理人员能够随时掌握现场施工动态,及时为现场提供服务,解决施工问题,并起到上传下达的作用。

(2)工序管理员制度

为协调隧道各工序,缩短工序衔接时间,提高隧道施工进度,设置专职工序管理员。工序管理员根据现场施工动态,调动各种资源服务于掌子面施工工序。提前组织下一个工序人员到位,做到工序间无缝衔接。

(3)物资设备保障制度

物资设备是保证隧道施工进度的关键,施工单位需提前预判施工进度,合理安排施工物资提前进场。施工设备需定期维保,确保其运转正常,不影响施工。隧道内易损坏而短时间不能修复的设备,需配备备用设备。例如,隧道内水泵做到一备、一用,保证一台损坏,另一台可以立即启用,不影响施工进度。

(4)迎检制度

隧道施工建设,上级领导检查是常态。现场施工要做到标准化、规范化,视迎检为常态化、日常化。不因检查而停止或放慢施工速度,从而影响整体施工进度。

(5)人员培训制度

定期对项目管理人员进行高原隧道建设技术培训,提高业务能力。在施工人员进行后,开展技术交底培训工作,并对施工人员进行技术与能力考核,达不到标准严禁进行施工生产。定期组织管理人员与施工人员参加技术比武,提高施工技术技能,为施工质量与施工进度的提升做出贡献。

(6)人员管理制度

为提高现场管理人员管理能力,项目管理人员要明确管理范畴、明确施工责任。对其所负责的施工内容进行施工质量、施工进度方面的考核,对考核不合格的进行相应处罚,对表

现优秀者进行奖励。以此来提高管理人员管理积极性,提高现场生产进度。

(7)早班会、交班会、周例会制度

通过开展日常早班会、交班会等,以简短的会议时间,安排生产任务,解决施工问题,提高现场施工进度。

五、结语

总上所述,通过加强施工管理,提高技术创新能力,对加快高原隧道施工进度、提高隧道施工质量,提升施工单位的整体施工水平有较大帮助。但是,由于施工单位对高原隧道施工管理的要点缺乏足够的认识,施工管理工作中问题频出,严重影响隧道施工进度及质量。而且,一些新制度在执行过程中,一旦在落实过程中出现阻力,多数会中途夭折,处于原地踏步状态。而在技术创新工作开展过程中,由于前期投入大,短期见效慢,施工单位积极性不高,也未能形成科研创新工作的长效机制与资金投入保障机制。

在这种情况下,施工单位应积极强化自身管理意识,不断提高自身管理能力,正视隧道施工管理中存在的问题,积极革新施工技术。通过建立健全相关规章制度、加强人员培训及管理等手段改进高原隧道施工管理工作,进而大幅度提升

实现施工管理水平,确保高原长大隧道施工工作高效、有序开展。

参考文献:

[1]熊朝熙.高速公路特长隧道施工管理与技术创新研究[J].隧道与桥梁工程,2022(8):41-42.

[2]鲁海峰.关于隧道施工控制标准化的建议[J].工程建设标准化,2022(4):118-120.

[3]陈家湘.复杂地质长大隧道快速施工技术研究[J].云南水力发电,2020(9):113-116.

[4]姚大发.长大隧道快速施工管理技术应用分析[J].安徽建筑,2018(4):185-186.

[5]张潘.长胜特长隧道快速施工技术研究[J].交通世界,2022(22):41-43.

[6]雷星辉.浅析隧道快速施工[J].智能施工,2020(14):128-129.

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容