沙坝隧道初步施工设计方案中铁第十五工程局沙坝隧道初步施工设计方案本方案着重叙述沙坝隧道出口段使用臂式掘进机非钻爆法进行隧道施工的方案。

1、设计依据1.1新建铁路重庆至怀化线初步设计方案（铁二院，2000年6月）。

1.2铁道部1999年科技发展计划项目（99G54）“软岩隧道悬臂式掘进机总体方案研究报告”（石铁院，1999年9月）。

2、工程概况图一沙坝隧道位于重庆市黔江县境内。

主要岩性为页岩夹砂岩、砂页岩互层。

岩性单一，构造简单，但岩层倾角平缓。

地下水主要为基岩裂隙水，和孔隙水，最大涌水量为2500m3/d，水质对砼无侵蚀性。

隧道进口里程CIK290+400，出口里程CIK298+355，全长7955米。

设计斜井里程DIK296+150，斜井与隧道平面交角45°，倾角20°12′39″，斜长253.78米。

施工工期37.19个月。

隧道进口地形陡峻。

自隧道进口至出口，围岩类别依次为：5米IV式III类明洞、125米III类、7560米IV类、242米III类、15米III类偏压衬砌、8米IV式III类明洞衬砌。

本方案中，出口将采用臂式掘进机非钻爆法开挖。

3、总体施工安排隧道进口至斜井，即CIK290+400至CIK296+150，全长5750米，采用钻爆法施工。

其中，进口段为主攻方向。

主要采用瑞典阿特拉斯TH568-13门架式钻孔台车全断面开挖，德国ITC312H4挖掘装载机装碴，国产梭式矿车、电瓶车、防运输干扰过轨梁有轨运输出碴，类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌，仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆槽紧跟的施工方法。

斜井为副攻方向。

采用下层平台可开启成门式的，自制多功能台架全断面钻爆、临时支护、防水板施工；国产（或进口）立爪装碴机、梭式矿车、电瓶车、防运输干扰过轨梁有轨运输、卷扬机辅助牵引出碴；类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌；仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆槽紧跟。

出口段8米IV式III类明及15米III类偏压衬砌，共23米成洞，采用钻爆法施工。

其余2182米采用悬臂式掘进机非钻爆法施工。

其中242米III类围岩，作为悬臂式掘进机非钻爆法施工试验段，长台阶（台阶长242米）或微台阶（台阶长1.5～2.0米，待进一步讨论）开挖，先拱后墙衬砌，仰拱、铺底封闭紧跟，自卸汽车无轨运输出碴。

在本段施工中，为提高隧道衬砌整体质量，准备采用掺纤维网（Fibermesh TM）聚丙烯纤维喷射混凝土（该工艺我局在神延线羊马河隧道已进行试验，效果良好，唯纤维网价格较高），以增强喷混凝土的抗折强度及增加喷混凝土的厚度成为可能。

在初期支护可靠的情况下（以围岩量测为监控手段），仍准备采用先墙后拱的衬砌方法。

在以后的方案叙述中，凡涉及使用先拱后墙施工方法的部分，遵循设计文件规定，必须使用先墙后拱的施工方法，则采取上述加强初期支护的方法来满足设计要求。

其余1940米IV类围岩，采用悬臂式掘进机非钻爆法全断面开挖，下层平台可开启成门式的自制多功能台架辅助施工，自卸汽车无轨运输、防干扰仰拱施工作业平台出碴，类箱筐式衬砌台车先墙后拱全断面衬砌，仰拱、铺底先行，衬砌、水沟、电缆紧跟的施工方法。

出口1940米IV类围岩段，预留台架法钻爆、无轨运输施工模式。

非钻爆法施工模式效果不理想时，可以及时更换施工方法。

4、接桩复测及洞外、洞内控制测量4.1接桩、复测4.1.1接桩现场点交所有平面、中线测量桩橛，及时固桩、护桩。

主要桩橛长期保护，直至竣工验交。

4.1.2复测复测利用GPS全球定位系统。

中线桩复测：利用GPS全球定位系统，测量隧道进、出口切线和隧道中线上主要中线桩坐标，反算曲线偏交、中线点距。

根据误差传播定律，推算复测结果与线路定测结果之间的对比关系，确定是否超限。

高程桩复测：利用几何水准测量，配合GPS全球定位系高程拟合，进行高程桩复测。

视交通、地形等情况，复测工作可在3～7内完成。

4.2洞外平面精密控制测量4.2.1 选点埋石选点时，各洞口必须有两个点位于隧道两端曲线切线、隧道中线或其延长线上。

控制点埋石，必要时建立带强制归心装臵的永久观测墩。

4.2.2测量方案利用3台套GPS全球定位系统，边连接式静态相对定位测量。

由于该隧道不足8公里长，控制点间距一般不会超过10公里。

在隧道进口、斜井口、出口合适位臵，各自选出3个点，布臵成大致如图二所示的网形。

图二4.3洞外临时、精密高程控制测量进行洞外平面精密控制测量时，利用几何水准测量，配合GPS全球定位系统高程拟合，进行临时高程控制测量，指导前期开挖。

作为技术攻关项目，超前研究高等级GPS高程拟合方法。

利用S1级电子水准仪往返几何水准测量，或TCRA1101自动跟踪全站仪高程导线测量，为该隧道提供精密高程数据，指导衬砌施工。

4.4洞外、洞内联系测量利用TCRA1101自动跟踪全站仪边、角交会法，引测洞口三维控制桩，指导隧道施工。

4.5洞内控制测量沿隧道中线，利用TCRA1101自动跟踪全站仪，建立梭形直伸式三维立体导线，注意多期观测值联合利用。

布网形式如图三。

图三5、施工能力分析5.1进口段门架台车模式施工能力这种模式，在国内外单线铁路隧道施工中已有大量成功经验。

只要各工序衔接良好，配合得力，搞好平行作业，其实际施工能力能达到平均单口、单工作面月成洞150～200米。

考虑到其他因素影响，施工能力一般不会低于平均单口、单工作面月成洞100～140米。

5.2斜井段自制台架模式施工能力这种模式国内使用较多。

我局自铁道兵时期，就开始摸索、完善该施工模式。

目前，在这方面已有很成熟的施工经验。

根据我局使用情况，采用该模式施工，其实际施工能力，能达到平均单口、单工作面月成洞120～150米，最高可达单口、单工作面月成洞180米以上。

考虑到斜井施工等其他因素影响，施工能力一般不会低于单口、单工作面月成洞70～100米。

5.3出口段悬臂式掘进机非钻爆模式施工能力5.3.1悬臂掘进机有关参数根据铁道部1999年科技发展计划项目（99G54）“软岩隧道悬臂式掘进机总体方案研究报告”，研制中的臂式掘进机参数如下：外形尺寸（长×宽×高）：15m×3m×3.25m（扒碴裙板收拢）;掘进高度：8.0m; 卧底深度：≥0.6m；底盘静止时开挖宽度：6米；爬坡能力：16°；最大切割岩石硬度：f13.2（约100MPa）；经济切割岩石硬度：f8；卸碴高度：2m或3m可调；总功率：325KW；切削电机功率：160KW；液压系统电机功率：110KW；下挖：0.5米；供电电压：1140V；机重：70T；出碴系统施工能力：≥150m3/h；行走系统：履带；接地压强：小于0.14MPa。

5.3.2悬臂掘进机的掘进能力我国自制悬臂掘进机的岩石切割能力一般为30～60m3/h，最高可达80m3/h。

国外悬臂掘进机的岩石切割能力一般在50～80m3/h，最高可达100m3/h。

根据已有设备实际应用情况，悬臂掘进机的利用率一般为：20～60%。

设掘进后岩石松散系数为1.5。

研制中的悬臂掘进机，在最高生产能力情况下，松碴排量为80×1.5=120 m3/h，即2 m3/min，而悬臂掘进机的出碴裙板张开后有较大的容积，因而该机可以保证在连续掘进的同时，满足间断出碴的需要。

悬臂掘进机施工时无需爆破，切割面平顺，可以有效控制超挖，只要搞好测量放线，精心操作，则单线铁路隧道的开挖断面可以控制在55㎡以下。

尽管悬臂掘进机工作时需不间断出碴，影响衬砌等工序施工，但该机的利用率并不高，每天都有大量的时间用于机器维修保养，而这段时间可以进行其他工序施工，因此臂式掘进机的开挖进尺几乎与成洞米相等。

设臂式掘进机利用率为20%（每天开挖、出碴的时间为5小时）时，成洞系数为1，利用率与成洞系数成反比，则可以推算悬臂掘进机的施工能力。

表一列出了在一定条件下，悬臂掘进机的施工能力。

表一：悬臂掘进机施工能力对照表（单线电化铁路）另一出碴方案：用集装箱自卸车进行出碴运输，能有效解决悬臂掘进机不间断出碴，影响衬砌等工序的矛盾，提高悬臂掘进机的利用率。

出碴运输采用日本TCM公司集装箱装碴自卸车。

该车的自卸集装箱容积为15m3，车头和自卸集装箱可以分离，在一台车头配置多个自卸集装箱的条件下，可在工作面附近倒换集装箱。

配备12个集装箱，则能容纳隧道3米掘进的出碴量，可待衬砌工序完成后，再往洞外集中倒运废碴。

此方案可有效减少工序干扰，提高悬臂掘进机的工作效率。

自卸集装箱倒碴模式见图四。

(我局机械厂可以自制集装箱)图四5.4出口段预留施工模式的施工能力出口段预留自制台架法钻爆、无轨运输施工模式。

其施工能力可达70～90米单口、单工作面月成洞。

6、工期控制（最不利工期设计）6.1最不利工期设计原则⑴最不利工期为最差施工能力时，三条施工作业线工期的最大值，其大小应满足合同工其要求，否则需改变施工方法；⑵隧道进口至斜井段同时完工；⑶科研试验服从施工工期要求。

即：为确保工期，隧道出口试验段工期应小于最不利工期。

6.2前期施工施工准备1个月。

进口段前两个半月，利用传统台阶法，完成5米IV 式III 类明洞、125米III 类围岩施工。

斜井段利用2个月时间，完成254米斜井施工。

出口段利用一个月时间，采用传统台阶法，完成8米IV 式III 类、15米III 类偏压衬砌施工，为科研试验创造条件。

然后在6个月内，采用长台阶或微台阶、先拱后墙、非钻爆法施工，完成242米III 类围岩施工，完成台阶法施工科研试验任务，月均成洞40.4米。

6.3最不利工期设计设最不利工期为t ；隧道进口门架式台车施工模式工期为t 1；斜井自制台架施工模式工期为t 2；隧道出口采用预留施工模式施工工期为t 3；门架式台车作业线施工长度为L 。

由非钻爆法施工模式向台架施工模式转换的工序转换时间为0.2个月。

根据最不利工期设计原则，可列立如下关系式：⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧≤≤==++++=-++=++=2.37),,max(7019402.0611705620211005.21332121321t t t t t t t t t L t L t求解上述关系式可得：L=3285米，t=36.4个月。

即最不利工期比合同工期短，采用的施工方法可行。

因此，进口需完成CIK290+400至CIK293+815，全长3415米；斜井需完成CIK293+815至CIK296+150，全长2335米；出口需完成CIK296+150至CIK298+355，全长2205米。

如果悬臂式掘进机使用效果理想，能够达到120～150米单口、单工作面月成洞，其他两个口施工正常，则可大大缩短工期。

7、出口段施工方案7.1明洞施工进洞方式：刷仰坡，清危石，仰坡喷砼加固，打设3.5米长，φ22砂浆锚杆。