微臺階法在高地應力軟巖單線鐵路隧道施工中的應用

劉振偉 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

高地應力軟弱圍巖單線鐵路隧道在施工中存在作業(yè)面小，施工人員機具作業(yè)效率低，施工組織難度大；圍巖自穩(wěn)性差、應力高，超欠挖控制難度大，噴射混凝土超耗量大，初支變形量大，易坍塌等問題。傳統(tǒng)的軟巖隧道施工工法如臺階法、弧形導坑留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）等，在高地應力軟巖單線鐵路隧道施工中存在施工進度慢、工序多、安全步距控制困難、成本高、工法變換慢等諸多方面的缺點，為適應地質條件，實現(xiàn)快速施工，保證質量安全，在新建麗香鐵路長坪隧道施工中采用了微臺階施工工藝，配合嚴格的施工管理，在高地應力軟巖單線鐵路隧道施工達到了較好的預期目標。

1 工法原理

微臺階顧名思義就是在隧道施工中，能保障掌子面穩(wěn)定性和開挖、扒出渣、立架、噴混凝土等工序所需空間的最小臺階長度，根據(jù)圍巖實際情況，通過改變臺階高度和長度可以實現(xiàn)穩(wěn)定掌子面、控制超欠挖、上下臺階、仰拱初支同時平行流水作業(yè)等施工要求，達到縮短各工序搭接時間、短時間內實現(xiàn)仰拱初支快速封閉成環(huán)、降低軟弱圍巖開挖后暴露風化溜塌風險、降低邊墻初支收斂變形風險、減少原材浪費、加快施工進度等施工目的。微臺階工法示意圖如圖1。

圖1 微臺階工法示意圖

2 工法優(yōu)勢特點

2.1 實現(xiàn)平行流水作業(yè)，使開挖面、仰拱快速封閉成環(huán)

微臺階施工時，上臺階利用自制簡易可折疊開挖立架臺架實現(xiàn)鉆眼、清孔、裝藥等工序，下臺階炮工站在臺階底面打鉆，上下臺階同時放炮后，挖機先將上臺階洞渣扒至下臺階，上臺階扒渣完成后，上臺階立架，同時下臺階同步扒出渣，下臺階扒出渣結束后立架，同時上臺階可以優(yōu)先安排鉆爆工進行鎖腳、錨桿、超前施做，上下臺階錨桿鎖腳施做結束后，上下一起進行噴射混凝土。上下臺階各工序之間搭接緊密，每循環(huán)嚴格按照上述施工工序進行施工，能大量縮短循環(huán)時間，避免出現(xiàn)窩工現(xiàn)象。同時這種開挖工法類似于由上下臺階錯開的全斷面開挖，既可以減少工序循環(huán)時間，又可以避免多次爆破對圍巖和初支的擾動，從而減少初支因炮振產生的變形。

2.2 為仰拱、二次襯砌施工預留充足作業(yè)空間，便于安全步距的控制

微臺階的臺階長度一般控制在3～5m之間，上下臺階總長度在10m以內，仰拱至下臺階20m即可滿足出渣、噴混等作業(yè)空間需要，因此可以使仰拱距掌子面距離控制在30m以內，二次襯砌距仰拱端頭35m即可保證仰拱澆筑、防水板臺車、二襯臺車作業(yè)空間需要，因此二次襯砌距掌子面距離可以控制在65m以內，遠遠高于國家強制規(guī)定的安全步距標準，減少了初支收斂變形塌方變形的風險，提高了人員機械作業(yè)系數(shù)。

2.3 工法變換靈活

隧道施工圍巖地質往往多變，需要因巖而定施工工法。微臺階法在圍巖較差，需要重點控制掌子面穩(wěn)定性、所需作業(yè)空間的前提下，臺階可以做的很短，而當圍巖較好達到全斷面施工要求時，可以在2個循環(huán)內就能做到微臺階到全斷面的轉變，不會因為工法的轉變出現(xiàn)人員機械設備窩工現(xiàn)象，從而達到快速化施工的目的。

國家強制規(guī)定的仰拱、二次襯砌安全步距 表1

2.4 有利于超前挖控制

微臺階法臺階短，所以每循環(huán)進尺也短，可以對圍巖超欠挖、掌子面穩(wěn)定性嚴格控制。IV、V級圍巖上下臺階每循環(huán)進尺分別為 0.6～1.2m、0.8～1.6m，圍巖上下臺階每循環(huán)進尺為0.6～1.2m，打鉆精確度高，火工品用量少，可以做到“弱爆破”，最大程度的減少對周邊圍巖的擾動，減少因超挖造成的混凝土的浪費、初支空洞等以及隧道、掌子面失穩(wěn)溜塌等施工常見問題。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

新建麗香鐵路長坪隧道總長9523m，位于云南省香格里拉市虎跳峽景區(qū)，地處青藏高原東南緣，屬越嶺隧道，圍巖主要以片理化玄武巖、砂質板巖、灰?guī)r為主，局部夾炭質千枚巖，巖體中節(jié)理裂縫發(fā)育，完整性差，施工中極易發(fā)生坍塌、掉塊、初支產生大變形等安全質量事故。

長坪隧道最大埋深為1155m，隧道內最大地應力為19～38MPa，最大涌水量為5.9×104m3/d。長坪隧道1#橫洞工點承擔5077m(大：4640m+?。?37m+明洞37m)工作量,進口里程DK52+183，止于DK57+260。進口標高：2063.07m。其中：Ⅳ級圍巖4330m；Ⅴ級圍巖 747m。承擔正洞中：DK52+183～+550長367m為平坡度，DK52+550～620～980長430m 為13.25‰的上坡，DK52+980～DK61+546為28.1‰上坡，余下186m，為28.5‰。

長坪隧道為單線隧道（無砟軌道），斷面開挖高度為8.70m（不含仰拱），寬度為6.30m，內軌頂面距仰拱底1.95m，具體尺寸詳見圖2。本單線鐵路隧道斷面較小，原設計采用Ⅳ、Ⅴ級圍巖按臺階法施工，臺階法施工不利于仰拱、二襯安全步距、超欠挖、工序循環(huán)時間控制，且各工序相互干擾大，做不到平行流水作業(yè)，圍巖開挖后得不到及時封閉成環(huán)，在遇到高地應力圍巖時，曾多次造成掌子面溜塌，初支侵線換拱最高達到100余榀拱架，在遇到軟弱圍巖時超挖十分嚴重，最高噴漿料超原設計400%，造成巨大的經濟浪費。綜上所述，本工程改變以臺階法為主的施工工法，采用微臺階法施工。

圖2 復合式襯砌斷面圖（無砟軌道）

3.2 施工方案

3.2.1 技術參數(shù)

圖3 微臺階法正立面

圖4 微臺階法側立面

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，本工程上臺階的長度采用3.0～5.0m，上臺階至拱頂高度為4.0m，下臺階至邊墻底高度為4.7m。臺階的長度過短容易造成掌子面失穩(wěn)、拱架拱腳懸空，且不能保證鉆爆、立架工序所需作業(yè)空間，臺階長度過長，會影響掌子面及時封閉成環(huán)，造成安全步距超標，也影響上臺階的出渣。臺階高度應根據(jù)圍巖條件靈活調整，在圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育容易造成溜塌、超挖，應當適當降低上臺階高度，減少開挖圍巖暴露面積，利于掌子面穩(wěn)定、超欠挖控制，同時臺階高度還應考慮開挖、立架工人施工作業(yè)的舒適性和方便性，合適的臺階高度、長度對隧道快速化施工至關重要，要結合施工現(xiàn)場實際情況，選擇合適的臺階高度、長度。

3.2.2 可折疊式開挖立架臺車設計

由于單線鐵路隧道空間狹小，人員、機械作業(yè)空間有限，施工時容易相互干擾，折疊式開挖立架臺車左右兩側、后側翼緣可以自由折疊，可以根據(jù)臺階高度、長度自由調節(jié)，不使用時將左右兩側、后側翼緣放下，停放在作業(yè)面后方不影響機械通行，不占用空間。利用此臺車對上臺階立架、施做錨桿、超前時，不影響下臺階扒出渣、立架，為平行施工創(chuàng)造有利條件，設計主要考慮臺車高度以及長度，是否滿足工人安全、舒適的作業(yè)空間，以及臺車的輕便性是否方便移動，小巧性是否不占用空間，剛度穩(wěn)定性是否滿足在移動吊裝臺車的過程中不變形，經過長時間的現(xiàn)場實際施工應用，該折疊式開挖立架臺車能滿足上述要求。具體尺寸如圖4、圖5所示。

圖5 臺車正立面圖

圖6 臺車側立面圖

單個掌子面勞務人員配置表 表2

單個掌子面主要設備配置表 表3

3.2.3 機械人員配置情況

見表 1、表3。

3.2.4 施工工藝流程

上一循環(huán)噴漿結束→超前地質預報→挖機扒斷面→上臺階開挖臺架就位→工人施工準備（風水管準備）→根據(jù)圍巖調整鉆爆參數(shù)并利用全站儀對開挖輪廓線、炮眼位置放樣→上下臺階同時鉆眼、清孔、裝藥→上臺階開挖臺架移位→上下臺階同時起爆、通風排煙、排險→上臺階扒渣→上臺階初噴→上臺階立架臺車就位→上臺階人工排險、立架同時下臺階繼續(xù)扒出渣→下臺階扒出渣結束→下臺階初噴→下臺階立架同時上臺階開始施做錨桿、超前、鎖腳→上下臺階錨桿、鎖腳施做結束→移除立架臺車→上下臺階同時噴混凝土→進入下一循環(huán)施工。

3.2.5 支護參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實際圍巖開挖揭露情況，要及時調整支護參數(shù)，做到“巖變我變”，才能更好利用圍巖本身的自穩(wěn)性，使噴射混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)、錨桿等與圍巖共同受力，減小后期初支收斂變形的風險，表4主要介紹高地應力軟巖隧道IV、V級圍巖等級下的噴射混凝土、鋼架、鋼筋網(wǎng)、錨桿等具體的支護參數(shù)以及具體預留量。

3.2.6 噴射混凝土參數(shù)

高地應力軟巖隧道IV、V級圍巖等級支護參數(shù) 表4

長坪隧道進口噴射混凝土配合比（C25） 表5

為長坪隧道進口監(jiān)控量測必測項目及頻率、方法 表6

影響噴射混凝土超耗最主要的2個因素就是圍巖超挖以及噴漿作業(yè)時回彈量過大。對于超欠挖控制時要嚴格控制開挖進尺、選擇合適的臺階開挖高度。若開挖后圍巖不能自穩(wěn)，可能會發(fā)生溜塌時，扒出渣結束后要立即對掌子面進行初噴封閉，減少裸露圍巖在空氣中暴露時間，以免風化，遇到水軟化，造成二次溜塌。在立架、超前、鎖腳、錨桿施做結束后，要立即對掌子面進行復噴封閉。在利用濕噴機械手對掌子面初噴、復噴過程中，噴射混凝土回彈量的控制至關重要，而影響回彈量的主要因素噴射混凝土配合比，達到濕噴要求的噴射混凝土配合比將能大大減少噴射混凝土回彈量，從而控制工程造價。表5為長坪隧道進口噴射混凝土配合比（C25），利用此配合比能將拱頂?shù)幕貜椓靠刂圃?5%，邊墻回彈量控制在15%以內。

3.2.7 監(jiān)控量測控制

監(jiān)控量測是以“新奧法”理論為主的隧道設計與施工中至關重要的環(huán)節(jié)，及時對圍巖和支護襯砌變形、受力狀態(tài)的實時監(jiān)測，可以提前了解隧道圍巖及支護變形發(fā)展趨勢，提前預測險情，以便采取相對應的施工措施，避免事故發(fā)生，指導后續(xù)施工，以便合理安排施工順序。監(jiān)控量測必測項目為洞內外觀察、周邊收斂、拱頂下沉、地表下沉。表6為長坪隧道進口監(jiān)控量測必測項目及頻率、方法。

3.3 效益分析

3.3.1 經濟、工期、質量效益

長坪隧道進口在采用微臺階工法施工后，施工進度明顯加快，IV級圍巖在工序銜接正常、圍巖變化不大時，正洞單個掌子面月開挖、支護進尺最快能達到90m，即使圍巖變化頻繁時，巖性較差時，平均月進度也能保持在70～80m之間，是采用臺階法進度的1.3倍，V級圍巖月最快開挖、支護進尺也能達到75m，在圍巖較差的情況下，月平均進度也能保持在60m以上，增加了施工產值，降低了施工成本，減輕工期帶來的壓力，達到了開源節(jié)流、降本增效的施工管理效果。同時，還能提高施工質量，減少返工誤工情況發(fā)生，在采用微臺階法施工后，未出現(xiàn)換拱情況發(fā)生，節(jié)省了大量的財力物力。

3.3.2 社會效益分析

采用微臺階法能改善人員、機械施工作業(yè)環(huán)境，在快速化施工時不違反鐵路建設安全管理紅線，能滿足質量監(jiān)督管理站的各項施工要求，為建設安全文明工地打下堅實基礎。

4 結論

①在高地應力軟弱圍巖單線鐵路隧道施工中采用微臺階法，降低了掌子面圍巖失穩(wěn)發(fā)生溜塌的風險，能更好控制超欠挖，節(jié)省材料，能嚴格控制仰拱、二次襯砌至掌子面的安全步距，減少后期初支收斂變形換拱風險，同時可以做到平行流水作業(yè)，縮短工序循環(huán)，加快施工進度，達到快速化、經濟化施工的目的。

②微臺階法結合以新奧法理論為主的高應力軟巖隧道十八字施工方針、支護參數(shù)、噴射混凝土參數(shù)、圍巖收斂變形監(jiān)控量測、可折疊式開挖立架臺車、機械化快速施工等技術方法，將能減少施工成本，降低工期壓力，提高人員、機械安全作業(yè)系數(shù)，為按時按質完成施工任務打下堅實基礎，為項目減虧創(chuàng)效創(chuàng)造有利條件，能取得很好的社會、經濟效應。