郭洪涛 ，柴相庆 （中铁四局工程建设分公司，陕西 西安 710100）
1 工程概况
核桃峪煤矿是由华能甘肃能源开发有限公司投资兴建的大型煤矿，主井位于庆阳市正宁县周家乡一里湾附近。本次新建工程项目为核桃峪主斜井工业场地至米家沟选煤厂带式输送机工程，带式输送机从主井二号转载点起，至选煤厂受煤仓上口。具体方案是从核桃峪主斜井工业场地2＃转载点至米家沟选煤厂受煤仓布置一条直线带式输送机。栈桥出主斜井工业场地后，跨过无日天沟沟口和X205道路；进入政平村隧道，出隧道后向西斜跨泾河，利用栈桥跨河后穿越米家坡隧道，在排矸公路护坡台阶下穿出后，利用栈桥接入米家沟选煤厂受煤仓。本工程包含3座栈桥、2条隧道。政平书院段（长度312m）及米家坡段（长度848m）为隧道部分，其余为地面栈桥，线路全长约2417m。
图1 工程总平面图（卫星图）
2 设计概况
本工程隧道成型尺寸4m×3.6m，政平隧道为黄土隧道，埋深4m～35m，米家坡隧道出口段（200m）为黄土隧道，剩余均处于中/弱风化砂质泥岩，其中米家坡隧道出口段为长度14m（坡度28.675%）下坡以圆曲线（半径801.5m）接0.4%平洞。黄土隧道及中风化砂质泥岩区段初支采用锚网喷射混凝土+11#矿用工字钢结构，弱风化砂质泥岩区段初支采用锚网喷射混凝土结构。黄土隧道及中风化砂质泥岩段设有350mm～500mm二衬混凝土，其余区段无二次衬砌。
图2 隧道净断面布置图
图3 米家坡隧道出口大坡度段纵断面图
3 工程重难点分析
由于开挖断面较小及米家坡隧道出口段坡度较大，本工程施工存在以下重难点：
①隧道成型断面小，施工组织困难，不具备大型机械的施工条件，施工过程中各工序施工效率低，施工组织难度较大；
②米家坡隧道在出口段200m范围内为黄土隧道，其余为Ⅳ、Ⅴ级围岩，在土石交界隧道的开挖过程中，下部石方开挖对顶部黄土造成扰动，顶部存在坍塌冒顶的风险；
③米家坡隧道出口28.67%的大坡度段，施工二衬时衬砌台车存在“溜车”、“翘头”风险；
④米家坡隧道出口段部分隧道埋深小于3倍洞径，最小处埋深约1倍洞径，隧道顶部有排矸公路，重载车辆较多，开挖及车辆通行对浅埋覆土扰动较大，施工存在一定的风险；
⑤洞内材料运输机械行走及出渣机械大坡度段行驶，存在视线不清、遇刹车失灵等情况，如措施不当可能会造成较严重的机械伤害事故。
与常见公路铁路隧道相比，本工程隧道内施工空间有限，地质条件较复杂，坡度变化较大，在施工机械选用、临时设施布置、材料进出洞运输等方面需有针对性措施，在施工安全风险识别控制及施工组织方面存在较大的不同，在本项目特殊隧道如何安全、高效地施工，具有很大的研究价值。
4 安全风险评判及控制措施
如下表所示。
5 施工组织分析
5.1 开挖
本工程隧道围岩主要为黄土状粉砂土和砂质泥岩，开挖范围内无地下水，基岩段仅存在少量裂隙水，开挖可不考虑地下水影响。分析勘察资料各地层工程特性，黄土段隧道采用机械开挖，基岩段隧道采用爆破开挖。
黄土隧道开挖综合考虑围岩特性及隧道断面尺寸，开挖机械应满足具备足够开挖功率、适当转动空间及工作高度，经查阅各型号机械工作参数，黄土隧道开挖选用75型反铲挖掘机，经现场验证此型号挖掘机可很好满足开挖要求。黄土状粉砂土自稳性较差，受外界扰动易产生掉块，针对此种现象，开挖过程中应减少扰动，首先开挖隧道外轮廓，中间预留核心土对掌子面进行反压稳定，经现场实践此方法可有效控制掉块失稳现象。根据黄土密实程度，每循环开挖进尺宜控制在1.2m～1.6m为宜，开挖进尺不宜过大。
安全风险评判及控制措施
图4 土石复合地层示意图
岩石段隧道开挖，需根据不同的岩性调整爆破参数，从而有更好的爆破效果。本工程隧道断面小，凿岩机工作空间较小，炮眼角度不易控制，经过多次实验总结，每循环进尺以2.0m～2.3m最为经济合理，循环进尺过长，爆破轮廓差，衬砌材料浪费严重且喷射混凝土工序时间增加，循环时长延长。
5.2 出渣
图6 黄土隧道开挖图
图5 大坡度段隧道开挖
政平隧道采用单头掘进，米家坡隧道采用双头掘进，每端开挖最大长度约400m，根据隧道断面尺寸及每循环进尺，每循环出渣量约40m3。因隧道断面宽度为4m，常用隧道装渣设备无法掉头和会车，施工前制定了3种出渣方案，方案1：采用扒渣机+输送皮带进行出渣；方案2：采用扒渣机+小型运输车出渣；方案3：采用50型装载机出渣。从经济性、施工组织效率性、实用性3方面综合比对，一般施工机械不具备在满载的情况下爬陡坡能力，结合自有机械情况，最终选用50装载机出渣，经分析对比，此种出渣方式在500m范围内实用性较强、效率较好，超过500m不经济，可选用其它方式出渣。
5.3 通风
图7 爆破进尺参数统计
图8 各出渣方案耗时及成本分析统计
因隧道宽度和高度限制，成型段隧道在布置完风、水、电管路后，净空变小，起初隧道通风采用600mm柔性通风带进行通风，但施工过程中因出渣和材料运输，风带经常出现剐蹭破损，修补工做频繁且风量损失较大，施工效率下降，开挖距离增大后通风量已不能保证掌子面供风需求。经多次试验，采用300mmPE波纹管进行隧道内通风效果良好，运输过程中小碰撞不会导致风管破损，安装较为方便，风量损失小，开挖至400m后，现场采用仪器测量，风量、风速均满足通风要求。通过使用成本对比分析，采用波纹管通风与常用柔性风带通风成本投入相当，且波纹管可多次重复使用，使用完毕处置后还可回收部分成本。综上：小断面隧道采用此类型通风管道经济合理，在同类型工程中具有较大推广使用价值。
5.4 材料运输
图9 调车硐室布置示意图
隧道内主要使用的材料有型钢拱架、钢筋网片、连接筋、锚杆、喷混料等，因隧道断面小，各种机械及运输车辆无法在洞内会车。因此隧道内每隔200m设置调车硐室一处，调车硐室长度5.0m、净宽5.0m、净高4.0m。随着隧道进尺加长，运输机具进出洞运距越来越长，设置调车硐室可大大节约每循环时间，提高运输工作效率，使用完后的工作台架、小器具等，均可以放置到调车硐室内。
图10 顶板受力分解示意图
图11 迎山角β示意图
6 大坡度段隧道施工要点分析
6.1 大坡度段钢架安装
在倾斜隧道内，隧道顶部压力主要为上部围岩重力，受力方向垂直向下。顶部压力P可分解为2个方向的力，一个是平行于顶板的斜向力P1、另一个是垂直顶板的垂直压力P2。因此斜向隧道的拱架既要承受垂直压力，又要承受平行于顶板的推力。因此斜向隧道的拱架不能垂直于底板的方向去架设，须向上迎一个角度β，克服平行于顶板的推力，把柱腿中心线与顶底板法线之间的夹角称为迎山角，拱架的迎山角是克服拱架向下倾倒重要的措施之一。
迎山角的计算方法：拱架的迎山角β，是通过隧道的倾角α来计算，一般迎山角β取倾斜角的1/6～1/8。即β=α×（1/6～1/8）。在煤矿术语中将迎山角过大称为过山，迎山角过小称为退山，过山或退山都将会影响到拱架的支撑效果，是不允许的。
通过以上论述可知，拱架的实际控制角度（拱架与竖直方向夹角）值γ=αβ。
α：第x榀拱架拱脚处里程点切线与水平面的夹角；
β：第x榀拱架拱脚处里程点迎山角。
图12 现场拱架安装迎山角控制
6.2 大坡度运输管理
大坡度段一旦运输机械出现刹车失灵，将存在溜车的风险，存在较大的安全隐患，因此针对大坡度段运输制定了各项措施。①隧道洞口顶部安装红绿灯，洞内工作面安装警铃，红绿灯与警铃信号相互串联。②在装载机进出洞运输时，洞外人员不可进洞作业，装载机进洞前洞外人员可通过对讲机通知洞内人员全部撤出只留防护人员，由防护人员确保各项准备工作完善后，操作警示灯开关，隧道内警铃响及隧道洞口处警示灯亮为绿灯，装载机方可进洞。防护人员在装载机进隧道时，在躲避硐室内进行躲避。③装载机作业完毕后，防护人员开启警铃，洞口警示灯变为红灯，机械严禁入内。④隧道内两侧约30m～50m位置提前准备枕木，如遇装载机刹车失灵时的突发情况，枕木可作为紧急制动设施。⑤装载机在进场时由专业人员检查装载机的状态及性能，坚决不使用老机器、翻新机器。⑥装载机进场验收通过后前轮安装防滑链，增加装载机的爬坡能力及抗滑移能力。⑦在装载机进出洞时，做到“行车不行人，行人不行车”。
图13 隧道洞口警示灯
图14 装载机安装防滑链
6.3 大坡度二次衬砌施工
在大坡度二衬施工中，二衬台车在移动和混凝土浇筑时受台车、混凝土自重在仰拱方向的分力影响，二衬台车有向前滑动和翘尾的趋势，对二衬施工安全十分不利，因此需制定措施保障台车的稳定。本工程在台车设计时，针对上述不利工况，从以下几个方面做出设计加强：①增大台车行走电机功率，采用断电自锁电机，增加台车移动时自身行走能力和停止时自稳能力；②尾部增加尾梁通过可调整丝杠与上一板混凝土密贴，抵消重力产生的弯转力矩，并通过尾梁与已浇筑混凝土间的摩擦力抵消部分滑动力；③台车底部设置地锚装置，与浇筑仰拱时预埋钢筋焊接，增加台车的稳定性；④洞外中线位置处安装10t卷扬机通过20mm钢丝绳定滑轮与动滑轮组合使用，牵引台车移动。
施工过程中为增加安全系数，在台车行驶至指定位置时，将下置基础千斤丝杆拧紧压实，前后行走轮用楔形铁块卡住，并使用钢轨夹夹住，撑地丝杆全部撑牢固，钢轨固定好，同时在第一板二衬混凝土浇筑时上好抗浮千斤，以确保其衬砌状态的稳定性。在台车移动的过程中，全部人员撤离至台车前端，台车后端严禁站人，以防意外发生。为了确保台车行走安全，卷扬机需定期保养勤换液压油，每次使用前检查卷扬机的状态是否良好，经常检查钢丝绳状况，并涂润滑油保养，发现有断股情况立即更换。
图15 大坡度二衬台车示意图
图16 三轮搅拌运输车
二衬混凝土运输受隧道高度及大坡度制约，常用混凝土运输车无法至工作面，采用地泵配合三轮搅拌车进行混凝土运输，采用地泵应合理安排单次浇筑长度和方量，避免中间间隔过长造成堵管以及混凝土浪费。仰拱及仰拱回填每延米约1.5m3，地泵泵管拆卸耗时长、劳动强度大，选用运输三轮搅拌车可满足混凝土浇筑需要。由于隧道出口段为28.675%大坡后接半径为801.5m的圆曲线，为了保证线形，二衬每次浇筑长度不易过长，台车长度定制为10.5m，仰拱每次浇筑控制在18m内，在圆曲线段浇筑完成后可根据实际情况加大仰拱的浇筑长度。
7 结语
小断面大坡度隧道施工，在安全管理和施工组织方面与铁路公路隧道施工存在较多特殊性，通过对风险点有针对性的措施，例如增加隧道内警铃及隧道口的红绿警示灯等安全防护设施，衬砌台车的防滑溜卷扬机、抗浮千斤顶、尾梁、地锚、夹轨器等的附加安全设计，可将施工风险纳入可控范围。针对特殊隧道的工况，有针对性选用适应性较好的机械、设备不仅可加快施工进度，还可有效降低成本投入，再辅以调车硐室、避人洞等措施，可有效缩短每循环的施工时间，极大的提高生产效率。在同类型隧道中本工程一些做法，可推广借鉴使用。
