铁路隧道初期支护快速封闭成环研究-创新成果报告

———1—铁路隧道初期支护快速封闭成环研究创新成果报告汇报单位：中铁隧道集团二处有限公司汇报时间：2016年7月8日目录一、中铁隧道集团二处有限公司基本概况…第1页二、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的背景…………第2页三、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的内涵…………第2页四、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的主要做法……第3页五、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的实施效果…第39页PAGE1/40一、中铁隧道集团二处有限公司基本概况中铁隧道集团二处有限公司（原铁道部隧道工程局第二工程处，以下简称“中隧二处”）隶属于世界双500强企业--中国中铁股份有限公司。公司是以建设长大隧道和复杂结构地下工程为主的大型机械化施工企业，公司现有经营范围为公路工程施工总承包壹级、市政公用工程施工总承包壹级、水利水电工程施工总承包贰级，铁路工程施工总承包叁级、建筑工程施工总承包叁级、隧道工程专业承包壹级、公路路基工程专业承包壹级、桥梁工程专业承包壹级、机械修理、制造、租赁。试验资质为公路工程综合乙级。主要承建公路隧道、铁路隧道、水工隧道、城市地铁、地下市政工程、房建、路基、桥涵等工程。通过ISO9001质量体系、ISO14001环境管理体系、GB/T28001职业健康安全管理体系认证。中隧二处目前拥有综合性工程公司12个、市政公司10个、掘进机公司6个、路桥公司3个，台车公司1个，专用机械设备管理中心1个，物资供应中心1个，中心试验室1个，制造公司1个。共有职工2721人，其中管理干部和技术人员1420人，工人1301人。公司是一个机械装备率极高的施工企业，既有用于长大隧道施工、具有国内先进水平的大型机械配套设备，又有用于中、小型隧道施工的一般机械，还装备有洞外土石方、大、中桥的施工机械，公司保有设备1280台（套），设备原值4.58亿元，设备净值2.14亿元，设备总功率133673.1千瓦，目前中隧二处配属盾构、TBM共18台套。二、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的背景由中隧二处承建的中条山隧道围岩地质情况较为复杂，为了避免在开挖仰拱时常常发生“关门”坍方事故，造成人员伤亡事件和财产损失，回归新奥法施工理念“在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的监控量测来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则”。因此项目以中条山隧道断层破碎带及其影响带施工为工程背景，总结单线铁路隧道石质软岩仰拱初期支护快速封闭施工工法具有重要的科学意义和实际应用价值，可提高集团公司在软弱岩层复杂地质环境下铁路单线隧道的施工技术水平。三、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的内涵为了杜绝石质软岩隧道开挖仰拱时出现“关门”坍方事故，结合蒙华铁路中条山隧道在石质软岩中实行仰拱初期支护快速封闭的施工技术，开挖采用上下台阶与仰拱一次开挖法施工，仰拱初期支护紧跟下台阶，且封闭成环距掌子面距离控制在一倍洞径以内，避免因长距离初支未封闭成环而造成拱墙初期支护失稳而形成关门塌方事故。从量测数据对比分析，初支封闭成环后24小时之内拱顶沉降变形及收敛变形趋于稳定，为现场的安全施工打下了坚实的基础，为类似工程施工安全管理提供借鉴。四、铁路隧道初期支护快速封闭成环研究的主要做法(一)施工工序组织研究1．设计支护参数根据现场围岩条件选取右线DK615+310～DK615+360里程段为试验段，该段属于F2中条山北麓大断裂带，围岩以片麻岩为主，风化面呈黄褐色，弱～强风化，节理裂隙较发育，短小杂乱无序，围岩整体较完整～较破碎，岩层产状：N25°E/60°N,地下水不发育，掌子面岩体干燥，为Ⅴ级围岩HD型衬砌断面支护结构，支护参数见表3.2-1。表1试验段支护参数表项目参数HD型衬砌段预留变形量8～10cm初期支护喷射混凝土全环设置C25喷射混凝土，厚度为25cm。钢筋网全环设置Φ8钢筋网，网格间距20×20（cm）。拱架全环设置I18型钢拱架，纵向间距0.8m。二次衬砌衬砌混凝土拱墙及仰拱设置C35钢筋混凝土，拱墙厚50cm，仰拱厚55cm。仰拱填充C20混凝土，厚度98cm。2．仰拱初期支护快速封闭施工台阶高度与长度的确定为确保仰拱初期支护快速封闭施工，参考以往铁路隧道传统台阶法施工经验及相关标准，最大限度地减少围岩暴露时间，尽快进行初支结构封闭，各台阶高度和长度的选择需考虑以下因素：掌子面以片麻岩为主，风化面呈黄褐色，弱～强风化，节理裂隙较发育，短小杂乱无序，围岩整体较完整～较破碎，地下水不发育，掌子面岩体干燥，上台阶使用开挖台架。为保证挖掘机能在下台阶将开挖台架吊装到上台阶，开挖台架采用2个小型台架拼装使用，下台阶高度及上台阶长度应合理调整。下台阶不使用开挖台架，采用爬梯辅助作业，省去了繁琐的机械运输、吊装、定位、调整等作业，既操作简便，又减少机械、材料、人工的消耗，节约成本，其台阶高度不宜过高，应保证在无机械配合下的人工作业的便捷性，建议在传统台阶法基础上适当减小下台阶高度。下台阶与仰拱一次开挖支护施工横断面见图1。图1仰拱初期支护快速封闭施工横断面图（2）为保证上台阶3m长的开挖台架搭设稳固，上台阶长度控制在4～5m。上台阶长度的选择应综合考虑人员操作空间及机械的最大操作半径。上台阶爆破后挖掘机位于下台阶，将上台阶的碴扒至下台阶，上台阶长度太大会使挖掘机的操作半径受到影响，增加其移动距离、就位次数，影响扒碴效率；另外，上台阶立拱时需要由挖掘机把电焊机、拱架、网片、连接筋等材料与设备运送至上台阶，上台阶距离太短则会影响材料、设备的安放及人员的操作。（3）掌子面围岩破碎，稳定性差，为保证初期支护及时封闭成环，仰拱紧跟下台阶，一次开挖支护。综合考虑以上几点，确定上台阶高度为6.1m，下台阶高度为3.53m，仰拱开挖深度0.9m，上台阶长度控制在4～5m；下台阶长度控制在1.6m（2榀钢架间距）。下台阶左右侧同步开挖，及时封闭成环。Ⅴ级围岩上台阶每循环开挖进尺1榀钢架间距，台阶长度控制在4～5m以内，下台阶开挖进尺为2榀钢架间距。仰拱初期支护快速封闭施工纵断面见图2。图2仰拱初期支护快速封闭施工纵断面示意图3．仰拱初期支护快速封闭施工工序及工艺要求（1）仰拱初期支护快速封闭施工工序组织下台阶与仰拱一次开挖支护施工的台阶法与目前初支仰拱滞后下台阶初支的传统台阶法主要区别在于：采用一次爆破、两次扒碴，一次喷射混凝土到位，下台阶与仰拱一次开挖支护，及时封闭成环。总体施工顺序为：施工准备→测量放线→上、下台阶及仰拱钻眼、爆破→通风找顶→扒上台阶碴→初喷混凝土→上开挖台架→上台阶拱架安设（同步进行下台阶及仰拱扒碴、出碴）→仰拱基面检查→下台阶及仰拱拱架安设→隐蔽验收→喷射仰拱及下台阶混凝土→仰拱回填土→上台阶喷混凝土。施工工艺流程图，见图3。图3仰拱初期支护快速封闭施工工艺流程图主要施工工序作业时间见表2。表2主要施工工序作业时间表（单循环）序号施工工序工序时间（min)备注1施工准备30含开挖作业台架就位2测量放线15平行作业，不占循环时间3上、下台阶及仰拱钻眼爆破170含布孔、钻孔、清孔、验孔合计130min，装药爆破40min4扒碴、开挖台架就位50含装药、装水袋、炮泥5出碴180与上台阶支护平行作业不占循环时间6上台阶支护180上台阶钢架、锚杆、钢筋网、超前小导管安装7下台阶及仰拱支护110下台阶及仰拱钢架、锚杆、钢筋网安装，不包含与上台阶平行作业的60分钟8仰拱、下台阶喷砼30自下而上，先仰拱后下台阶9仰拱初支面回填30回填洞碴10上台阶喷砼120湿喷机械手前行后上台阶喷砼单循环时间720注：1、表中时间均为经统计分析后的平均值，由于施工现场环境复杂，制约因素较多，实际耗时与表中数值有所出入。2、出碴与上台阶支护平行作业。3、上述循环时间采用保守统计数据（统计数据中已含误工时间），每天进度为：24/12*1.6=3.2m，则月进尺为：3.2*30*（1-10%）=86.4m，考虑不可控因素按10%计（因统计数据中已含误工时间，此处仅考虑特殊情况），基本符合近几个月来本隧道施工进度水平。（2）仰拱初期支护快速封闭施工工艺在开挖钻孔前，测量技术人员按照技术交底画出开挖轮廓线，标识隧道中线和初支仰拱标高控制线。采用仰拱与下台阶一次爆破开挖成型。出碴完成确认掌子面安全后进行支护作业。a钢架安装钢架安装工艺流程图见图4。根据测量放线位置及高程，清除拱脚下虚碴及杂物，架立钢架。各单元钢架通过螺栓连接，连接板必须密贴。上台阶钢架紧贴掌子面，下台阶两侧钢架同时开挖架立，与初支仰拱钢架连接，保证初期支护一次封闭成环。上台阶初支拱架安装示意图见图5，仰拱与下台阶初支拱架同步安装示意图见图6，仰拱与下台阶初支钢架安装效果图见图7。测量放样校正钢架无误后，拱脚用轻硬质垫块支垫牢固，钢架节点用定位系筋固定。硬质垫块支垫效果图见图8。施做锁脚锚管，用“L”形钢筋与钢架焊接牢固。用纵向连接筋将新架立钢架与前一榀钢架间呈八字形焊接牢固。施工准备施工准备合格钢架、连接钢筋加工，运输合格钢架、连接钢筋加工，运输焊纵向连接筋，安装锁脚锚管钢架拼装架立不合格合格不合格测量定位检查检查检查检查下道工序施工下道工序施工图4钢架安装工艺流程图图5上台阶初支拱架安装示意图图6仰拱与下台阶初支拱架同步安装示意图图7初支成环钢架安装效果图图8硬质垫块支垫效果图b钢筋网安装钢筋网安装在钢架背后，将上一循环预弯的钢筋网恢复设计位置，与本循环钢筋网焊接，搭接不小于一个网格的长度。同时用钢套筒将本循环靠近掌子面处的钢筋网预弯，防止被喷射混凝土覆盖，便于下一循环钢筋网安装，钢筋网安装效果图见图9。图9钢筋网安装效果图钻孔验收不合格注浆效果分析管尾与钢架焊接结束原材料进厂检验浆液配比注浆试验不能满足要求钻孔验收不合格注浆效果分析管尾与钢架焊接结束原材料进厂检验浆液配比注浆试验不能满足要求调整浆液参数小导管安装、封堵孔口小导管制作连接、调试注浆管路注浆作业合格施工准备测量定位钻孔清孔满足要求喷射混凝土封堵掌子面超前小导管支护作业工艺流程图见图10。超前小导管支护在设计孔位上做好标记，用风机钻孔，孔径较设计小导管管径大3～5mm。清孔后，用钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%。用高压风将钢管内的砂石吹出，并与钢架焊接在一起，与钢架共同组成支护体系。超前小导管注浆图10小导管超前支护作业工艺流程图注浆材料采用水泥浆液，水灰比1：1图10小导管超前支护作业工艺流程图超前小导管自两侧向拱顶方向分两序孔施工，即先注第一序孔(单号)，然后再注第二序孔(双号)。d喷射混凝土隐蔽检查合格后可进行喷射混凝土作业。喷射混凝土采用湿喷机械手，施做顺序为：仰拱→下台阶→上台阶。喷射时分段、分片自下而上对称螺旋形喷射。喷嘴垂直于岩面，距岩面距离为1.5～2.0m。e初支仰拱顶面回填洞碴为保证初支仰拱混凝土在车辆设备行走和停放时不被破坏，同时为了方便湿喷机械手前移就位进行上台阶喷砼作业，初支仰拱及下台阶喷砼结束后，及时回填洞碴。(3)仰拱初期支护快速封闭施工技术要求仰拱初期支护快速封闭施工应符合下列要求：通过现场试验，施工现场应配备充足的湿喷机械手、装载机、挖掘机、出碴车、混凝土运输车等机械设备，机械设备的性能及数量均能满足现场施工需要，并考虑一定的预备量，保证突发事件发生时具备必要的机动能力，以达到尽量缩短循环时间，各道工序尽可能平行、交叉作业，提高施工进度的目的。优化爆破设计，控制一次起爆炸药量，减少爆破振动对围岩的影响。因上、下台阶施工存在交叉现象或一定的干扰，现场领工员必须统筹安排各工序作业时间及各作业面人员、机械、设备，确保工序无缝衔接，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。人工钻眼时定人定位，严格控制超欠挖。锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施，严格按照设计施做锁脚锚管，同时保证锁脚锚管与钢架的焊接质量，为保证锁脚锚管和拱架间的有效连接，采用L型钢筋双面焊接的形式。为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、超前小导管和锁脚锚管焊接牢固。4.大区段仰拱施工工序及工艺要点遵循“初期支护快速封闭成环、二衬仰拱及仰拱填充大区段施工”的原则。为有效控制围岩变形，确保隧道施工安全，初期支护仰拱紧跟掌子面下台阶，二衬仰拱及仰拱填充采用铁路单线隧道全液压履带式栈桥，进行全幅一次性施工（单次施工不小于24m)；二衬仰拱及仰拱填充大区段施工工艺流程图见图11，二衬仰拱及仰拱填充大区段施工示意图见图12，二衬仰拱及仰拱填充大区段施工区段划分图见图13。施工测量施工测量施工缝处理、结构防排水施工、钢筋安装不合格施工准备初支仰拱顶面清碴栈桥行走就位初支仰拱顶面人工清理混凝土拌制混凝土运输质量检查合格质量检查二衬仰拱弧形模板及端头模板安装不合格二衬仰拱混凝土浇筑二衬仰拱模板拆除及填充模板安装仰拱填充混凝土浇筑仰拱填充模板拆除及养生混凝土拌制混凝土运输下一循环施工二衬仰拱混凝土养护图11二衬仰拱及仰拱填充大区段施工工艺流程图图12二衬仰拱及仰拱填充大区段施工示意图图13二衬仰拱及仰拱填充大区段施工区段划分图二衬仰拱及仰拱填充大区段施工各工序施工时间见表3。表3二衬仰拱及仰拱填充大区段施工各工序时间表备注：根据前期现场施工统计，Ⅴ级围岩每月开挖支护施工80m左右。根据单工序时间统计，采用24米全液压履带式栈桥每月可施工5组，每组24m，每月二衬仰拱可施工120m，满足施工需求。(1)测量放线测量人员准确放样出二衬仰拱侧模的平面位置，标示出仰拱填充顶面标高，在左右侧边墙上每5米放样出一对标高控制点（红色油漆倒三角+水泥钉标识），并形成书面交底给二衬仰拱施工班长。(2)初支仰拱顶面清碴初支仰拱开挖支护与边墙开挖支护同步进行，初支仰拱支护完成后回填洞碴至边墙墙脚处，二衬仰拱施工前人工配合挖掘机将回填的洞碴清除，由于栈桥前引桥较长，每次清碴区段长6m，采用挖掘机和自卸式汽车出碴。(3)二衬仰拱栈桥前行每6m回填洞碴清理完成后，二衬仰拱栈桥前行6m。前行过程中，为保证栈桥后端已施工完成的仰拱填充面不因受力面积小而压坏，在仰拱填充面上铺设钢板（长1.2m，宽1.5m，厚6mm）以扩大受力面积。(4)施工缝处理及结构防排水施工每12m作为一个钢筋安装单元。上组（24m）二衬仰拱端头凿毛处理，凿除混凝土表面的水泥砂浆和松软层。凿毛面积应不低于总面积的75%，人工凿毛时混凝土强度不低于2.5Mpa。凿毛完成后采用高压风清扫初支仰拱面上虚碴及杂物。初支仰拱面虚碴清理后效果图见图14。经监理工程师验收合格后进行施工缝防水施工。二衬仰拱环向每间隔24m设置一道施工缝，沿施工缝位置铺设一幅2m宽土工布+防水板；二衬仰拱两侧顶部预留防水层搭接长度。土工布采用热熔垫圈固定，固定点间距1.0～1.5m,防水板采用超声波热熔垫圈固定。图14初支仰拱面虚碴清理后效果图图14初支仰拱面虚碴清理后效果图(5)二衬仰拱钢筋安装上组（24m）二衬仰拱端头凿毛处理及防水施工完成，经监理工程师验收合格后安装二衬仰拱钢筋，严格按照技术交底进行安装。环向主筋接头采用冷压套筒或绑扎连接，其余钢筋接头采用绑扎连接。安装钢筋时，钢筋长度、间距、位置应满足技术交底要求。二衬仰拱环向钢筋保护层采用混凝土垫块控制，不少于4块/㎡。二衬仰拱小边墙主筋采用钢筋定位卡控制钢筋保护层厚度、钢筋间距，钢筋定位卡，纵向钢筋定位卡安装图见图15。钢筋安装后效果图见图16。图15纵向钢筋定位卡安装图图16钢筋安装后效果图(6)二衬仰拱弧形钢模板及纵向施工缝止水带安装每单元（12m）二衬仰拱钢筋安装验收合格后，安装二衬仰拱弧形钢模板。二衬仰拱弧形钢模板安装效果图见图17。安装模板前仔细检查模板尺寸、平整度、光洁度等，清除干净模板内侧的铁锈等杂物，并涂刷脱模剂。模板安装时严格按测量人员放线进行，误差控制在5mm以内，模板竖向、纵向接缝对齐，模板表面平整。边墙纵向施工缝采用中埋式橡胶止水带+制品式遇水膨胀橡胶止水条。中埋式橡胶止水带采用止水带定位卡固定。中埋式橡胶止水带定位卡见图18。制品式遇水膨胀止水条的预留槽采用自制模具压制而成。止水条预留槽自制模具效果图见图19。止水带及止水条预留槽效果图见图20。图17二衬仰拱弧形钢模板安装效果图图18中埋式橡胶止水带定位卡图19止水条预留槽自制模具效果图图20止水带及止水条预留槽效果图(7)二衬仰拱端头模板安装二衬仰拱钢筋（24m）及弧形模板安装完成后，安装端头模板。二衬仰拱端头模板采用定制的大模板，施工过程中先用下部模板将底部背贴式止水带压紧固定，将中埋式止水带布设在下部模板表面，再安装上部模板，采用钢筋固定牢靠。环向及纵向止水带在交叉处必须密贴焊接。止水带接长采用热硫化焊接。止水带接长热硫化焊接效果图见图21。模板安装完成后进行自检，检查中线、高程、断面和净空尺寸等，自检合格后报监理工程师检查。经监理工程师检查验收合格，方可进行下道工序施工。图21止水带接长热硫化焊接效果图21止水带接长热硫化焊接效果图(8)二衬仰拱混凝土施工采用C35混凝土。混凝土由拌合站集中生产，通过混凝土运输车运输至施工现场。采用溜槽浇筑，由二衬仰拱中心向两侧对称浇筑，一次完成。采用插入式振捣棒振捣，边浇筑边振捣，振捣时振捣棒竖直，且快入慢出，振捣点均匀分布，距离模板大于10cm，振捣至混凝土不冒气泡、不下沉、表面开始泛浆为止。二衬仰拱混凝土浇筑后效果图见图22。图22二衬仰拱混凝土浇筑后效果图图22二衬仰拱混凝土浇筑后效果图(9)仰拱填充施工采用C20混凝土。浇筑前由专人检查仰拱内积水、杂物等,清理干净。模板采用钢模板，安装前由专人对模板进行打磨，检查合格后进行模板安装。严格控制仰拱填充的标高，避免侵入道床范围。模板安装完毕且自检合格后，经监理工程师检查验收合格，方可进入下道工序施工。仰拱填充混凝土拌制、运输、浇筑及振捣的要求同二衬仰拱混凝土施工。混凝土浇筑应分层施工，厚度控制在30cm左右。仰拱填充混凝土浇筑后效果图见图23。初凝后进行洒水养生，养护时间为14天。为防止对仰拱填充混凝土造成损伤，24h后方可脱模。图23仰拱填充混凝土浇筑后效果图图23仰拱填充混凝土浇筑后效果图5．仰拱初期支护快速封闭、二衬仰拱及仰拱填充大区段施工的相互关系中条山隧道进口掌子面开挖支护循环时间约为12小时（统计数据中已含误工时间），每天进度为：24/12*1.6=3.2m，则月进尺为：3.2*30*（1-10%）=86.4m，考虑不可控因素按10%计（因统计数据中已含误工时间，此处仅考虑特殊情况），基本符合近几个月来该隧道施工进度水平。二衬仰拱及仰拱填充大区段施工循环时间为131小时（含养护时间），初支仰拱顶面清碴安排在掌子面钻眼后开始，确保爆破前栈桥已就位，从而不影响机械通行，达到二衬仰拱和掌子面的工作互不干扰。仰拱理论进度30*（24/131）*24*0.90=118，其施工能力大于掌子面施工能力，必要时还可以停止二衬仰拱施工以满足掌子面施工需要。实际施工中，Ⅴ级围岩的月开挖支护进度指标为70~80m/月。实际施工中，二衬仰拱是随掌子面的进度而定，实际指标为96m/月左右。6.施工工艺要点及组织管理技术措施(1)人力配置根据现场组织管理要求及人力资源现状确定的人力资源配置详见表4。表4仰拱初期支护快速封闭施工人力资源配置表（单作业面）序号作业队班组名称每班人数配备班数小计(人)备注1开挖作业队开挖支护18236开挖、支护2喷浆4283衬砌作业队二衬仰拱及仰拱填充施工221225合计66(2)组织管理项目管理采取系统部门集中管理，左右线相对独立组织生产，单独核算的管理模式。采用混岗作业的架子队组织模式进行管理，该管理模式政令畅通，管理简易，可以实现不间断连续循环作业，有利于加快施工进度和提高施工效率。(3)成本管理成本管理主要围绕现场施工实物数量的控制来开展，各工序及时全程紧跟，控制工班现场消耗量。制定超欠挖考核、循环时间考核等节奖超罚措施，提高工人积极性，使每方开挖单价控制在合理范围内，从而有效控制项目成本。(4)施工管理隧道施工的重点在掌子面，开挖是隧道施工的“龙头”，是控制隧道施工总进度的。因此，把掌子面作为工序管理的重点。“一切为了掌子面”应是工区施工的灵魂，各相关部门全面服务于工作面施工。即：隧道施工以开挖为龙头，铺底二衬紧跟，各工序平行施工。施工材料成品化：施工用材料在洞外加工成品，例如钢架、连接筋、锁脚锚管、超前小导管等。施工工序标准化：施工前制定合理的施工工序流程，施工中严格按工序流程组织施工，任何人不得随意更改工序流程，确保标准化作业，减小随意施工造成的管理困难及质量难以控制。(5)后勤保障隧道施工如同战场打仗，打的是后勤保障。后勤保障工作就是全心全意为了掌子面，遵循“谁误时谁负责的原则”进行考核，要求做到“现场要什么有什么”，机具、机械、材料供应都是送上门的，供应充分、及时，急现场所急，办事节奏快，不过夜。现场一有事，不管什么时间，相关人员都是立即奔赴现场去处理。项目部成立了机修作业队，负责对大型机械维修及水、电、风线路的接长、维护，机修班采用内部承包方式。各作业队均配备有维修人员，负责对使用的小型机具（含喷浆机）进行维护保养。（二）机械设备选型及配套技术研究1.设备总体配套原则根据中条山隧道进口现场实际情况，结合快速施工的进度要求、空间及围岩条件，中条山隧道进口采用仰拱初期支护快速封闭进行施工：从开挖支护作业线到二次衬砌作业线按机械化配置进行，开挖作业线采用风钻、挖掘机、装载机、空压机等，喷射砼作业采用湿喷机械手。设备配置按衬砌能力≥仰拱≥初支≥开挖的原则配置，确保初支的快速封闭和隧道施工安全步距。2.机械化设备配套方案(1)仰拱初期支护快速封闭施工机械化配套方案描述开挖作业线采用一台全站仪测量、风钻钻孔、人工装药作业，尽量减少对隧道围岩的扰动，减少配套设备的投入，节约能源。锚喷支护作业线，由于施工进度快，喷射混凝土作业必须紧跟，才能做到及时封闭开挖作业面；为加快施工速度，锚喷支护作业线根据现场实际采用湿喷机械手进行，机械手喷射能力达到20m3/h以上。装碴运碴作业：采用履带式挖掘机扒碴，装载机进行装碴，自卸汽车运碴。仰拱作业线：采用铁路单线隧道全液压履带式栈桥，其下部作业空间较大，可以保证桥下能开展初支仰拱顶面虚碴清理、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇注作业，因此可显著提高二衬仰拱施工的作业空间，保证仰拱作业的效率。防排水作业线：采用防水板铺设台架。二衬作业线：采用全断面液压钢模衬砌台车，混凝土采用集中搅拌、混凝土运输车运送、混凝土输送泵进行浇注，二衬养护台架进行二衬混凝土养护。(2)具体设备配置方案针对中条山隧道进口的特点，为保证重点控制工期的高风险隧道按期完工，因地制宜，结合现场实际按仰拱初期支护快速封闭组织施工，并相应编制设备配套方案进行配套施工。目前，施工现场设备配置符合机械化配套方案要求。严格机械设备管、用、养、修制度，科学管理，以达到快速施工的目的。中条山隧道进口配置了湿喷机械手、装载机、挖掘机、自卸汽车、铁路单线隧道全液压履带式栈桥等先进设备，同时投入了仰拱弧形模板、养护作业台架等非标设备。机械化配套方案设备配置见表5，中条山隧道进口主要设备、人员配置情况见表6，机械化配套主要设备配置的施工能力、循环时间见表7。表5仰拱初期支护快速封闭施工机械化配套方案设备配置表（单作业面）作业工序设备名称规格数量备注开挖作业线风动凿岩机YT-2814台全站仪TS021台电焊机3台空压机20m33台支护作业线湿喷机械手30m3/h1台混凝土输送车10m35台与二衬共用混凝土拌合站90m3/h2台与二衬共用仰拱作业线全液压履带式栈桥24m1幅挖掘机≥0.8m31台与开挖共用仰拱孤形模板24m1幅混凝土输送车≥6m33台与二衬共用装碴运碴作业挖掘机≥0.8m31台装载机2.2m31台自卸汽车20t4台根据运距增加防水板、钢筋作业铺设台架6m1台二衬作业模板台车12m1台混凝土输送泵60m3/h1台混凝土输送车≥6m35台混凝土拌合站90m3/h1台养护作业台架1台表6每工作面主要设备、人员配置表工作内容设备配置人员配置开挖火工品运输车1辆，风钻14台，空压机4台。司机2人/班，打眼、装药18人/班装运挖掘机1台，装载机1台，大型自卸汽车4台。挖掘机司机1人/班、装载机司机1人/班、自卸汽车司机1人/车/班。支护混凝土喷射机械手1台，混凝土拌和站1座。机械手喷：4人/班，立拱架14人/班、注浆工4人/班、混凝土拌合站司机6人/班/座。防水衬砌12m液压衬砌台车1台、仰拱模板1套、全液压履带式栈桥1幅、混凝土拌和站1座、混凝土输送车5台、输送泵1台。防水板铺设6人/班、衬砌台车5人/班、衬砌模板木工6人/班、输送泵和输送车司机5人/班、混凝土振捣配合人员6人/班；仰拱模架司机8人/班，仰拱模板木工6人/班，输送车司机3人/班、混凝土振捣配合人员6人/班；混凝土拌合站司机6人/班/座。辅助工作通风：1台2×110kW轴流式风机；高压水、排水：10台水泵；施工用电：变压器容量1200--2100KVA；自卸汽车、载重汽车各1辆。通风：4人/班高压水、排水：4人/班施工用电：3人/班文明施工及工地搬运：8人/班表7机械化配套主要设备配置及施工能力、循环时间工作内容主要设备配置施工能力循环作业时间开挖作业线火工品运输车1辆，风钻14台，空压机4台。每分钟钻进32～40cm循环作业时间在3小时左右装运ZL40侧卸式装载机1台、神刚140挖掘机1台、大型自卸汽车4台。装运土石方60-70m3/h循环作业时间在3小时左右支护KC-30混凝土喷射机械手1台，混凝土运输车2辆。喷浆方量20m3/h（机械手）循环作业时间在3小时左右防水衬砌12m液压衬砌台车1台、仰拱模板1套、全液压履带式栈桥1幅、混凝土拌和站1座、混凝土运输车5辆、输送泵1台。12m二衬1组/三天三天左右面对日益增长的人工紧缺的局面，为解决施工效率相对较低，施工质量不稳定，无法满足目前铁路隧道快速施工的需要的诸多问题。在今后的施工中，大型机械化配套方案的应用是长大铁路隧道施工的趋势，在本章着重对仰拱初期支护快速封闭施工机械化配套方案的开挖、初期支护、二衬仰拱及仰拱填充工序进行工效分析，其它同传统台阶法施工。（三）仰拱初期支护快速封闭施工爆破工序和工艺研究1.爆破工艺参数人工手持YT28风钻进行钻眼，掌子面一共11把风钻，其中上台阶8把（台架上4把，两侧拱脚位置各2把），下台阶2把风钻，仰拱1把风钻。爆破采用弱爆破，炮眼布置及装药量见图24。图24上下台阶及仰拱炮眼布置图炮眼布置及装药量分配见表8。表8HD型衬砌断面台阶法施工炮眼布置及药量分配表部位炮眼分类炮眼数（个）雷管段数炮眼深度（m）装药结构药卷数量（节）单孔装药量（Kg）合计药量（Kg）装填系数上台阶周边眼33111.9间隔20.3210.560.21二圈眼1891.9连续30.488.640.3压顶眼472连续60.963.840.6辅助眼352.1连续60.962.880.6扩槽眼632.1连续71.126.720.68掏槽眼1412.38连续91.4420.160.75小计7852.8下台阶周边眼14111.9间隔20.324.480.21二圈眼891.95连续30.483.840.3底板眼692连续71.126.720.65上层眼371.9连续50.82.40.55小计3117.44底板眼7112连续81.288.960.83合计11679.2按照每循环进尺1.6m炸药单耗为79.2/（1.6*68.66）=0.72kg/m³2.机械配置钻孔采用YT-28型风动钻机14台。计算步骤如下：式中，ΣＱ-同时工作的钻孔机具总耗风量，m3/min；N-同时工作的钻孔机具总数量；q-1台钻孔机具的耗风量，m3/min，2.6-3.5m3/min；K1-同时工作的折减系数，取0.9；K2-机具损耗系数，钻孔机具取1.15；K3-管路损耗（漏气）系数，线路上度大于2km，取1.2，线路不大于2km，取1.1。按同时开动14台YT28钻机计算：ΣＱ=14×3.5×0.9×1.15×1.1=55.78m³/min因此开3台20m3/min的空压机即满足施工要求。3．材料消耗通过对施工现场材料消耗的统计分析，合金钢钻头消耗约为0.0527个/m3，六角空心钢0.024kg/m3，每循环开挖石方68.66*1.6=109.856m3,故合金钢钻头消耗量为5.79个/循环，六角空心钢消耗量为2.64kg/循环。（四）围岩变形分析1．监控量测方案为了反映下台阶与仰拱一次开挖支护施工过程中的变形特征，试验段内沿隧道轴向每5m埋设一个断面，对试验段隧道拱顶沉降、周边收敛进行监测。（1）监控量测点布置Ⅴ级围岩每个断面布置拱顶下沉测点一个，水平收敛测线2条，见图25。水平收敛线2水平收敛线1拱顶沉降点水平收敛线2水平收敛线1拱顶沉降点图25Ⅴ级围岩位移测点布置（2）监控量测频率监控量测频率见表9。表9位移监测频率变形速度（mm/d）量测断面距开挖工作面距离量测频率≧5＜1B1～2次/d1～51～2B1次/d0.2～12～5B1次/2d＜0.2＞5B1次/周2．试验段监控量测结果分析拱顶下沉及水平收敛量测值是反映隧道结构安全与稳定的重要依据，是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反映。对右线DK615+310～DK615+360里程段布设拱顶沉降测点和水平收敛测线，采集量测值，并对量测结果进行分析。为反映试验段内监控量测的整体变形情况和变形特征，根据现场施工及监测情况，收集中条山隧道进口右线DK615+310～DK615+360里程段11个监测断面的监控量测资料，并提取最终沉降、最终收敛值、最大沉降速率、最大收敛速率，统计结果见表10。表10试验段监控量测变化统计断面项目拱顶沉降水平收敛沉降（mm）距掌子面距离（m）所需时间（d）收敛（mm）距掌子面距离（m）所需时间（d）DK615+310监测终值-6.949.231-5.7（-1）49.231最大速率-1.74.63-1.9（-1）15.815DK615+315监测终值-4.073.6338.1（-1）73.633最大速率-1.618.48-1.9（-2）40.615DK615+320监测终值-4.27736-3.5（-2）7731最大速率-2.348.823-2.4（-1）22.412DK615+325监测终值-4.27234-7.6（-1）7234最大速率-1.659.428-2.8（-2）37.212DK615+330监测终值-8.375.43916.8（-1）75.433最大速率-2.55.84-3.4（-1）23.212DK615+335监测终值-8.070.435-8.4（-1）70.435最大速率-2.953-3.5（-2）265DK615+340监测终值-4.469.634-11.8（-1）69.634最大速率-2.08.43-3.4（-1）10.84DK615+345监测终值-5.064.631-3（-2）64.628最大速率-2.75223-2.6（-2）47.216DK615+350监测终值0.268.632-2.5（-2）68.628最大速率-1.829.612-4.1（-2）23.65DK615+355监测终值-4.263.331-4.6（-1）63.3